仿真法測(cè)評(píng)：磷酸鐵鋰&錳酸鋰電池串并聯(lián)

　　鋰離子電池憑其重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、電壓高和無污染等優(yōu)勢(shì)，逐步取代鉛酸、鎳氫、鎳鎘等電池，并且憑其充放電效率高的特點(diǎn)在電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用中得到了重視。但是，受動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)的限制，為滿足電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的要求，需將電池串聯(lián)到一定的電壓等級(jí)，再將電池組并聯(lián)，以達(dá)到較高容量。

　　同時(shí)，通過研究大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)先串后并的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)各個(gè)單體電池進(jìn)行檢測(cè)和管理。以比亞迪深圳總部?jī)?chǔ)能示范系統(tǒng)為例，系統(tǒng)由16個(gè)并聯(lián)支路組成，每個(gè)支路由252個(gè)單體串聯(lián)連接至800V直流母線，再接功率變換器系統(tǒng)（power conversionssystem，PCS）與電網(wǎng)連接，所構(gòu)成的1MW（兆瓦）儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能與各單體的狀態(tài)參數(shù)密切相關(guān)。

　　顯然，當(dāng)電池性能存在不一致性，并將動(dòng)力電池組串并聯(lián)使用時(shí)，性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體電池原有水平，所以評(píng)價(jià)電池系統(tǒng)的性能并不能將單體電池性能進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，而是需要對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中串聯(lián)支路的能量利用率以及并聯(lián)支路的電流不平衡度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，從而保證系統(tǒng)的效率和安全性。

　　本文在錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池電學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出基于等效電路微分方程的串并聯(lián)仿真方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證串并聯(lián)仿真精度，研究影響動(dòng)力鋰離子電池組電流不平衡度的各項(xiàng)因素，擬出有效的電池組性能預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)手段。

　　電池模型與精度分析

　　本文以電動(dòng)汽車用90A·h錳酸鋰LiMn2O4和60A·h磷酸鐵鋰LiFePO4能量型電池為測(cè)試對(duì)象，實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)Arbin公司BTS2000及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行電池測(cè)試。

　　研究人員為分析動(dòng)力鋰離子電池的特性設(shè)計(jì)了大量等效電路模型，通常分析單體電池在不同倍率、不同溫度和不同老化程度下的充放電特性。

　　以電流作為輸入量，并以電池電壓作為輸出量，通過等效元件的串并聯(lián)來模擬電池的電學(xué)性能。如電池在充放電過程中表現(xiàn)出的歐姆內(nèi)阻、電化學(xué)極化以及濃差極化等現(xiàn)象，均可以通過模型參數(shù)以較高的精度表示。

　　由于電池極化電壓的建立和靜置過程消退均呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)增加或者衰減的特性，同時(shí)為便于電學(xué)仿真和計(jì)算，通常使用Rc阻容的模型對(duì)電池的極化電壓進(jìn)行建模。

　　電池組串并聯(lián)仿真中電池外電壓Uo決定了并聯(lián)的各個(gè)支路的電流大小，而Uocv可以通過OCV-SOC曲線實(shí)際測(cè)量得到，因此對(duì)極化電壓的準(zhǔn)確建模和仿真是研究電池串并聯(lián)特性的關(guān)鍵。對(duì)錳酸鋰電池充電狀態(tài)（state of charge，SOC）為40％～50％的充電過程和50％測(cè)試點(diǎn)的靜置過程分別進(jìn)行模型狀態(tài)參數(shù)的辨識(shí)，極化電壓Up試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果如圖1（a）所示。

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