磷酸鐵鋰電池均衡技術(shù)綜述

摘要：為了達到規(guī)模儲能的電壓和容量要求，磷酸鐵鋰電池需通過串并聯(lián)達到設(shè)計要求，而生產(chǎn)、使用過程的差異性導(dǎo)致的電池單體不一致性，是影響儲能電站壽命主要因素之一。文章從規(guī)模儲能技術(shù)基本概念出發(fā)，介紹了現(xiàn)有均衡方案的基本拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，列舉了兩種實際應(yīng)用方案，提出了各種方案的優(yōu)劣與發(fā)展趨勢，旨在對提高規(guī)模儲能的經(jīng)濟性研究提供有益的啟發(fā)。 　　0引言 　　規(guī)模儲能電站一般設(shè)計容量較大，需要多個電池單體串并聯(lián)以達到設(shè)計要求。以磷酸鐵鋰電池為例，單節(jié)工作電壓范圍通常約為2．8～4V，若每個電池單體為200Ah，額定電壓3．2V，需要達到2．4MWh的容量，可以將252節(jié)電池單體串聯(lián)成電池組，再并聯(lián)15個電池組，則：3．2V×252節(jié)x200AhX15組=2．42MWh；直流側(cè)電壓806．4V。 　　在電芯批量生產(chǎn)過程中，由于原料及生產(chǎn)工藝的波動，電芯的容量、內(nèi)阻、電壓及自放電率均會有一定的偏差，同時在電芯使用過程中隨著充放電循環(huán)次數(shù)增加及存儲時間、溫度等影響，電芯容量衰減也會出現(xiàn)不一致，導(dǎo)致在同一電池組內(nèi)的電芯出現(xiàn)不一致。在規(guī)模儲能中，電池組的不均衡性是影響電池組性能，降低電池組壽命的主要原因之一。 　　1規(guī)模儲能常用概念 　　電池容量是指在一定條件下(放電倍率、溫度、放電截止電壓等)電池放出的電量，用字母c表示，單位為安時(Ah)。按照QB／T2502-2000《鋰離子蓄電池總規(guī)范》，電池的額定容量為在環(huán)境溫度為(20±5)℃時，以0．2C倍率放電至終止電壓時的容量。 　　電池內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，歐姆內(nèi)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，歐姆電阻不隨激勵信號頻率變化，在同一充放電周期內(nèi)，歐姆電阻除溫升影響外幾乎不變。極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻。內(nèi)阻是電池最為重要的特性參數(shù)之一，它是表征電池壽命以及電池運行狀態(tài)的重要參數(shù)，是衡量電子和離子在電極內(nèi)傳輸難易程度的主要標(biāo)志。 　　電池的工作電壓是指電池接通負載后，測得的正極與負極之間的電壓。在放電時，電池的工作電壓低于開路電壓，這是由于兩極極化和內(nèi)阻存在的原因。在充電時，工作電壓高于開路電壓，而且隨著充電的進行而上升，直到充滿。 　　荷電狀態(tài)SOC(stateofcharge)：電池剩余容量與額定容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。 　　電池組的不一致性是指同一規(guī)格、同一型號的電池串或并聯(lián)成組后，其電壓、內(nèi)阻、電荷量等參數(shù)存在一定的差別。根據(jù)不一致性對電池組性能的影響方式和對使用中不一致性擴大的原因，可以把電池的不一致性分為容量不一致、電阻不一致和電壓不一致。 　　2影響電池一致性的因素及緩解措施 　　2．1影響電池一致性的因素 　　磷酸鐵鋰電池在成組應(yīng)用時出現(xiàn)不一致性問題的產(chǎn)生原因是多方面的，主要源自于生產(chǎn)中工藝和材料的不一致，其次源于運行中環(huán)境的不一致。 　　一是生產(chǎn)時導(dǎo)致的不一致性，主要是指電池在生產(chǎn)過程中由于工藝上的問題以及材質(zhì)的不均勻，造成電池之間在初始容量、直流內(nèi)阻、自放電現(xiàn)象和充放電效率等性能方面存在差異。如鋰電池電極極板的質(zhì)量、厚度、面積、涂片厚度不完全相同；極組的焊接質(zhì)量直接影響鋰離子電池的歐姆電阻一致性；電池內(nèi)雜質(zhì)的多少決定著電池的自放電率的大??；電解液的質(zhì)量、密度和注入量對電池容量影響很大等。 　　2．2運行中電池組不一致性擴大原因分析 　　在使用過程中，電池初始性能參數(shù)的差異在使用過程中形成累積并放大，主要表現(xiàn)在容量和內(nèi)阻上。 　　(1)容量衰減速度不同，導(dǎo)致可用容量不同。 　　由于電池組中各單體電池吸收電流的能力不同，在充放電循環(huán)中，各單體電池的庫侖效率不完全相同，導(dǎo)致電池的可用容量逐漸形成差異。當(dāng)各單節(jié)電池間容量存在著一定差異時，容量小的電池最先被充滿，而此時電池組充電過程并未結(jié)束，小容量電池由于過充，容量會繼續(xù)減小。放電過程中，小容量的電池又會最先被放完電，由于電池組這時仍然在繼續(xù)放電，小容量電池會過放，使得其容量進一步減小。這種不一致性經(jīng)過多個充放電周期后會變得更加嚴(yán)重，甚至?xí)﹄姵氐难h(huán)壽命造成嚴(yán)重影響。 　　(2)電池內(nèi)阻的不一致造成工作溫度不同、放電深度不同。 　　對于串聯(lián)的電池組串，放電過程電流大小相等，內(nèi)阻大的電池，能量損失大，產(chǎn)生熱量多，溫度升高快，使化學(xué)反應(yīng)速率加快，溫度持續(xù)升高會造成電池變形或爆炸的嚴(yán)重后果。在充電過程中，內(nèi)阻較大的電池單體分配到的充電電壓較高，相比其他電池，會提前到達預(yù)設(shè)的充電截止電壓，此時為防止該單體過充，能量管理系統(tǒng)會停止整組充電，多次循環(huán)后，不一致性擴大。 　　對于并聯(lián)的電池組串，在放電過程中，放電電流大小與內(nèi)阻成反比，因此放電電流不同，電池放出能量不同，使相同工作條件下的電池放電深度不同。 　　2．3相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求 　　目前針對規(guī)模儲能電池一致性測試方法及規(guī)范還沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，只在QC／T43-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》中明確了不一致性測試及分析方法，即根據(jù)簡單模擬工況下的試驗數(shù)據(jù)分析蓄電池模塊一致性。 　　該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每一批產(chǎn)品出廠前應(yīng)在該批產(chǎn)品中隨機抽樣進行出廠檢驗，對出廠檢驗的20℃放電性能檢驗項目，所有蓄電池樣品的3h倍率放電容量差應(yīng)不大于±5％。用于風(fēng)光儲儲能示范電站的比亞迪電池出廠前將容量不一致性控帶0在±2％以內(nèi)。 　　2．4緩解電池不一致的措施 　　電池廠商在保證電池組的一致性時主要采取以下幾方面措施： 　　(1)電池出廠前一方面提高工藝一致性水平，另一方面是對即將成組的電池單體以電壓、內(nèi)阻為標(biāo)準(zhǔn)進行篩選，加強匹配度。 　　(2)在使用中加強維護，定時測量電池單體電壓，對電壓異常的單體及時進行調(diào)整更換，對電壓測量中電壓偏低的電池，進行單獨充電，使其性能恢復(fù)。 　　(3)避免電池過充電、深度放電，磷酸鐵鋰電池在SOC小于10％或大于90％時，電壓變化率較大，容易失控。 　　(4)對電池組加裝能量均衡系統(tǒng)，對電池組充放電進行智能管理。 　　綜上，影響鋰電池不一致性的客觀因素很多，不論在生產(chǎn)中還是使用中都是難以避免的。不一致性對整組壽命的影響是影響規(guī)模儲能經(jīng)濟性的重要因素。本文針對措施(4)均衡系統(tǒng)進行研究。 　　3均衡電路拓撲結(jié)構(gòu) 　　電池組均衡電路，是指給電池組另外配一套電路和控制管理系統(tǒng)，保證電池組內(nèi)各單體電池荷電狀態(tài)相同，防止電池組在使用過程中的過充及過放，使電池組性能不受損害。 　　目前常用的磷酸鐵鋰電池均衡電路分兩種：能量耗散型電路和非能量耗散型電路。能量耗散型電路較為簡單，非能量耗散型電路分為兩種：一種是由儲能元件(電感或電容)和控制開關(guān)組成，另一種主要是應(yīng)用DC—DC變換技術(shù)，控制電感、電容這些儲能元件實現(xiàn)能量過渡，達到對電池單體補電或放電的目的。 　　3．1能量耗散型 　　能量耗散型的均衡電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，電池B1、B2……Bn分別并聯(lián)分流電阻R1、R2……Rn，當(dāng)電池B1的電壓過高時，控制電路將旁路控制開關(guān)S1合上，對應(yīng)的分流電阻R1發(fā)熱，阻止B1電壓高于其他單體電壓。通過控制電路反復(fù)檢測，多輪循環(huán)后，達到整組一致。該方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低。缺點是能耗較大，均衡速度慢，效率低，且電阻散熱會影響系統(tǒng)正常運行，因此只適用于容量較小的電池組。 　　3．2開關(guān)電容法非能量耗散型 　　開關(guān)電容法拓撲如圖2所示，電容c通過各級開關(guān)的通斷，存儲電壓較高的電池單體能量，再釋放給電壓較低的電池單體。 　　該拓撲中的儲能元件可以是電容或電感，原理相似。這種均衡方法的結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，能量損耗比較小，但當(dāng)相鄰電池的電壓差較小時，均衡時間會較長，均衡的速度慢；均衡效率低，對大電流快速充電的場合不適用。 　　3．3DC．DC變流器法非能量耗散型 　　利用DC—DC變流器均衡的電路拓撲主要分為集中式和分布式兩種。從理論上講沒有損耗，均衡速度快，是現(xiàn)在鋰電池均衡的主流方案。 　　3．3．1集中式變壓器均衡法 　　正激式和反激式兩種結(jié)構(gòu)分別如圖3(a)、(b)所示，每個電池單體并聯(lián)一個變壓器副邊繞組，各副邊繞組匝數(shù)相等，使得電壓越低的單體能夠獲得的能量越多，從而實現(xiàn)整個組的均衡。 　　這種均衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是均衡速度快，效率高，損耗低。缺點是當(dāng)電壓比較高、電池組串聯(lián)電池數(shù)量比較多的時候，變壓器的副邊繞組的精確匹配難度就會較大，變壓器的漏感所造成的電壓差也很難補償，元件多，體積大不易于模塊化，開關(guān)管耐壓高。 　　3．3．2分散式均衡法 　　分散式均衡法的結(jié)構(gòu)是給每個單體配置一個并聯(lián)均衡電路，分為帶變壓器的隔離型電路和非隔離型電路。 　　(1)非隔離型拓撲 　　非隔離型拓撲是基于相鄰單體均衡的雙向均衡，因不帶變壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，比較適用于串聯(lián)電池組數(shù)目較小的場合。Buck—Boost電路和丘克電路是兩種比較常見的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其控制策略是在相鄰單元間壓差達到允許范圍內(nèi)時均衡電路即可停止工作。 　　(2)隔離型拓撲 　　如圖5所示為基本隔離型拓撲，每一個均衡電路都是一個帶隔離變壓器的buck—boost電路。優(yōu)點是均衡效率高、開關(guān)器件上所承受的電壓高低與串聯(lián)級數(shù)多少無關(guān)，這種均衡結(jié)構(gòu)比較適應(yīng)于串聯(lián)電池組數(shù)量較大的場合；其主要缺點是電路中有較多磁性元件，體積大，容易互感，變壓器存在漏感，且難于將線圈保持完全一致。 　　4均衡控制策略 　　均衡控制策略在均衡目標(biāo)上一般分三種：外電壓、最大可用容量、實時SOC。 　　以外電壓為均衡目標(biāo)的控制策略是在充放電過程中實時測量電池單體外電壓，對組內(nèi)電壓高的電池進行放電，電壓低的電池進行充電，由此調(diào)整電池組電壓趨于一致。這是目前應(yīng)用最廣泛的均衡法，其控制方式容易實現(xiàn)，對算法要求不高，缺點是用單一電壓均衡，均衡的精度和效率難以保證，尤其是對于并聯(lián)電池單體，無法應(yīng)用該策略均衡。 　　以容量和實時SOC為均衡目標(biāo)的均衡策略是指在充放電過程中控制各電池的剩余容量或SOC相等。由于容量和SOC都是不能直接測量得到的電池參數(shù)，是需要通過可以測量的一次量(電壓、電流、溫度等)計算得到的二次量，計算的準(zhǔn)確度受計算方法、電池模型的制約，電池老化，自放電，溫度也是影響因素，很難確切掌握每節(jié)單體電池的具體容量和SOC。因此，目前這種控制策略應(yīng)用較少。 　　5兩個均衡方案介紹及均衡技術(shù)發(fā)展趨勢分析 　　實際規(guī)模儲能系統(tǒng)往往綜合應(yīng)用上述多種技術(shù)，本文列舉兩種方案，方案一是用于風(fēng)光儲儲能電站的均衡方案之一，方案二是韓國KAIST大學(xué)研制的新型均衡電路。 　　5．1電阻型放電DC-DC補電電路 　　電池能量管理單元BMU(Battery Manage—mentUnit)實時檢測單體電壓，根據(jù)均衡策略和電池組充放電狀態(tài)，當(dāng)判定某一電池單體SOC偏低需要補電時，DC—DC輸出使能，當(dāng)補電到目標(biāo)值以后，補電均衡自動停止。 　　當(dāng)判斷某電池單體電壓偏高需要放電時，打開對應(yīng)的放電回路，圖6中所示放電電阻(R1～R12)對該單體放電。當(dāng)放電到目標(biāo)值以后(或放電溫度過高)時，放電均衡會自動停止。電池模塊內(nèi)部均衡原理框圖如圖6所示。 　　5．2基于buck-boost的新型均衡電路 　　圖7為韓國KAIST大學(xué)研制的均衡電路，每個電池兩端都分別裝有二極管和開關(guān)管，構(gòu)成均衡電流的單向通路，電池的一端與儲能電感一側(cè)的A點相連，另一段與電感另一側(cè)的B點相連，為了減少開關(guān)器件，處于最兩端的均衡支路只有一個開關(guān)管和一個二極管。 　　均衡策略是通過檢測電池單體工作電壓，將電壓高的電池電量轉(zhuǎn)移到電壓低的電池中，例如，若B1電壓最高，B2電壓最低，開關(guān)S1d和S1d2c開通，電感儲能，B1電壓達到預(yù)設(shè)的均衡電壓后，S1d關(guān)閉，S2c3d開通，電感釋放能量給B2。 　　該電路的優(yōu)點是每一個開關(guān)可以同時是一個電池的放電回路和另一個電池的充電回路。如開關(guān)S1d2e不僅是電池B1的放電回路開關(guān)，也是電池B2的充電回路開關(guān)。原理類似buck-boost電路，但只使用一個儲能電感，因此體積小，成本低。 　　5．3均衡技術(shù)發(fā)展趨勢分析 　　分析上述兩個方案，可以得出以下結(jié)論： 　　(1)方案一是以電池工作電壓為均衡目標(biāo)，利用集中式DC．DC變流器拓撲作為使用頻率較高的補電電路，利用電阻耗散型均衡電路作為放電電路，這樣補電電路中電流只需單向流動，減少了開關(guān)器件的數(shù)量和成本，控制策略中以補電為主，放電為輔，兼能滿足均衡效率和成本的雙重要求。 　　(2)方案二是開關(guān)電容法和分散式DC．DC變流器法的結(jié)合應(yīng)用，避免了開關(guān)電容法開關(guān)器件多、均衡效率低的缺點的同時，減少了分散式DC．DC變流器法中的磁性元件的使用，減小了體積。 　　(3)分布式DC—DC變換器均衡電路基本可以做到無損，每個均衡電路結(jié)構(gòu)相同且相互獨立工作，調(diào)制靈活度高，易于模塊化，在電池組中增加電池個數(shù)時，均衡模塊具有易于擴展的優(yōu)點。其中buck-boost變換均衡比單向均衡具有更大的靈活性，適用于各種工況，例如電動汽車，因此應(yīng)用前景更為廣闊。 　　(4)開關(guān)電容法是目前常用的拓撲結(jié)構(gòu)，能量通過電容組進行快速傳遞，實現(xiàn)動、靜態(tài)的精確均衡，而不需要任何額外匹配裝置或高精度誤差要求，不需要閉環(huán)控制策略，均衡充電過程自行結(jié)束。但是開關(guān)器件多，且當(dāng)相鄰蓄電池間電壓差較小時，其達到均衡需要很長時間。 　　6結(jié)語 　　規(guī)模儲能技術(shù)可以配合新能源發(fā)電實現(xiàn)平滑輸出、削峰填谷等功能，有很好的應(yīng)用前景，而可靠、經(jīng)濟的均衡技術(shù)是實現(xiàn)規(guī)模儲能應(yīng)用的重要技術(shù)保證。由于規(guī)模儲能電站使用年限較長，電池單體數(shù)量龐大，一般沒有復(fù)雜工況，對均衡速度要求不高，因此對均衡電路的主要要求是開關(guān)元件較少、結(jié)構(gòu)簡單、損耗低、成本低、可靠性高。 　　目前規(guī)模儲能均衡技術(shù)的主流是根據(jù)實際系統(tǒng)設(shè)計需要，將基本拓撲變換或?qū)追N基本拓撲綜合應(yīng)用，以電池工作電壓一致作為均衡目標(biāo)，通過平均值計算，達到均衡目的。未來規(guī)模儲能均衡技術(shù)將向著開關(guān)元件較少，結(jié)構(gòu)簡單，高效可靠、易模塊化、實用性強，控制策略精細的方向發(fā)展。(李娜，白愷，陳豪，劉平　華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045；?；ⅰW(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲示范電站有限公司，河北張家口075000)