单体电压不一致性对锂电池储能系统容量衰减的影响

2017-01-10郭光朝李相俊张亮王立业贾学翠张栋

电力建设 2016年11期

郭光朝，李相俊，张亮，王立业，贾学翠，张栋

(1.深圳市欣旺达综合能源服务有限公司，广东省深圳市 518108； 2.中国电力科学研究院电工与新材料研究所，北京市100192；3.东北电力大学自动化工程学院，吉林省吉林市132012)

郭光朝1，李相俊2，张亮1，王立业1，贾学翠2，张栋3

电池的不一致性是指同一规格、同一型号的电池在电压、内阻、容量等方面的参数差别。其中，电压不一致性的表现相对直观，也容易被测量。在 MW级电池储能电站中，需要通过串并联成组来满足储能系统的电压等级和容量需求，电池单体数量高达几万节，而单体电池不一致性的存在，将不可避免地影响储能系统整体性能。针对200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统和250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统在不同时间阶段进行容量标定实验，经过长期运行后，分析单体电池电压不一致性对电池系统容量衰减的影响。结果显示：经过2年的运行，250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统充电性能衰减了4.24%，放电性能衰减了2.6%,单体电压不一致性变化不大，而200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统充电性能衰减了25.976%，放电性能衰减了27.120%，说明具备充放电均衡控制策略的锂电池储能系统能够很好地改善单体电压不一致性变化；250 kW/1 (MW·h)储能系统已累计运行相当于100%DoD(depth of diacharge)充电27.11次，相当于100%DoD放电23次，充放电次数是造成该储能系统容量衰减的主要原因。

锂电池储能系统；容量衰减；单体电压；不一致性

0 引言

随着新能源的大规模开发利用，应用于提高间歇式电源并网能力的储能技术尤其是电池储能技术得到了关注与发展。储能技术被认为可以在很大程度上解决新能源发电并网带来的问题，同时其将贯穿于电力系统发电、输电、配电和用电各个环节，可以有效缓解高峰负荷供电需求，提高现有电网设备的利用率和电网的运行效率。国内已经开展了多项储能示范工程，如国家电网公司在张家口建设的国家风光储输示范工程；中国南方电网有限责任公司建成的深圳宝清 MW级电池储能电站示范项目；中国电力科学研究院在张北建成的张北储能并网实验室等[1-4]。

在储能电站运行过程中，储能系统的可用容量能直接体现储能系统发电性能。储能系统是否有足够的容量也关系到储能电站是否能完成各项功能，储能电站的运行人员可根据可用容量的大小对运行方式进行决策，同时容量是对电池进行维护的重要依据。锂电池容量不是恒定不变的参数，其变化规律呈非线性，会随循环次数的增加而衰减，同时受到多重因素的影响。在储能系统循环过程中，电池性能衰减速度不同会加大单体电池电压的不一致性。目前国内针对电池组不一致性的形成原因、不一致性对电池组使用寿命的影响等方面开展了广泛的研究，并提出了针对电池组提高一致性的方法和措施，但这些研究成果多体现在动力电池组应用上[5-7]。

目前国内外已形成较为完备的针对锂电池单体、锂电池模组的容量测试标准。而针对储能系统容量测试的标准，目前国内主要有2个系列标准：一是中国电力科学研究院牵头编制的中华人民共和国能源行业标准NB/T 33016—2014《电化学储能系统接入配电网测试规程》[8]；二是大容量储能电站系列行业标准，目前还处于送审阶段。

本文从储能系统中不同电池组的单体电压不一致性出发，针对200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统和250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统在不同时间段的电池系统容量和不一致性进行统计，分析单体电池电压不一致性对系统容量衰减的影响。

1 测试方法

1.1 容量测试方法

在前述行业标准NB/T 33016—2014中，规定了电化学储能系统容量测试方法[8]。

该方法规定了在额定功率充放电条件下，检测储能系统的充电容量、放电容量。具体步骤如下：

(1)在25(±5)℃ 条件下，以额定功率放电至额定功率放电终止条件时停止放电，热备用状态运行15 min；

(2)以额定功率充电至额定功率充电终止条件时停止充电，记录充电能量，热备用状态运行15 min；

(3)以额定功率放电至额定功率放电终止条件时停止放电，记录放电能量。

1.2 电池组串的电池电压极差计算方法

电池组串电池电压极差是指同一电池组串中最大单体电池电压和最小单体电池电压的差值，计算如式(1)所示：

Ur=Umax-Umin

(1)

式中：Ur表示电池组串的单体电池电压极差；Umax表示电池组串中单体电压最大值；Umin为电池组串中单体电压最小值。

该指标能直观体现电池组串的单体电压一致性偏差。由于电池组串是由大量单体电池串并联组成，在运行过程中难免由于性能差异导致部分单体电池提前衰退。电池单体容量衰退的表现为电池电压发生变化，此电压变化将会直接影响到电池单体充放电截止电压，进而影响电池单体充放电容量。同时电池组串中电池单体电压变化将会直接反映到整个电池串的电压极差上，体现为电池组串电压极差变大或缩小。因此电池电压极差能有效反映这种衰退现象[9-12]。

1.3 容量衰减计算方法

容量衰减的计算方法如式(2)所示：

(2)

式中：λ表示容量衰减率；E1表示第1次容量测试结果；E2表示第2次容量测试结果；Er表示储能系统额定容量。

2 不同电池储能系统容量衰减分析

张北储能并网实验室具有200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统和250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统。其中200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统不具备充放电均衡控制策略，250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统具备充放电均衡控制策略，分别对这2种锂电池储能系统进行容量测试[13]。

2.1 200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统容量测试

2.1.1 系统参数

200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统参数如表1所示。

2.1.2 容量测试分析

采用1.1节所述的测试方法，2012年容量测试结果如下：充电容量为185.2 kW·h，放电容量为 176.3 kW·h；2014年容量测试结果如下：充电容量为133.248 kW·h，放电容量为122.059 kW·h。2012年和2014年200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统充放电电压曲线如图1、2所示。

表1 200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统参数

Table 1 200 kW/200 (kW·h) lithium battery energy storage system parameters in 2012

图1 2012年200 kW/200 (kW·h)储能系统充放电电压曲线

图2 2014年200 kW/200 (kW·h)储能系统充放电电压曲线

2.1.3 容量衰减分析

根据1.3节所述的计算方法，依据2次容量测试数据，对该储能系统的容量衰减情况进行分析，结果显示，经过2年的运行，储能系统充电性能衰减了25.976%，放电性能衰减了27.120%。相对于充电性能，放电性能的衰减更为严重。

2.1.4 电池单体电压不一致性分析

该储能系统采用6个电池柜并联的方式，基于2012年和2014年的储能系统单体电压历史数据，选取每个电池柜中的单体电压最大值和单体电压最小值，进行单体电池电压不一致性分析。

基于200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统历史数据，对储能系统的2012年和2014年的单体电压最大值、最小值进行统计分析，每个单元都有6个电池组，统计分析结果如表2所示。

表2 2012年和2014年单体电压数据

Table 2 Monomer voltage data in 2012 and 2014 V

由表2可知，2012年该储能系统第1组单体电池电压差最大(0.066 V)，第4组单体电池电压差最小 (0.013 V)；2014年，第4组电池组的单体电池电压差最大，达到了0.356 V，第2组单体电池电压差最小，仅为0.012 V。总体上来看，2012年的单体电池电压差之间的波动较小，2014年单体电池电压差比2012年的单体电池电压差波动要大得多，并且2014年的单体电池电压差均大于2012年的单体电池电压差。经过2年的运行，该储能系统的单体电池电压差变化较大。

对200 kW/200 (kW·h)储能系统的单体电压不一致性变化情况进行分析可知，总体上来看，2012年和2014年的单体电压最大值之间的波动都不大，并且2012年的单体电压最大值均大于2014年的单体电压最大值。2012年单体电压最小值之间的波动较小，2014年时单体电压最小值之间的波动要大得多。

综上可知，经过2年的运行，不具备充放电均衡控制策略的锂电池储能系统单体电压不一致性会出现偏大的状况；2012年和2014年的单体电压最大值的差值为0.086 V；单体电压最小值的差值达到了0.371 V。单体电压最大值的变化相对于单体电压最小值的变化较小，单体电压最小值会影响到储能系统的放电性能。因此，造成了该储能系统的放电性能衰减更严重。

2.2 250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统

2.2.1 系统参数

250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统参数如表3所示。

表3 250 kW/1 (MW·h)锂电池储能单元参数表

Table 3 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system parameters

2.2.2 容量测试分析

采用1.1节所述的测试方法，2012年和2014年容量测试结果如表4所示，充放电电压曲线如图3、4所示。

表4 2012年和2014年250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统容量测试数据

Table 4 Capacity test data of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system in 2012 and 2014

2.2.3 容量衰减情况

根据1.3节所述的计算方法，结合2012年和2014年2次测试结果，对该储能系统的容量衰减情况进行分析，可知从2012年到2014年，该系统的充电性能衰减了4.24%，放电性能衰减了2.6%。

2.2.4 电池单体电压不一致性分析

该储能系统采用7个电池柜并联的方式，基于2012年和2014年的储能系统单体电压数据，选取每个电池柜的最大最小电压进行电池单体电压不一致性分析。2012年和2014年的电池单体电压不一致性分析如图5所示。

由图5可知，2012年和2014年该储能系统都是第3组单体电池电压差最大，电压差值分别为0.370，0.350 V；第5组单体电池电压差最小，电压差值分别为0.130，0.100 V。总体上来看，2012年的单体电池电压差与2014年单体电池电压差波动曲线几乎重合，经过2年的运行，该系统的单体电池电压差变化较小。

2012年第3组电池的单体电压值最大(3.130 V)；2014年也是第3组电池的单体电压值最大(3.180 V)。总体上来看，2012年单体电压的最大值的波动曲线与2014年单体电压的最大值的波动曲线形状几乎一致，并且2014年的单体电压最大值均大于2012年的单体电压最大值。2012年，第3组电池的单体电压值最小(2.760 V)；2014年也是第3组电池的单体电压值最小(2.830 V)。总体上来看，2012年时的单体电压最小值和2014年时单体电压最小值都具有一定的波动。

图3 2012年250 kW/1 (MW·h)储能系统充放电电压曲线

图4 2014年250 kW/1 (MW·h)储能系统充放电电压曲线

图5 2012年和2014年250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统单体电压不一致性分析

2.2.5 储能系统充放电深度统计分析

对250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统自投运以来的累计充电容量和放电容量进行统计分析，如表5所示。

表5 250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统充放电次数统计分析

Table 5 Statistical analysis of charging and discharging times of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system

由表5可知，自该系统投运以来，累计充电-27 113.876 kW·h，相当于100% DoD(depth of diacharge)充电27.11次；累计放电23 003.166 kW·h，相当于100%DoD放电23次，充放电次数是造成该储能系统容量衰减的主要原因。

3 结论

(1)200 kW/200 (kW·h)锂电池储能系统不具备充放电均衡控制策略，造成了电池单体电压不一致性变得更差，影响了系统的充放电性能，加速了系统的容量衰减。

(2)250 kW/1 (MW·h)锂电池储能系统具备充放电均衡控制策略，通过对2年期间的测试数据对比分析，电池单体电压不一致性变化很小，对储能系统的容量衰减影响较小。因此，通过电池储能系统充放电均衡控制策略等手段，可延缓锂电池的容量衰减。

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(编辑张小飞)

Impact of Cell Voltage Inconsistency on Capacity Attenuation of Lithium Battery Energy Storage System

GUO Guangchao1, LI Xiangjun2, ZHANG Liang1, WANG Liye1, JIA Xuecui2, ZHANG Dong3

(1.Sunwoda Energy Solution Co., Ltd., Shenzhen 518108, Guangdong Province, China; 2. Electrical Engineering and New Material Department, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3.Shool of Automation Engineering，Northeast Dianli University， Jilin 132012，Jilin Province, China)

Among the same specifications and the same type of battery, cell inconsistency refers to the difference of voltage, internal resistance, capacity, etc. Among them, the performance of voltage inconsistency is relatively intuitive, which is easy to be measured. In megawatt battery energy storage power station, the voltage level and capacity needs of the energy storage system are met by series-parallel groups. The number of batteries cell is up to tens of thousands. Due to the inconsistency of battery cell, the overall performance of the energy storage system will be affected. This paper carries out the capacity calibrated experiments for 200 kW/200 (kW·h) and 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage systems during different time periods. After long time running, this paper analyzes the influence of the voltage inconsistency of battery cell on the capacity attenuation of battery system. The results show that, the charging performance of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system is attenuated by 4.24% after 2 year running, the discharging performance is attenuated by 2.6%, and the voltage inconsistency of battery cell changes little, while the charging performance of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system is attenuated by 25.976%, the discharging performance is attenuated by 27.120%. The result shows that the lithium battery energy storage system with charging and discharging equalization control strategy can improve the voltage inconsistency change of battery cell. This energy storage system has run the equivalent of charging 27.11 times with 100% DoD (depth of diacharge), or discharging 23 times with 100% DoD. The number of charging and discharging is the main reason for the capacity attenuation of the energy storage system.

lithium battery energy storage system; capacity attenuation; cell voltage; inconsistency

中国电力科学研究院科技创新基金项目(DG84-15-003);北京市科技新星计划(Z141101001814094)

TM 912

1000-7229(2016)11-0023-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.004

2016-06-25

郭光朝(1984)，男，硕士，工程师，主要研究方向为能量存储与转换技术;

李相俊(1979)，男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为大规模储能技术、智能电网;

张亮(1984)，男，学士，工程师，主要研究方向为能量存储与转换技术;

王立业(1987)，男，学士，工程师，主要研究方向为能量存储与转换技术;

贾学翠(1984)，女，硕士，工程师，主要研究方向为能量存储与转换技术;

张栋(1993)，男，硕士研究生，主要从事电池储能系统控制研究工作。