規(guī)模化儲(chǔ)能電站電池一致性的統(tǒng)計(jì)特性研究

靳文濤，李相俊*，惠東，李靜立，祁萬年，呂成淵

（1.新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國電力科學(xué)研究院有限公司)，北京市 海淀區(qū) 100192；2.青海格爾木魯能新能源有限公司，青海省 格爾木市 816000）

0 引言

當(dāng)前電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一致性問題的研究中，利用均衡技術(shù)雖然能在電池系統(tǒng)一致性變差時(shí)，通過均衡策略使一致性變好，但并未從根本上解決電池單體的一致性問題。宋超等[23]針對(duì)新能源公交客車動(dòng)力電池不一致性預(yù)警問題，引入自回歸積分滑動(dòng)平均模型(autoregressive integrated moving average model，ARIMA)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的電池使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。張劍波等[24]分別以單體內(nèi)阻、電壓、容量中某一參數(shù)為一致性表征指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上提出同時(shí)考慮容量、電壓和內(nèi)阻等多個(gè)因素的一致性表征指標(biāo)。吳偉靜[25]兼顧單體容量、內(nèi)阻和電壓等參數(shù)，提出單體一致性聚類參量。王帥等[26]搭建4節(jié)電池單體串并聯(lián)模型，提出利用變換矩陣模型的思想研究影響因素在放電電壓曲線上表征的特點(diǎn)。電池成組不一致性的原因主要是電池單體的初始差異和電池成組后的結(jié)構(gòu)、使用工況及環(huán)境差異[27]。對(duì)電池模組進(jìn)行一致性分析，關(guān)鍵是確定一致性表征指標(biāo)。上述文獻(xiàn)多通過搭建電池模型對(duì)電池單體間的一致性進(jìn)行仿真分析，且僅考慮了單體成組前的初始狀態(tài)量對(duì)一致性的影響，而忽略了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行工況對(duì)電池單體一致性的影響。

儲(chǔ)能電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)電池單體一致性的研究數(shù)據(jù)存在差異，其數(shù)據(jù)更加多樣化，且國內(nèi)儲(chǔ)能電站由于數(shù)據(jù)保密、有效運(yùn)行時(shí)間等客觀因素，基于儲(chǔ)能電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)能電池一致性分析研究更少。本文基于儲(chǔ)能電站運(yùn)行積累的龐大數(shù)據(jù)，從極差電壓、累計(jì)極差電壓、電壓標(biāo)準(zhǔn)差、極差溫度、累計(jì)極差溫度等指標(biāo)著手，分析儲(chǔ)能電站在運(yùn)行中的電池單體電壓、溫度的一致性，為儲(chǔ)能電站健康狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 儲(chǔ)能電站一致性表征參量

格爾木某100 MW·h儲(chǔ)能電站，其基本單元由500 kW·2 h并聯(lián)組成，采用3.2 V/250 A·h的電池單體。14個(gè)電池單體串聯(lián)組成電池箱(PACK)，16個(gè)電池箱串聯(lián)組成電池柜(電池簇)，6個(gè)電池柜并聯(lián)組成500 kW·2 h儲(chǔ)能基本單元，2個(gè)500 kW·2 h儲(chǔ)能基本單元并聯(lián)組成1 MW/2 MW·h的儲(chǔ)能集裝箱系統(tǒng)，儲(chǔ)能電站系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過分析電池單體間極差電壓、電池單體電壓標(biāo)準(zhǔn)差及一致性，建立電池單體間的一致性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，可用于分析在某一調(diào)度時(shí)刻出現(xiàn)異常工作狀態(tài)的電池單體。

通過分析一定時(shí)間周期內(nèi)的電池單體累計(jì)極差電壓，結(jié)合大量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出電池單體出現(xiàn)異常電壓狀態(tài)的頻次，判斷該電池單體是否因?yàn)殚L時(shí)間運(yùn)行已經(jīng)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)。

電壓一致性指標(biāo)用電池單體間極差電壓ΔUt、電池單體累計(jì)極差電壓ΔUid、電壓標(biāo)準(zhǔn)差δid進(jìn)行表征，計(jì)算方法如下：

極差電壓表征同一時(shí)刻不同電池單體間的最大電壓差，反映電池單體間的電壓一致性；累計(jì)極差電壓表征一段時(shí)間內(nèi)電池單體出現(xiàn)的電壓波動(dòng)情況，反映電池單體運(yùn)行一段時(shí)間后的電壓一致性；電壓標(biāo)準(zhǔn)差反映電池單體間電壓的離散情況。

線上：從之前的線上統(tǒng)計(jì)情況來看，參加線上問卷調(diào)查的人有60.49%的人參觀過一兩次南京城墻，有6.17%的人經(jīng)常前往參觀，24.69%的人雖然沒去過但是愿意前往參觀，但也有8.64%的人對(duì)此沒有興趣。數(shù)據(jù)說明，大多數(shù)人對(duì)于南京城墻還是有一定的了解和興趣的，但是也有一小部分人對(duì)此比較淡漠。

溫度一致性指標(biāo)用極差溫度ΔtT、累計(jì)極差溫度ΔkT進(jìn)行表征，計(jì)算方法如下：

極差溫度表征同一時(shí)刻不同采集點(diǎn)間的最大溫差，反映各采集點(diǎn)電池單體間的溫度一致性；累計(jì)極差溫度表征一段時(shí)間內(nèi)采集點(diǎn)電池單體出現(xiàn)的溫度波動(dòng)情況，反映電池單體運(yùn)行一段時(shí)間后的溫度一致性。

2 電池單體電壓特性分析

選取典型日(5月20日)的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，其直流側(cè)電壓、電流、等效功率如圖2所示。儲(chǔ)能電站記錄的荷電狀態(tài)(state-of-charge，SOC)數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。典型日(5月20日) 儲(chǔ)能單元224個(gè)電池單體的電壓曲線如圖4所示。

圖2 直流側(cè)電壓、電流、等效功率曲線Fig. 2 DC voltage, current and equivalent power curves

圖3 儲(chǔ)能電站SOC曲線Fig. 3 SOC curve of energy storage power station

圖4 典型日各電池單體的電壓曲線Fig. 4 Voltage curves of battery cell on typical day

結(jié)合圖3、4可以看出，在儲(chǔ)能電池充電過程中，各電池單體電壓呈上升趨勢(shì)，在儲(chǔ)能電池充電截止后，各電池單體電壓存在回落過程；在儲(chǔ)能電池放電過程中，各電池單體電壓呈下降趨勢(shì)，因受儲(chǔ)能電池放電SOC截止條件影響，在儲(chǔ)能電池放電結(jié)束時(shí)刻，各電池單體電壓有明顯回升過程。各階段各電池單體電壓最大值、平均值、最小值如表1所示。

表1 各充/放電階段電池單體電壓統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of battery cell voltage in each charge/discharge stage V

在充電開始前，儲(chǔ)能初始SOC為15.2%，各電池單體平均電壓為3.224 4 V；在儲(chǔ)能電池從15.2%充電至100%的充電階段，各電池單體平均電壓為3.374 8 V；在儲(chǔ)能電池充電截止、儲(chǔ)能電池放電之前為靜置/待機(jī)的時(shí)間段，SOC為100%，各電池單體平均電壓為3.343 0 V；在儲(chǔ)能電池放電至SOC為15%的放電階段，各電池單體平均電壓為3.182 2 V；在儲(chǔ)能電池放電截止處于靜置/待機(jī)狀態(tài)且SOC為15%的時(shí)間段，各電池單體平均電壓為3.229 0 V。

3 儲(chǔ)能電站單體電壓一致性分析

取2019年5月份31天的數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為1 min，其儲(chǔ)能單元的直流側(cè)電壓、電流曲線如圖5所示。

圖5 直流側(cè)電壓、電流曲線Fig. 5 DC voltage and current curves

其中儲(chǔ)能單元224個(gè)電池單體一個(gè)月的電壓曲線如圖6所示。

圖6 各電池單體的電壓曲線Fig. 6 Voltage curves of each battery cell

統(tǒng)計(jì)該儲(chǔ)能電站連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月的樣本數(shù)據(jù)，各電池單體的極差電壓曲線如圖7所示。在樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，各電池單體的極差電壓大多在100 mV以內(nèi)，極差電壓大于50 mV的時(shí)間段共計(jì)44個(gè)。

圖7 各電池單體的極差電壓曲線Fig. 7 Extreme difference voltage curves of each battery cell

分別選取各時(shí)間段電壓極差值對(duì)應(yīng)單體電壓最大、最小值的2組電池單體，統(tǒng)計(jì)電池單體電壓最大、最小值出現(xiàn)的電池單體ID編號(hào)，如圖8所示。

圖8 電壓最大、最小值對(duì)應(yīng)的2組電池單體ID編號(hào)Fig. 8 ID number of two battery cells for maximum and minimum voltage

統(tǒng)計(jì)各電池單體對(duì)應(yīng)出現(xiàn)電壓最大、最小值的頻次，結(jié)果如圖9所示。

圖9 各電池單體對(duì)應(yīng)出現(xiàn)電壓最大、最小值的頻次統(tǒng)計(jì)Fig. 9 Frequency statistics of maximum and minimum voltage corresponding to each battery cell

在儲(chǔ)能系統(tǒng)靜置/待機(jī)狀態(tài)下，電池單體電壓最大、最小值對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)較為固定；在充/放電過程中，電池單體電壓最大、最小值對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)較為隨機(jī)。電池單體電壓最大值對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)出現(xiàn)頻次最高的5個(gè)依次為：214號(hào)(24 442次)、175號(hào)(14 807次)、113號(hào)(4 210次)、170號(hào)(4 014次)、60號(hào)(3 381次)。

統(tǒng)計(jì)該儲(chǔ)能電站連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月樣本數(shù)據(jù)的電池單體累計(jì)極差電壓，結(jié)果如圖10所示。長時(shí)間運(yùn)行后，儲(chǔ)能電站電池單體電壓會(huì)出現(xiàn)偏差，樣本數(shù)據(jù)各電池單體累計(jì)極差電壓保持在0.4 V以內(nèi)的概率為93.6%。

圖10 各電池單體的累計(jì)極差電壓曲線Fig. 10 Accumulated extreme difference voltage curve of each battery cell

累計(jì)極差電壓最大的5組值對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)依次為：174號(hào)(0.545 V)、181號(hào)(0.544 V)、20號(hào)(0.517 V)、214號(hào)(0.513 V)、82號(hào)(0.484 V)。

統(tǒng)計(jì)該儲(chǔ)能電站連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月樣本數(shù)據(jù)的電池單體電壓標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖11所示。

圖11 各電池單體電壓標(biāo)準(zhǔn)差曲線Fig. 11 Voltage standard deviation curve of each battery cell

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，各電池單體電壓標(biāo)準(zhǔn)差的最大值為6.64%，平均值為6.09%，最小值為5.73%，電壓標(biāo)準(zhǔn)差最大的5組值對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)依次為：204號(hào)(4.67%)、78號(hào)(4.65%)、120號(hào)(4.64%)、36號(hào)(4.63%)、106號(hào)(4.60%)。

4 儲(chǔ)能電站電池溫度一致性分析

每個(gè)電池簇儲(chǔ)能單元有64個(gè)溫度采集點(diǎn)，各采集點(diǎn)的溫度、極差溫度曲線分別如圖12、13所示。

圖12 各采集點(diǎn)的溫度曲線Fig. 12 Temperature curves of each collection point

圖13 各采集點(diǎn)的極差溫度曲線Fig. 13 Extreme difference temperature curve of each collection point

各采集點(diǎn)最大極差溫度為6 ℃的數(shù)據(jù)點(diǎn)共計(jì)65個(gè)，且最大極差溫度對(duì)應(yīng)的采集點(diǎn)編號(hào)為15、23。各采集點(diǎn)在樣本數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)間周期內(nèi)的溫度最高值、平均值、最低值如圖14所示。樣本數(shù)據(jù)各采集點(diǎn)的累計(jì)極差溫度曲線如圖15所示。

圖14 各采集點(diǎn)的溫度最高值、平均值、最低值Fig. 14 Maximum, average and minimum temperature of each collection point

圖15 各采集點(diǎn)的累計(jì)極差溫度曲線Fig. 15 Accumulated extreme difference temperature curve of each collection point

通過溫度數(shù)據(jù)的分析可以看出，各電池單體分鐘級(jí)的溫度變化均在1 ℃以內(nèi)，而電池單體間最大極差溫度為6 ℃，累計(jì)極差溫度隨數(shù)據(jù)量的增大呈升高的趨勢(shì)，一個(gè)月的樣本數(shù)據(jù)累計(jì)極差溫度達(dá)15 ℃，且對(duì)應(yīng)累計(jì)極差溫度最大的采集點(diǎn)編號(hào)為4、15、19、23。

綜上可知，最大極差溫度、最大累計(jì)極差溫度對(duì)應(yīng)的采集點(diǎn)編號(hào)為15、23，對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)范圍為43～60和85～99。

5 結(jié)論

通過短時(shí)間尺度的電壓、溫度數(shù)據(jù)分析，可初步篩選出需重點(diǎn)關(guān)注的電池單體。通過長時(shí)間尺度數(shù)據(jù)分析，找出電壓極差值較大的電池單體，再結(jié)合儲(chǔ)能電池現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況，確定可能存在異常的電池單體，及時(shí)進(jìn)行故障和安全隱患排查，為儲(chǔ)能電站健康狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐，降低儲(chǔ)能電站系統(tǒng)性運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1）在一個(gè)月的樣本數(shù)據(jù)中，極差電壓大于50 mV的時(shí)間段共計(jì)44個(gè)；最大單體電壓對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)出現(xiàn)頻次最高的5個(gè)依次為：214號(hào)(24 442次)、175號(hào)(14 807次)、113號(hào)(4 210次)、170號(hào)(4 014次)、60號(hào)(3 381次)。

2）在一個(gè)月的樣本數(shù)據(jù)中，各單體累計(jì)極差電壓保持在0.4 V以內(nèi)的概率為93.6%。累計(jì)極差電壓最大的5組值對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)依次為：174號(hào)(0.545 V)、181號(hào)(0.544 V)、20號(hào)(0.517 V)、214號(hào)(0.513 V)、82號(hào)(0.484 V)。

3）各電池單體分鐘級(jí)的溫度變化均在1℃以內(nèi)，而電池單體間最大極差溫度為6 ℃，累計(jì)極差溫度隨運(yùn)行時(shí)間的增長呈升高的趨勢(shì)，一個(gè)月的樣本數(shù)據(jù)累計(jì)極差溫度最大為15 ℃。