解析磷酸鐵鋰電池均衡技術(shù)

解析磷酸鐵鋰電池均衡技術(shù)為了達(dá)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(dá)到設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，列舉了兩種實(shí)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(jì)性研究提供有益的啟發(fā)。規(guī)模儲能電站一般設(shè)計(jì)容量較大，需要多個電池單體串并聯(lián)以達(dá)到設(shè)計(jì)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(dá)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，貝I」：3.2VX252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)°C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(yùn)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(fù)載后，測得的正極與負(fù)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(jìn)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(kuò)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(yùn)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(yùn)行中電池組不一致性擴(kuò)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。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(jìn)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。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(dá)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(kuò)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(yàn)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(jī)抽樣進(jìn)行出廠檢驗(yàn)，對出廠檢驗(yàn)的20°C放電性能檢驗(yàn)項(xiàng)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(jìn)行篩選，加強(qiáng)匹配度。⑵在使用中加強(qiáng)維護(hù)，定時測量電池單體電壓，對電壓異常的單體及時進(jìn)行調(diào)整更換，對電壓測量中電壓偏低的電池，進(jìn)行單獨(dú)充電，使其性能恢復(fù)。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。對電池組加裝能量均衡系統(tǒng)，對電池組充放電進(jìn)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(jì)性的重要因素。本文針對措施(4)均衡系統(tǒng)進(jìn)行研究。3均衡電路拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)能量過渡，達(dá)到對電池單體補(bǔ)電或放電的目的。31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(dá)到整組一致。該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低。缺點(diǎn)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(yùn)行，因此只適用于容量較小的電池組。氏 比 Bn此 巴 艮———Li賽甸磁］—JI—*i一—一亠』圖1能量耗數(shù)型均衡電路3.2開關(guān)電容法非能量耗散型開關(guān)電容法拓?fù)淙鐖D2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。圖2開關(guān)電容法拓?fù)洌菰撏負(fù)渲械膬δ茉梢允请娙莼螂姼?，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?fù)渲饕譃榧惺胶头植际絻煞N。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(shí)現(xiàn)整個組的均衡。圖3集中式變壓器均衡法茹撲結(jié)掏這種均衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是均衡速度快，效率高，損耗低。缺點(diǎn)是當(dāng)電壓比較高、電池組串聯(lián)電池?cái)?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(bǔ)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?fù)浞歉綦x型拓?fù)涫腔谙噜弳误w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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。其控制策略是在相鄰單元間壓差達(dá)到允許范圍內(nèi)時均衡電路即可停止工作。BS.BS.圖4韭隔離型均衡電路拓?fù)?2)隔離型拓?fù)淙鐖D5所示為基本隔離型拓?fù)?，每一個均衡電路都是一個帶隔離變壓器的buck一boost電路。優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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。

以外電壓為均衡目標(biāo)的控制策略是在充放電過程中實(shí)時測量電池單體外電壓，對組內(nèi)電壓高的電池進(jìn)行放電，電壓低的電池進(jìn)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(shí)現(xiàn)，對算法要求不高，缺點(diǎn)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(shí)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(jì)算得到的二次量，計(jì)算的準(zhǔn)確度受計(jì)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(shí)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(bǔ)電電路電池能量管理單元BMU(BatteryManage—mentUnit)實(shí)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(bǔ)電時，DC—DC輸出使能，當(dāng)補(bǔ)電到目標(biāo)值以后，補(bǔ)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。R口L_R口L_. r 1I 2J\i■t 3LJDODC1 --圖6儲能電站均衡方案之一5.2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(diǎn)相連，另一段與電感另一側(cè)的B點(diǎn)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。

Unidirecdo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)Sid和Sld2c開通，電感儲能，B1電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的均衡電壓后，Sid關(guān)閉，S2c3d開通，電感釋放能量給B2。該電路的優(yōu)點(diǎn)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：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?fù)渥鳛槭褂妙l率較高的補(bǔ)電電路，利用電阻耗散型均衡電路作為放電電路，這樣補(bǔ)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(bǔ)電為主，放電為輔，兼能滿足均衡效率和成本的雙重要求。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(diǎn)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。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(dú)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(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。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