解析磷酸鐵鋰電池均衡技術

解析磷酸鐵鋰電池均衡技術為了達到規(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)達到設計要求，而生產、使用過程的差異性導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)模儲能技術基本概念出發(fā)，介紹了現(xiàn)有均衡方案的基本拓撲結構和控制策略，列舉了兩種實際應用方案，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)。規(guī)模儲能電站一般設計容量較大，需要多個電池單體串并聯(lián)以達到設計要求。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，貝I」：3.2VX252節(jié)x200AhX15組=2.42MWh；直流側電壓806.4V。在電芯批量生產過程中，由于原料及生產工藝的波動，電芯的容量、內阻、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，導致在同一電池組內的電芯出現(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。電池內阻分為歐姆內阻和極化內阻，歐姆內阻由電極材料、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，歐姆電阻除溫升影響外幾乎不變。極化內阻是指電化學反應時由極化引起的電阻，包括電化學極化和濃差極化引起的電阻。內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傳輸難易程度的主要標志。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，常用百分數(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用時出現(xiàn)不一致性問題的產生原因是多方面的，主要源自于生產中工藝和材料的不一致，其次源于運行中環(huán)境的不一致。一是生產時導致的不一致性，主要是指電池在生產過程中由于工藝上的問題以及材質的不均勻，造成電池之間在初始容量、直流內阻、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量、厚度、面積、涂片厚度不完全相同；極組的焊接質量直接影響鋰離子電池的歐姆電阻一致性；電池內雜質的多少決定著電池的自放電率的大小；電解液的質量、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)在容量和內阻上。容量衰減速度不同，導致可用容量不同。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，導致電池的可用容量逐漸形成差異。當各單節(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重，甚至會對電池的循環(huán)壽命造成嚴重影響。電池內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，內阻大的電池，能量損失大，產生熱量多，溫度升高快，使化學反應速率加快，溫度持續(xù)升高會造成電池變形或爆炸的嚴重后果。在充電過程中，內阻較大的電池單體分配到的充電電壓較高，相比其他電池，會提前到達預設的充電截止電壓，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相關標準要求目前針對規(guī)模儲能電池一致性測試方法及規(guī)范還沒有相應標準，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。該標準規(guī)定每一批產品出廠前應在該批產品中隨機抽樣進行出廠檢驗，對出廠檢驗的20°C放電性能檢驗項目，所有蓄電池樣品的3h倍率放電容量差應不大于±5%。用于風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。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、內阻為標準進行篩選，加強匹配度。⑵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。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均衡電路拓撲結構電池組均衡電路，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)和控制開關組成，另一種主要是應用DC—DC變換技術，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。31能量耗散型能量耗散型的均衡電路基本結構如圖1所示，電池B1、B2……Bn分別并聯(lián)分流電阻R1、R2……Rn,當電池B1的電壓過高時，控制電路將旁路控制開關S1合上，對應的分流電阻R1發(fā)熱，阻止B1電壓高于其他單體電壓。通過控制電路反復檢測，多輪循環(huán)后，達到整組一致。該方法的優(yōu)點是結構簡單，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。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開關電容法非能量耗散型開關電容法拓撲如圖2所示，電容c通過各級開關的通斷，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開關電容法拓撲］該拓撲中的儲能元件可以是電容或電感，原理相似。這種均衡方法的結構簡單，容易控制，能量損耗比較小，但當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構分別如圖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。圖3集中式變壓器均衡法茹撲結掏這種均衡結構的優(yōu)點是均衡速度快，效率高，損耗低。缺點是當電壓比較高、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,開關管耐壓高。3?3?2分散式均衡法分散式均衡法的結構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，因不帶變壓器結構比較簡單，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構，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時均衡電路即可停止工作。BS.BS.圖4韭隔離型均衡電路拓撲(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一boost電路。優(yōu)點是均衡效率高、開關器件上所承受的電壓高低與串聯(lián)級數(shù)多少無關，這種均衡結構比較適應于串聯(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。

以外電壓為均衡目標的控制策略是在充放電過程中實時測量電池單體外電壓，對組內電壓高的電池進行放電，電壓低的電池進行充電，由此調整電池組電壓趨于一致。這是目前應用最廣泛的均衡法，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，無法應用該策略均衡。以容量和實時SOC為均衡目標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用較少。5兩個均衡方案介紹及均衡技術發(fā)展趨勢分析實際規(guī)模儲能系統(tǒng)往往綜合應用上述多種技術，本文列舉兩種方案，方案一是用于風光儲儲能電站的均衡方案之一，方案二是韓國KAIST大學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(BatteryManage—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)，當判

定某一電池單體SOC偏低需要補電時，DC—DC輸出使能，當補電到目標值以后，補電均衡自動停止。當判斷某電池單體電壓偏高需要放電時，打開對應的放電回路，圖6中所示放電電阻（R1?R12）對該單體放電。當放電到目標值以后（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大學研制的均衡電路，每個電池兩端都分別裝有二極管和開關管，構成均衡電流的單向通路，電池的一端與儲能電感一側的A點相連，另一段與電感另一側的B點相連，為了減少開關器件，處于最兩端的均衡支路只有一個開關管和一個二極管。

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移到電壓低的電池中，例如，若B1電壓最高，B2電壓最低，開關Sid和Sld2c開通，電感儲能，B1電壓達到預設的均衡電壓后，Sid關閉，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S1d2e不僅是電池B1的放電回路開關，也是電池B2的充電回路開關。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均衡技術發(fā)展趨勢分析分析上述兩個方案，可以得出以下結論：方案一是以電池工作電壓為均衡目標，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。方案二是開關電容法和分散式DC.DC變流器法的結合應用，避免了開關電容法開關器件多、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。分布式DC—DC變換器均衡電路基本可以做到無損，每個均衡電路結構相同且相互獨立工作，調制靈活度高，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，因此應用前景更為廣闊