1、：用于儲能系統(tǒng)的梯次利用鋰電池組均衡策略設(shè)計馬澤宇，姜久春，文鋒，鄭林鋒，郭宏榆，時瑋（北京交通大學國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京市；北京市億能通電子有限公司，北京市）摘要：以北京奧運會純電動大巴車用淘汰錳酸鋰電池為研究對象，在研究車用淘汰電池容量和內(nèi)阻特性的基礎(chǔ)上，分析其梯次利用于電池儲能系統(tǒng)可能帶來的更嚴重的電池組一致性問題。結(jié)合電池一致性評價方法，分析了基于電池組容量利用率的均衡判據(jù)。針對電池儲能系統(tǒng)削峰填谷的應(yīng)用特點，提出了以電池組容量利用最大化為目標的在線均衡策略。最后，設(shè)計了電池組充電均衡電路并搭建了電池組均衡測試平臺進行實驗，驗證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。關(guān)

2、鍵詞：電池儲能；梯次利用；錳酸鋰；一致性評價；在線均衡策略收稿日期：；修回日期：。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（計劃）資助項目（）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（）。引言傳統(tǒng)能源的日益匱乏和環(huán)境的日趨惡化，極大促進了新能源的發(fā)展，其發(fā)電規(guī)模也快速攀升。以風能、太陽能等自然資源為基礎(chǔ)的可再生能源發(fā)電具有波動性、間歇性和不可準確預測性，其大規(guī)模并網(wǎng)運行會給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來顯著影響。儲能技術(shù)被認為可在很大程度上解決新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來的問題，同時其將貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電和用電各個環(huán)節(jié)，可以有效緩解高峰負荷供電需求，提高現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備的利用率和電網(wǎng)的運行效率；可以有效應(yīng)對電網(wǎng)故障的發(fā)生

3、，并且提高電能質(zhì)量和用電效率，使間歇性和低密度的可再生清潔能源得以更有效的利用。對比各種儲能技術(shù)，電池儲能系統(tǒng)安裝靈活、建設(shè)周期短，是現(xiàn)階段較適合于工程應(yīng)用的技術(shù)。在多種電池儲能技術(shù)中，鋰電池儲能由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長、效率高等優(yōu)勢，國內(nèi)外已有較成功的應(yīng)用。初始投資高是制約鋰離子電池儲能在電網(wǎng)中規(guī)?；瘧?yīng)用的重要因素之一，而鋰離子電池的價格占據(jù)了電池儲能系統(tǒng)成本的很大部分。隨著國內(nèi)電動汽車的推廣和應(yīng)用，未來幾年將有大批車用動力鋰離子電池達到使用壽命而被淘汰。車用淘汰鋰離子電池通過梯次利用于儲能系統(tǒng)，一方面能延長電池使用的全周期壽命，另一方面也有助于降低電池儲能系統(tǒng)的初始成本，對于推動電池

4、儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用具有重要的意義。兆瓦級儲能電站中，電池單體數(shù)量高達幾萬節(jié)，需要通過串并聯(lián)成組來滿足儲能系統(tǒng)的電壓等級和容量需求，而電池不一致性的存在，將不可避免導致充放電不均衡現(xiàn)象，長期運行將大大降低電池儲能系統(tǒng)的可靠性和安全性。目前，針對這一問題的研究主要集中在儲能系統(tǒng)的功率變換系統(tǒng)（）拓撲及其充放電均衡控制策略等方面，并未對大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部電池組的均衡控制策略進行深入研究。本文以北京奧運會純電動大巴車用淘汰錳酸鋰電池為研究對象，在研究梯次利用電池容量和內(nèi)阻特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合電池不一致性的評價方法，分析基于電池組容量利用率的均衡判據(jù)。針對電池儲能系統(tǒng)削峰填谷的應(yīng)

5、用特點，提出以電池組容量利用最大化為目標的主動均衡控制策略，最后，設(shè)計了電池組充電均衡電路并搭建電池組均衡測試平臺進行實驗，驗證了本文提出的均衡策略的效果。梯次利用電池容量內(nèi)阻特性本文以北京奧運會純電動大巴車用淘汰錳酸鋰電池為測試和研究對象，選取一整車箱共節(jié)電池模塊進行電池測試，電池容量和內(nèi)阻測試采用美國公司及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在恒溫箱中進行。電池模塊為節(jié)額定容量為的錳酸鋰電池單體并聯(lián)而成，其額定容量為，且電池容量都已衰退至額定容量以下，每箱電池組由個或個模塊串聯(lián)而成（具體電池測試試驗描述見附錄）。由于電池具有初始不一致性，且電動汽車應(yīng)用環(huán)節(jié)電池的串并聯(lián)方式、位置差異、溫第卷第期年月 日，度差異、

6、震動強度以及衰退軌跡等因素各不相同，導致電池參數(shù)的衰退速率差異較大，最終加速放大了電池組的不一致性（梯次利用電池模塊容量和直流內(nèi)阻分布特性見附錄）。北京奧運會純電動大巴所用錳酸鋰新電池模塊容量為，容量極差不大于，直流內(nèi)阻為，直流內(nèi)阻極差不大于。大巴正常運行年后，電池模塊容量分布特性見附錄圖，電池模塊容量均值約為，容量衰退約，容量極差為；電池模塊直流內(nèi)阻分布特性見附錄圖，直流內(nèi)阻均值為，直流內(nèi)阻增加約，直流內(nèi)阻極差為。相對于新電池，梯次利用電池容量和直流內(nèi)阻一致性明顯下降。將電池模塊的容量和直流內(nèi)阻進行橫向比較發(fā)現(xiàn)，容量衰退率和直流內(nèi)阻增加率并無必然相關(guān)性。電池模塊容量衰退率與直流內(nèi)阻增加率的散

7、點圖如圖所示 。圖電池容量衰退率與直流內(nèi)阻增加率散點圖在車用淘汰電池梯次利用于儲能系統(tǒng)時，需要將電池重新篩選成組。在以電池組的容量和能量利用率為主要性能考核指標時，對電池容量的一致性要求較高，將優(yōu)先選擇容量一致性好的電池成組。由圖結(jié)果可知，電池容量衰退率相同的電池，其直流內(nèi)阻增加率差異較大，選取衰退后容量一致的電池進行成組將不可避免地帶來電池內(nèi)阻較大的初始差異，再加上電池極化和自放電率的不一致性，隨著電池的繼續(xù)使用，電池組的不一致性問題將日漸凸顯，電池組容量和能量利用率也將逐漸下降。對于梯次利用鋰電池儲能系統(tǒng)，高效在線均衡系統(tǒng)的需求更加迫切，然而僅僅對進行均衡充放電控制是遠遠不夠的，要想從本質(zhì)

8、上解決電池儲能系統(tǒng)的一致性問題，電池組內(nèi)的均衡顯得更為重要。電池組一致性評價工程應(yīng)用較廣的是基于外電壓的一致性評價方法，但該方法并沒有深入分析其內(nèi)在原因，隨著電池組工況的變化，會得到不科學的結(jié)論，以此來指導均衡并不能有效解決電池組不一致性問題。電池組一致性問題對電池組性能影響的最直觀表現(xiàn)是電池組的可用容量降低，如果不進行有效均衡維護，長此以往勢必會帶來電池組輸出功率下降和壽命縮短等問題。因此，以電池組最大可用容量作為電池組一致性判斷依據(jù)，就能實現(xiàn)電池組一致性問題與電池的運行工況和環(huán)境之間的解耦，從而有效避免以電池外電壓差異來判斷電池組一致性好壞而得到不準確結(jié)論的問題。現(xiàn)假設(shè)有只最大可用容量分別

9、為，且當前的荷電狀態(tài)（）分別為，的電池串聯(lián)成組，電池組的相關(guān)參數(shù)如下。）電池組最大放電容量：，（）式中：，。）電池組最大充電容量：，（，）（）式中：，。）電池組最大可用容量：（）當時，電池組最大可用容量等于電池組中最大可用容量最小的單體電池的最大可用容量，在這種情況下，如圖（）所示，雖然電池組各單體電池之間容量存在差異，但是電池組的容量利用率達到最大化，均衡并不能增加電池組的最大可用容量，所以電池組并不需要均衡 。圖電池組均衡判斷原理圖（），（），（）顯示出電池組需要均衡的種可能情況，這種情況的共同點都是，電池·綠色電力自動化·馬澤宇，等用于儲能系統(tǒng)的梯次利用鋰電池組均衡策

10、略設(shè)計組最大可用容量比組內(nèi)可用容量最小的電池的最大可用容量還要小。此時，通過均衡能有效增加電池組的最大可用容量。電池組均衡策略目前，實際應(yīng)用的在線均衡策略往往采取從簡的處理方式，僅以外電壓作為控制對象。單純以外電壓來判斷均衡與否會出現(xiàn)不穩(wěn)定結(jié)果，同時，均衡前后電池組容量利用率并沒有明顯增加。由上節(jié)分析可知，以電池組容量利用率最大化為均衡目標的關(guān)鍵在于準確識別電池組內(nèi)各單體電池的和最大可用容量。目前，實際工程應(yīng)用的在線估算方法主要是采用安時計量法與開路電壓（）法相結(jié)合，電池的需要電池靜置后獲得，靜置的時間越長得到的越準確。而電池儲能系統(tǒng)運行的間歇性為準確獲取電池的提供了條件。對于錳酸鋰電池并不需

11、要很長時間的靜置就能得到較為準確的，錳酸鋰電池充電至不同后靜置不同時間的電壓變化曲線如圖（）所示 。圖電池充電至不同后靜置不同時間的電壓變化曲線及其相對于的電壓差曲線把電池充電至不同且靜置后的電壓曲線當作曲線，電池充電至不同后靜置不同時間所測電壓與電池的電壓差曲線如圖（）所示。從圖中看出，在電池中間段電壓差異變化平緩，直到電池的高端（），不同靜置時間的電壓差異才有增長的趨勢。由錳酸鋰電池的曲線可知，在中間段（）每毫伏電壓對應(yīng)的變化率小于，在高端（）每毫伏電壓對應(yīng)的變化率小于。當用靜置的電壓作為估算時，在中間段帶來的誤差小于，在高端的誤差小于。但是，考慮到目前電池管理系統(tǒng)（）的電壓檢測精度為，所

12、以至少選取靜置的電壓去估算電池才能保證誤差小于。從電池的定義可知，電池的最大可用容量可以通過下式計算：，（）式（）中，可以在線累積計算（電池電流對時間的積分），只要能準確得到電池充放電過程中起始和結(jié)束時的荷電狀態(tài)，和，就能實現(xiàn)電池最大可用容量的在線估算。同時，為達到更好的估算精度，一方面，需要起始和結(jié)束的荷電狀態(tài)變化盡可能大；另一方面，識別時刻應(yīng)經(jīng)常性出現(xiàn)，且每次識別時刻應(yīng)一致。電池儲能系統(tǒng)主要功能之一是實現(xiàn)配電網(wǎng)側(cè)的削峰填谷，以張家口國家風光儲輸示范工程為例，儲能電站有功功率和無功功率一天的變化如圖所示。根據(jù)電網(wǎng)晝夜負荷峰谷差異大的特點，儲能電站于凌晨：電網(wǎng)負荷低時滿功率（）充電，于晚間用電

13、高峰時根據(jù)實際用電需求進行放電。因此，針對電池儲能系統(tǒng)這一應(yīng)用特點，選擇凌晨充電前和充滿電靜置后的個時刻進行電池最大可用容量的估算，均衡執(zhí)行也選擇充電階段 。圖削峰填谷功能示意圖，（ ）電池組均衡是通過對組內(nèi)單體電池額外充電或放電，使電池組達到如圖（）所示情況，從而保證所有單體電池在不過充和不過放情況下電池組的最大可用容量達到最大化。以圖（）為例，當電池組充完電后，通過估算組內(nèi)單體電池和最大可用容量來判斷電池組是否需要均衡。對于圖（）的情況，本文采用充電均衡方式，通過額外給電池補充一部分容量使電池組的狀態(tài)從圖（）變成圖（）。計算電池所需的充電容量并存儲下來，當下一次充電開始時，執(zhí)行均衡策略，電

14、池組充電結(jié)束時再次進行均衡判斷并重新計算各單體電池所需均衡容量用于下一次均衡策略的執(zhí)行，如此重復直到電池組滿足閾值條件時不再需要均衡。電池組均衡實驗驗證電池組在線均衡系統(tǒng)根據(jù)以往車載的開發(fā)經(jīng)驗，本文設(shè)計了一種適用于大容量電池儲能系統(tǒng)的可靠性高且可擴展支持多串聯(lián)的電池組在線均衡系統(tǒng)。本文采用模塊化的設(shè)計思路，系統(tǒng)整體框架采用主從結(jié)構(gòu)，由一個電池管理主控制器和多個均衡從控制器組成（均衡系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)見附錄圖）。電池管理主控制器主要功能是收集各個均衡從控制器采集的數(shù)據(jù)進行均衡與否判斷，并下發(fā)指令控制均衡從控制器執(zhí)行均衡，同時完成與電池儲能系統(tǒng)其他設(shè)備（如）之間的通信。均衡從控制器主要完成電池箱內(nèi)電池信

15、息的采集和均衡所需容量的計算與均衡執(zhí)行功能。均衡電路作為實現(xiàn)均衡的硬件載體，直接關(guān)系到均衡執(zhí)行的效果。目前均衡電路拓撲形式豐富多樣，主要分為耗散式與非耗散式兩大類。耗散式主要是指以電阻放電的方式將電池多余的電量消耗以實現(xiàn)均衡的目的，這種方式實現(xiàn)簡單、成本低，但存在能量浪費、散熱處理和均衡時間長等問題。本文采用非耗散式的充電均衡電路，均衡電路也采用模塊化設(shè)計，每個均衡從控制器可以根據(jù)電池串聯(lián)數(shù)配置均衡電路模塊數(shù)。均衡電路模塊的拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示，以的電源輸入作為各均衡模塊的公共直流母線，通過各個模塊的恒流源和開關(guān)陣列選通的方式給單體電池進行充電均衡。其中，切換開關(guān)為光控金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管

16、（），直接由均衡從控制器的單片機驅(qū)動選通。圖中節(jié)點和為經(jīng)過單體切換開關(guān)（）后的輸出節(jié)點，通過合理的開關(guān)邏輯控制，使得到間的電壓為需要均衡的單體電池的電壓（可能是正電壓或負電壓）。通過極性切換開關(guān)（）陣列的控制，對到間電壓與恒流源輸出側(cè)電壓的正負極性進行匹配，保證恒流源能對單體電池進行均衡充電。為了方便均衡容量的計量，同時防止單體電池過充電，恒流源采取恒流限壓工作模式，均衡電流大小為 。圖均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)電池管理主控制器收集所有從控制器采集的電池單體信息，應(yīng)用第節(jié)提出的均衡策略，對電池組內(nèi)各單體電池的容量和進行估算，應(yīng)用第節(jié)的方法對電池組的一致性進行評價并判斷電池組是否需要均衡，同時計算得到各單

17、體電池所需均衡的容量，最后下發(fā)相應(yīng)控制指令的流程圖見附錄圖（）。在線均衡系統(tǒng)只在電池充電過程對電池進行均衡，如果已經(jīng)經(jīng)過一次充電過程并且對電池組進行了均衡容量計算，則在充電開始后，按照計算結(jié)果對相應(yīng)的電池進行均衡處理。同時，在本次充電過程完成并靜置后，再次對電池組進行均衡判斷和所需均衡容量計算用于下次均衡。電池管理從控制器執(zhí)行均衡的流程圖見附錄圖（），從控制器接收主控制器的命令執(zhí)行均衡過程，從控制器各均衡模塊確定所需均衡容量最大的電池，以設(shè)定的閾值為一個單位完成電池的充電均衡，同時在均衡過程中不斷更新存儲所需均衡容量。電池組均衡效果驗證電池組均衡實驗平臺如圖所示，實驗平臺主·綠色電力

18、自動化·馬澤宇，等用于儲能系統(tǒng)的梯次利用鋰電池組均衡策略設(shè)計要由四部分組成：美國公司電池組測試設(shè)備、北京奧運會純電動大巴車用淘汰錳酸鋰電池組、電池組在線均衡系統(tǒng)以及個人計算機（）監(jiān)控系統(tǒng)。電池組測試設(shè)備主要實現(xiàn)電池組充放電循環(huán)實驗，通過將充放電數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。被測電池組選取北京奧運會純電動大巴車用箱電池中第箱并串電池組，該箱電池組各電池模塊容量和內(nèi)阻參數(shù)見表。電池組在線均衡系統(tǒng)選擇一主一從的方式，均衡板上有個均衡電路模塊，其中個模塊分別管理節(jié)電池，個模塊管理節(jié)電池 。圖電池組均衡實驗平臺表第箱電池組各電池模塊容量內(nèi)阻參數(shù) 第箱電池組電池模塊容量極差為，直流內(nèi)阻極差為，相對于整車電

19、池的容量和內(nèi)阻分布，其一致性較好。理想情況下，該電池組的最大可用容量為電池模塊 的容量。對電池組進行充放電測試，以倍率將電池組恒流充電至單體電池電壓達到后，恒定最高單體電池電壓直至充電電流小于，靜置后，以倍率恒流放電至最低單體電池電壓達到。電池組充電和靜置過程各電池模塊的電壓變化曲線如圖所示。由于充電前，電池組內(nèi)各電池模塊的差異較大，電池模塊的最高，為，電池模塊的最低，為。同時，電池本身容量和內(nèi)阻較大的差異導致充電過程中各模塊電池電壓出現(xiàn)較大的離散性。電池組充電完成并靜置后，電池模塊的電壓最高，為，電池模塊 的電壓最低，為，電壓極差高達。電池組以倍率恒流放電的容量為，比電池模塊容量最小值還要小

20、，電池組的容量利用率只有。圖均衡前電池組充電和靜置過程單體電壓曲線加入在線均衡系統(tǒng)后對電池組進行充放電循環(huán)實驗，第次循環(huán)的電池組恒流、恒壓充電和靜置過程各電池模塊電壓變化曲線如圖所示。圖均衡后電池組充電和靜置過程單體電壓曲線可以看出，電池組均衡效果顯著，各電池模塊電壓一致性明顯改善，電池組充電完成并靜置后，電池模塊的電壓最高為，電池模塊的電壓最低為，電壓極差縮小至。均衡前后電池組充電和靜置過程的電壓和變化曲線如圖所示。均衡后由于電池組一致性明顯改善，電池組充電時間明顯變長，電池組充入更多容量，充電完成后整組電池電壓也高于均衡前。而充電開始的一段時間，均衡后的電池組電壓要低于均衡前，說明均衡后電

21、池組的容量得到更大化的利用，電池組相較于均衡前放出了更多容量。由于電池組的短板效應(yīng)，一，（）· 綠色電力自動化 · 馬澤宇 ， 等 用于儲能系統(tǒng)的梯次利用鋰電池組均衡策略設(shè)計 致性最差的電池將 決 定 電 池 組 的 充 放 電 容 量 ， 由于 均衡后電池組一致性改善 ， 電池組充入更多容量 ， 充 電完成后電池組 也明顯提高 。 電池組以 電池組的容量 倍率恒流放電 ， 容量增加至 ， 利用率提高了 。 ， （ ） ： ， 丁明 ， 蘇建徽 ， 等 可再生能源發(fā)電中的電池 儲 能 系 統(tǒng) 綜 述 陳忠 ， （ ） ： 電力系統(tǒng)自動化 ， ， ， ， ， ： ， ， （

22、） 高明杰 ， 惠東 ， 高宗和 ， 等 國家風光儲輸示范工程 介 紹 及 其 典 型 （ ） ： 運行模式分析 電力系統(tǒng)自動化 ， ， ， ， ， ： ， ， （ ） ， ， ， 圖 均衡前后電池組充電及靜置過程 總電壓和 曲線 ， ， ， ， 張彩萍 ， 姜久春 ， 張維戈 ， 等 梯次利用鋰離子電池 電 化 學 阻 抗 模 （ ） ： 型及特性參數(shù)分析 電力系統(tǒng)自動化 ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ： （ ） ， ， ， ， 大容量鏈式電池儲能系統(tǒng)及其充放電均 金一丁 宋強 劉文華 （ ） ： 衡控制 電力自動化設(shè)備 ， ， ， ， ， ： ， （ ） 王震坡 ， 孫逢春

23、， 林程 不一致性對動力電池組使用壽命影響的 （ ） ： 分析 北京理工大學學報 ， ， ， ， ： ， （ ） ， 魯妍 梯次利用鋰離子動力電池特性及仿真研究 北京 ： 北京 交通大學 ， 文鋒 純電動汽車用鋰離子電池組管理技術(shù)基礎(chǔ)問題研究 北京 ： 北京交通大學 ， 吳友宇 ， 梁紅 電動汽車動力電池均衡方 法 研 究 汽車工程， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 結(jié)語 鋰電池儲能系統(tǒng)由于其諸多優(yōu)勢而在電網(wǎng)領(lǐng)域 得到較多應(yīng)用 ， 同時 ， 電動汽車淘汰鋰離子電池梯次 利用于儲能系統(tǒng)將 大 大 降 低 初 始 投 資 成 本 ， 為電池 儲能系統(tǒng) 的 大 規(guī) 模

24、 應(yīng) 用 創(chuàng) 造 了 條 件 。 但 相 比 新 電 池， 梯次利用電池更 嚴 重 的 一 致 性 問 題 將 大 大 降 低 電池儲能系統(tǒng) 的 壽 命 和 可 靠 性 。 為 解 決 這 一 問 題 ， 僅僅對儲能系統(tǒng) 進行均衡控制是遠遠不夠 的 。 本文對大容量梯次利用鋰電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部電池組 的均衡控制策略進行研究 。 基于容量利用率評價一 致性的方法 ， 分析了 以 電 池 組 容 量 利 用 最 大 化 為 目 標的電池組均衡判據(jù) 。 針對儲能系統(tǒng)削峰填谷的應(yīng) 用特點 ， 提出以電池 組 容 量 利 用 最 大 化 為 目 標 的 主 動均衡控制策略 ， 設(shè)計電池組充電均衡電路并搭建 電池組均衡實驗平 臺 對 均 衡 效 果 進 行 了 驗 證 ， 為進 一步完善電池儲能系統(tǒng)各支路電池組的組內(nèi)和組間 聯(lián)合均衡控制建立了研究基礎(chǔ) 。 附錄見 本 刊 網(wǎng) 絡(luò) 版 （ ： ） 。 參 考 文 獻 國家電網(wǎng)公司 “ 電網(wǎng)