储能系统中电池成组技术及应用现状

薛金花，叶季蕾，张 宇，时珊珊， 朴红艳

（1.中国电力科学研究院，江苏南京 210003；2.上海市电力公司电力科学研究院，上海 200070）

储能系统中电池成组技术及应用现状

薛金花1，叶季蕾1，张 宇2，时珊珊2， 朴红艳2

（1.中国电力科学研究院，江苏南京 210003；2.上海市电力公司电力科学研究院，上海 200070）

大容量锂电池储能系统在电力系统中的应用发展潜力巨大，尽管国内单体制造技术已相对成熟，但电池成组理论研究不多，成组后性能极大程度下降以及安全性问题也亟待解决。基于储能系统电池成组的特点，分析了成组应用中影响电池组性能的因素，并从应用角度介绍了当前国内电池成组技术的现状，提出了储能系统中电池成组与集成技术的关键问题，并归纳了未来储能系统中成组技术的发展方向。

储能系统；电池成组；应用

综合储能系统的技术、规模、灵活性等多方面特点，电池储能在大规模存储技术中具有广泛的应用前景[1-3]。国家电网公司、中国南方电网相继建成了MW级电池储能电站示范项目，部分储能厂家也建立了kW-MW级电池储能系统。然而，电池成组后表现出明显的性能下降以及安全性问题，已成为兆瓦级电池储能系统应用推广的瓶颈因素。当前，研究者和厂家正积极寻求理论和技术上改进电池成组与集成应用技术的解决途径。

1 储能系统中电池成组方式

将储能支路定义为储能系统的最小组成单元，由一台储能变流器(PCS)、电池堆(BP)和电池管理系统(BMS)构成。电池堆是储能支路的核心单元，由单体电池的串并联组合构成，即传统意义上的电池成组，设计中需要满足一定的原则以兼顾电池连接的安全可靠性以及电池管理监控的方便合理性[4]，其层次关系如图1所示。

图1 储能电池成组设计层次结构

MW级大容量储能电站需要成千上万支单体电池，典型的成组设计如图2所示。比亚迪于2009年建立1MW×4 h磷酸铁锂电池储能示范电站，储能单元额定功率为100 kW，由600节FV200 A磷酸铁锂电池组成，每10节单体电池串联构成标准电池模组，20块模组串联组成电池组，3组电池组并联得一个100 kW单元。2011年，ATL在松山湖厂区建设1 MW×2 h的储能示范电站，采用60 Ah/3.2 V单体磷酸铁锂电池，3并12串组成模块，再20个模块串联成一个电池串，15串并联构成单支路电池储能系统。

图2 国内典型示范工程电池成组设计

2 电池成组性能的影响因素

由于电池连接和集成技术限制，电池组在比能量、比功率等参数上远远不能达到单体电池的水平。更为严重的问题是电池组内容易发生单电池的过充、过放、过流和超温现象，伴随着明显的容量衰减，不仅导致电池组寿命比单体电池缩短数倍甚至十几倍，电池组系统使用和维护成本增加，甚至可能发生严重的燃烧等安全问题。单体锂离子电池的循环寿命可达2 000～3 000次，但成组后性能较好的也只有1 000～1 500次。

2.1 单体电池不一致性

组成蓄电池组的单体电池，其初始性能存在一定程度的差异。在电池的使用过程中，充放电过程、自放电现象将使不一致性趋于恶化。以容量不一致的单体电池为例，容量大的单体处于小电流浅充浅放，容量小的处于大电流过充过放，容易出现部分电池长期充电不足而钝化，部分电池长期过放而受损害，加速电池组的容量衰减，循环寿命急剧缩短。不一致性引发电池组容量衰减、寿命下降，还增加了电池状态识别的复杂性，不利于电池管理。

2.2 串并联方式

不同的串并联组合方式将导致电池组的连接内阻、组间电池容量自消耗不同。

“先并后串”可促进并联单体电池间的容量自均衡，保持电池组连接的可靠性，但在充放电控制上要防止并联电路电流不均衡的现象。小容量电池系统采用“先并后串”，容量衰减系数小于“先串后并”方式。

“先串后并”方式，每一路的电池容量固定，能有效保证各个电池之间不存在容量偏差，而且电池管理系统能对串联支路进行监测及保护。

2.3 连接技术

电池的串并联连接电路中，连接端子是成组设计的关键，其腐蚀问题是连接技术的瓶颈。在电池的使用过程中，连接端子由于长时间的氧化腐蚀，接触面电阻也相应变大，产生压降影响电池电压的均衡性，降低了电池组的高效性和安全性。目前，解决连接端子腐蚀问题的手段包括电芯外表面包覆膜等技术。

2.4 运行工况

保持合理电池组的充电方式、放电功率和放电深度对于保证电池组长寿命稳定运行很有必要。过充、过放都将严重影响电池组的使用寿命，蓄电池组在长期大电流、深放电的工作特性下的容量衰减系数较大。

温度是影响电池电化学性能的重要因素，高温、过低温不利于电池发挥应有性能。在允许温度范围之外禁止储能系统充电，防止造成永久性容量衰减和安全问题。

3 电池成组应用技术现状

3.1 电池分选

根据采集的单体电池特征数据进行分组匹配，选用性能参数接近的电池成组，保证每个串联模组、并联模组中的电芯相对一致性。主要评价参数有容量、开路电压、动态放电曲线。

在大容量储能电站中，采用模块化和电池容量冗余的设计。在运行过程中某些单体电池性能发生衰减严重或损坏，根据工况模拟实验，配选与模组中其他性能参数接近的电池将其替换，将替换下来的电池组重新进行再分组待用。

3.2 充放电管理技术

传统蓄电池的充放电管理一般采用基于端电压的恒压、恒压限流、恒流和多阶段恒流充电控制技术和设备。这些并不太适用于新型锂电池系统中，充放电管理方法不当是导致电池组寿命下降和安全问题的原因之一。

在锂离子电池的使用过程中，要确保单体电池不发生过充、过放、超温和过流的现象。充放电过程中，最大允许充放电电流是受到最高允许充放电电压、内阻和极化电压限制的变量。充放电管理应直接面向电池组中充/放电的最高/最低电压的单体，对充放电过程中的电流进行实时智能化控制[5]。当极端单体电压达到给定值时，及时调整充电电流，保证其在允许的电压范围内。

机械工程总院对基于极端单体电池应用技术和设备进行了研究和开发，并通过国家“863”和北京奥运电动汽车示范运行项目的应用进行了验证，表明基于极端单体电池充电控制方法技术原理简单清晰，控制策略简便易行，控制对象明确，控制参数获得简单可靠，电池在任意使用状态下，不会发生单体电池过充。

3.3 均衡管理技术

根据电池组一致性评价标准，当前主要采用基于电压的均衡策略[6]。实用均衡技术包括有损无源和无损有源技术2种：(1)有损无源技术，也称为放电均衡、被动均衡，是单体电池外加电阻旁路的结构，效率低，在电池过充时实现电流均衡的效果，但在电池放电时无法达到均衡的目的；(2)无损有源技术，也称为能量转移法、主动均衡法，采用电池外加DC/DC的电路结构，效率高，能实现均充均放的功能，但需要高精度的电池电压采集为均衡判决基础，电路结构复杂，可靠性有待提高。

自动均衡装置对于经常处于浮充状态的电池组具有良好的均衡作用，是应对电池组不一致性的有效技术措施。目前国内的各厂家技术水平只限于数量较少的电池均衡，从实际效果、成本、体积方面看，尚不符合储能电站或电动汽车的要求。

3.4 热管理技术

热管理是提高电池组寿命和安全性的重要手段，可以保证电池工作温度的均匀性，避免因温度场差异造成的电池性能不一致性；同时避免电池组内局部热积累造成的热失控等安全事故；维持电池在低温、超低温环境下正常的充放电性能。

热管理分为冷却和加热两部分。相较于冷却问题，加热问题还没有引起足够的重视[7]。目前电池储能系统主要考虑散热设计，通常采用强制风冷、水冷等方法，通过温度场建模，分析电池产品不同位置产生的热量[8-9]；再结合热场分析，设计电池箱各电芯的间隙、测量点位置及散热风道。

电池及电池模块热效应模型的建立、电池箱温度场建模及仿真模拟分析、电池箱温度场控制设计及构建都是热管理的技术难点。

4 储能系统中电池成组应用技术的关键问题

综合考虑智能电网中不同应用场合需求、电池本体的性能特点和工艺水平，大容量电池储能系统的应用和推广应当遵循标准化设计、高集成架构、智能化控制、灵活性应用的一体化发展趋势。因此，储能系统中的电池成组应用不仅在电池本体制造和成组技术上有待突破，更需综合考虑与系统其他组成部分的配合、系统级集成和管理，最终实现储能系统整体应用解决方案。

（1）储能电池模块化设计与集成方法

标准化电池模块设计与集成是电池储能系统大容量化的基础。建立标准化的电池模块参数要求，使电池和电池管理单元以最优的方式组合，保证可扩展性和可移植性，经过标准化通讯接口和电池管理系统整合，实现电池储能单元集成。

电池标准化参数与接口设计，向上可方便单个储能系统控制、多个储能系统之间的协调；向下则为模块设计的灵活性提供基础，保证系统对于不同电池类型和性能的适应性，尤其是考虑到目前研究上对于超大容量锂电池的经济性和安全性的质疑，而厂家技术水平差异大；此外，横向上还为电池的梯级利用预留了发展空间。

（2）大容量储能变流器与电池本体的匹配技术

电池与PCS的匹配技术，包括PCS与电池在容量和数量上的优化配比，以及针对不同类型电化学电池差异性要求的PCS装置控制策略优化方案。由于储能电池系统中电池模块众多，串并拓扑复杂，如果储能变流器与电池系统匹配不当，很容易导致电池系统出现环流/对充等问题。

（3）大容量电池储能系统的监控平台开发

大容量需要在现有的厂(站)监控平台上深化开发适用于大容量储能电站的监控调度系统。MW级储能电站信息点比较多，仅电池相关的点数规模就在30万以上，对监控系统的容量与接入是一个挑战；区域电池储能系统集中管理和控制，要同时满足容量和实时性的要求，站内信息的分层分区设计及工程实现是技术难点，其优化调度方法与高级应用功能有待研究。

（4）不同应用场合下的系统规范化设计与针对性应用策略研究

智能电网中不同应用场合对于电池储能系统的容量、充放电性能等性能要求差异较大、各有侧重，应进行针对性研究。统筹考虑系统应用需求与电池长寿命运行要求，实验和仿真研究不同应用场合下电池储能系统接入电网的动、稳态特性分析，制定不同应用场合下系统集成和电网接入的技术规范，开发可保证电池长寿命运行的PCS充放电控制、储能装置与可再生能源发电联合优化调度等高级应用策略。

5 展望与结论

结合目前国内技术现状，当前在电池成组技术应用的可行方向是从技术层面上提高，积极推进示范工程的试点运行工作，为电池储能系统的进一步技术发展和理论深化提供充分的实验数据与平台支撑。未来需重点突破的技术包括：加快大容量单体电池研制，简化电池模块的串并联连接，模块标准化应用；实现灵活的电池分选、冗余保护和高效的模块均衡控制，以应对当前电池一致性差异大及状态辨识可靠性不高的条件限制；统计分析研究不同应用环境和使用工况下的电池组失效模式和寿命分布，进行电池组剩余寿命预测。此外，电池储能系统的规模化集成应用离不开储能电池、储能变流器、管理系统三者的协调匹配。因此，变流器与电池的匹配技术、高效的控制策略也是储能系统中电池成组应用的关键。

[1] 董晓文，何维国，蒋心泽,等.电力电池储能系统应用与展望[J].供用电，2011，28(1)：5-7.

[2] 方彤，王乾坤，周原冰.电池储能技术在电力系统中的应用评价及发展建议[J].能源技术经济，2011，23(11)：32-36.

[3] 杨勇.新型锂离子电池正极材料的研究现状及其发展前景[J].新材料产业，2010(10)：11-14.

[4] 吴福保，杨波，叶季蕾,等.大容量电池储能系统的应用及典型设计[C]//第十三届中国科协年会第15分会场-大规模储能技术的发展与应用研讨会论文集.天津:中国科学技术协会，2011.

[5] 钱良国，郝永超，肖亚玲.锂离子等新型动力蓄电池成组应用技术和设备研究最新进展[J].机械工程学报，2009，45(2)：2-11.

[6] 李索宇.动力锂电池组均衡技术[D].北京：北京交通大学，2011.

[7] 付正阳，林成涛，陈全世.电动汽车电池组热管理系统的关键技术[J].公共交通科技，2005，22(3)：120-123.

[8] 王丽娜，杨凯，惠东,等.储能用锂离子电池组热管理结构设计[J].电源技术，2011，35(11)：1351-1353.

[9] 惠东.电池储能规模化系统集成及应用[C]//第十三届中国科协年会第15分会场-大规模储能技术的发展与应用研讨会论文集.天津:中国科学技术协会，2011.

《燃料电池基础》

燃料电池（M F C）是21世纪最有希望的新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。本书是一本浅显易懂的教材和专业入门书籍，涵盖了关于燃料电池的基础科学与工程学。本书侧重于基本原理，简单明了地描述了燃料电池是如何工作的、为什么它可以产生如此高效的潜能，以及如何最佳地利用其独特的优势等。

Battery group technology and application of energy storage system

XUE Jin-hua1,YE Ji-lei1,ZHANG Yu2,SHIShan-shan2,PIAO Hong-yan2
(1.China Electric PowerResearch Institute,Nanjing Jiangsu 210003,China; 2.Electric PowerResearch Institute,ShanghaiElectric PowerCompany,Shanghai200070,China)

Large-scale Li-ion battery energy storage system has a huge potential in the power system.In China,the manufacturing of cell is relatively mature,but battery group assembly theory has not been thorough at now.The problems after group such as performance attenuation and security issue are still to be resolved. Based on the characteristic of battery energy storage system, the factors of battery performance in group applications were summarized.In a view of application,the domestic status of battery group technology was presented.Moreover,the key issues of group and integration technology in battery energy storage system were pointed out, and the developing trend of battery group technology was proposed in the future energy storage system.

energy storage system;battery group technology;application

TM 912

A

1002-087 X(2013)11-1944-03

2013-04-18

上海市科委科研计划项目（11dz1211500）；江苏省科技支撑计划项目（BE2011011）；2012年国网公司技术服务项目（JF12-090008）

薛金花（1984—），女，江苏省人，硕士，工程师，主要研究方向为电池储能容量配置、储能系统设计和储能电池的成组技术。