電池艙直流均衡分析及改進(jìn)建議

唐 君 熊 杰 譚志強(qiáng)

（華自科技股份有限公司）

0 引言

近幾年，電化學(xué)儲(chǔ)能作為儲(chǔ)能的重要表現(xiàn)形式，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)都得到了很好的應(yīng)用。它主要由儲(chǔ)能電池組、儲(chǔ)能變流器、電池管理系統(tǒng)、監(jiān)控與調(diào)度管理單元等構(gòu)成，可完成電能的存儲(chǔ)和釋放，具有平滑過渡、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等功能，可以使太陽能、風(fēng)能發(fā)電平滑輸出，減少其隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性給電網(wǎng)和用戶帶來的沖擊。通過谷價(jià)時(shí)段充電，峰價(jià)時(shí)段放電可以減少用戶的電費(fèi)支出，在大電網(wǎng)斷電時(shí)，能夠孤島運(yùn)行，確保對(duì)用戶不間斷供電。

從目前投運(yùn)的儲(chǔ)能站運(yùn)行情況來看，項(xiàng)目實(shí)施中仍有許多值得優(yōu)化的地方，其中電池艙直流系統(tǒng)均衡性就是重要的一項(xiàng)。直流系統(tǒng)的均衡性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）一個(gè)儲(chǔ)能站幾十個(gè)電池艙同時(shí)開始進(jìn)行充電或放電，不同艙體停止充放電的時(shí)間不一致，最嚴(yán)重的情況可能導(dǎo)致整站的存儲(chǔ)容量下降。

（2）同一電池堆不同簇之間存在充放電電流偏差過大的情況（10A以上）。

（3）同一簇電池間電壓偏差較大（一般偏差不應(yīng)大于30mV）。

1 電池艙直流系統(tǒng)構(gòu)成

某典型電池艙（如圖1所示），配置有十個(gè)電池簇，每個(gè)電池簇由25個(gè)電池組（PCAK）和1個(gè)高壓盒用70mm2電纜連接組成，每個(gè)電池組裝有16塊磷酸鐵鋰電池，電池簇到匯流柜采用70mm2電纜連接。其中電池的主要參數(shù)如下：電芯容量≥280A·h，標(biāo)稱電壓3.2V，工作電壓2.5～3.65V，電池內(nèi)阻≤0.4mΩ （新電池50%荷電狀態(tài)），標(biāo)準(zhǔn)充放電電流140A，單體放電終止電壓2.5V，單體充電終止電壓3.65V。

圖1 電池艙直流系統(tǒng)配置示意圖

2 電池艙直流不均衡分析

對(duì)電池艙直流系統(tǒng)進(jìn)行電路分析，電池作為電池艙的主要元件，我們需考慮它的內(nèi)阻。電池內(nèi)阻有歐姆電阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)的極化電阻。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成；極化電阻是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化現(xiàn)象引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻［1］。電池的有效輸出電壓因極化和內(nèi)阻而降低，只有在很低的工作電流下極化和內(nèi)阻很小時(shí)，工作電壓才接近開路電壓，輸出能量才接近理論能量［2］。電池內(nèi)阻會(huì)隨容量、溫度等因素發(fā)生變化，進(jìn)行電路分析時(shí)我們將電池內(nèi)阻等效為一個(gè)可變電阻re。

典型系統(tǒng)PACK間的連接電纜為70mm2銅芯電纜，其直流電阻參考值為0.268mΩ／m［3］。電池艙中實(shí)際使用的電纜最長(zhǎng)為14m，理論電阻約為3.75mΩ，最短為0.3m，理論電阻約為0.08mΩ （實(shí)際連接電纜阻值由于電纜頭材質(zhì)及壓接工藝的影響，會(huì)相對(duì)偏大，但其阻值還是mΩ級(jí)）。對(duì)于mΩ級(jí)的電阻，在交流系統(tǒng)分析中，我們一般會(huì)忽略其影響，但在此系統(tǒng)中，我們查看電池規(guī)格書可以知道，電池的內(nèi)阻也是mΩ級(jí)（本例新電池50%荷電狀態(tài)時(shí)，電池內(nèi)阻≤0.4mΩ），故不能忽視電纜電阻的影響。

基于以上兩點(diǎn)，再忽略高壓盒的電阻影響（由于高壓盒主要經(jīng)過塑殼開關(guān)及熔斷器等元件，均一性較好），我們可以得到電池艙直流系統(tǒng)等效電路圖，如圖2所示。其中，U為各電池簇匯流母排處電壓；I1、I2為不同簇電流；U11、U12為同簇不同電池的電壓；固定電阻rL10、rL11…rL1n為等效電纜電阻；可變電阻re11、re12…re1n為等效電池內(nèi)阻。

圖2 直流系統(tǒng)等效電路圖

從電池艙直流系統(tǒng)等效電路圖可以看出，電池在電路中有兩種電氣位置：一種是多節(jié)電池串聯(lián)形成電池簇，另一種是多個(gè)電池簇并聯(lián)形成電池堆。

首先我們來看電池的串聯(lián)，在等效電路圖中，回路一中流經(jīng)rL10、rL11…rL1n，re11、re12…re1n等電阻的電流皆為I1，但由于各電池內(nèi)阻不一致，故各電池電壓會(huì)不一致。

其次我們來看電池簇的并聯(lián)，在等效電路圖中，回路一和回路二兩端的電壓U相同，但兩個(gè)回路的總電阻不相等，那么回路電流I1和I2就會(huì)不同，這就是不同簇之間存在充放電電流偏差的原因。

另外，在充放電過程中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）是根據(jù)電池的充電終止電壓和放電終止電壓來進(jìn)行判斷是否停止對(duì)電池的充放電。對(duì)于同一簇串聯(lián)的電池，在對(duì)電池充放電的過程中，由于電池內(nèi)阻的影響，會(huì)存在一個(gè)或幾個(gè)電池的電壓相對(duì)偏高或偏低。當(dāng)對(duì)電池充電時(shí)，電壓高的電池最快達(dá)到充電終止電壓，從而觸發(fā)BMS終止整簇電池充電，此時(shí)其他電池電壓會(huì)相對(duì)較低；當(dāng)對(duì)電池放電時(shí)，電壓低的電池最快達(dá)到放電終止電壓，從而觸發(fā)BMS終止整簇電池放電，此時(shí)其他電池電壓會(huì)相對(duì)較高。另外不同簇電池由于電纜等電阻的影響，在簇電壓一致的情況下，分配到電池上的電壓也會(huì)不一致。由于電池內(nèi)阻及電纜內(nèi)阻的影響，會(huì)造成充放電過程中，電池電壓的不一致，從而造成不同簇充放電停止的時(shí)間不同。從整個(gè)儲(chǔ)能站看就是不同艙體停止充放電的時(shí)間不一致。

當(dāng)電池艙出現(xiàn)直流不均衡現(xiàn)象時(shí)，肯定會(huì)有某電池艙或某電池簇的充放電深度不夠，比如某電池艙設(shè)計(jì)容量為0.5MW／1MWh，只運(yùn)行1h就充放電停止了，那么它的充放電量就只有設(shè)計(jì)容量的50%，這樣肯定會(huì)影響儲(chǔ)能站的效益，所以當(dāng)出現(xiàn)電池艙直流不均衡現(xiàn)象時(shí)，需對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)。大型儲(chǔ)能站由于電池艙比較多，相對(duì)應(yīng)的維護(hù)工作量也會(huì)比較大，所以我們需要從設(shè)計(jì)端就進(jìn)行考慮，盡量避免現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)直流不均衡現(xiàn)象。

3 改進(jìn)建議

3.1 簇內(nèi)均衡

基于以上分析可知，同簇串聯(lián)電池的均衡性由電池本身決定，而我們進(jìn)行電池艙設(shè)計(jì)時(shí)都是選擇電池電芯及電池PACK，此時(shí)我們需要對(duì)如下方面進(jìn)行考慮：

（1）對(duì)于處于同一電池堆的電池，其品牌和型號(hào)需一致，最好為電池供應(yīng)商同一生產(chǎn)線生產(chǎn)的同一批次電池，使其有較好的均一性，保證電池內(nèi)阻一致。

（2）對(duì)于處于同一電池堆的PACK，其規(guī)格型號(hào)、工藝等需一致，如電池正負(fù)極之間的串聯(lián)連接材料需一致，以保證電池PACK的內(nèi)阻一致。

（3）可預(yù)留一定量的備用電池和PACK，用于檢修和維護(hù)。

3.2 簇間均衡

簇間電流不均衡主要是由不同簇之間電阻不同等引起的，在保證了電池本身均一性的前提下，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們還需對(duì)如下方面進(jìn)行考慮：

（1）PACK之間的連接盡量選用銅排，且規(guī)定好銅排型號(hào)規(guī)格、緊固螺絲大小及擰緊力矩大小，以使得PACK之間的電阻值一樣；若選用電纜，需選好電纜型號(hào)及長(zhǎng)度、電纜壓接頭型號(hào)及大小、電纜壓接力矩大小、電纜緊固螺絲大小及擰緊力矩等，使用專用工具進(jìn)行壓接，壓接后最好還進(jìn)行必要的電阻測(cè)量。

（2）PACK到匯流柜的距離不等，若要保證不同簇間電阻相同，可以采用等長(zhǎng)或不同線徑電纜，或者將匯流柜布置在艙體中間，盡量減少簇間電阻偏差。

（3）需要注意的是電池艙充放電電流相對(duì)較大（如280A·h的電芯，0.5C時(shí)的充放電電流有140A），當(dāng)電纜電阻較大時(shí)，電纜會(huì)存在過溫現(xiàn)象，同時(shí)也增加了能量損耗。

基于以上措施能減少直流系統(tǒng)不均衡現(xiàn)象，但由于電池的自損耗，不可避免地會(huì)出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。故在設(shè)計(jì)時(shí)，我們需選擇好是采用主動(dòng)均衡方式還是被動(dòng)均衡方式來進(jìn)行電池維護(hù)，以避免后期維護(hù)工作量巨大的情況出現(xiàn)。

我們對(duì)某站出現(xiàn)偏流情況較嚴(yán)重的電池艙進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)PACK間相同長(zhǎng)度的連接電纜電阻最低的為0.113mΩ，最高的有1.92mΩ，相差幾十倍。對(duì)電纜進(jìn)行重新壓接后（電阻控制在0.16mΩ左右），電池艙偏流情況得到了有效改善。

4 結(jié)束語

在典型電池艙直流系統(tǒng)中，由于直流回路中電池本體及電纜電阻的影響，會(huì)出現(xiàn)直流不均衡現(xiàn)象，本文基于電池艙等效電路圖進(jìn)行了定性分析，提出了若干設(shè)計(jì)建議，希望對(duì)電池艙的設(shè)計(jì)能起到一定指導(dǎo)作用。