储能电池组充放电电压特性研究

庞凯歌 牛哲荟 董燕飞 刘晓芳 庞彩燕 朱可欣

摘 要：【目的】大容量集装箱式锂离子电池储能系统通常由成百上千只电池单体串并联而成，由于木桶效应，储能系统中任一电池单体出现故障会导致系统容量衰减，严重时还会引发安全事故，及时甄别储能系统中的故障电池尤为重要。【方法】本研究以电力储能用磷酸铁锂电池组为对象，研究全充全放及脉冲充放电过程中电池组动态电压特性，通过分析故障电池在全充全放及脉冲充放电过程中电压变化特征，提出储能电池组故障电池快速识别方法。【结果】储能电池组全充全放过程中，故障电池仅在放电末端电压出现大幅下降，脉冲充放电过程中，故障电池电压随充放电功率的增大快速降低。【结论】通过脉冲充放电方式，能够快速识别并定位储能电池组中的故障电池。

关键词：储能电池组；脉冲充放电；动态电压

中图分类号：TM912              文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）14-0087-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.017

Study on Charging and Discharging Voltage Characteristics of Energy Storage Battery Cluster

PANG Kaige NIU Zhehui DONG Yanfei LIU Xiaofang PANG Caiyan ZHU Kexin

（Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract： [Purposes] The large-capacity container-type lithium-ion battery energy storage system is usually composed of hundreds of battery cells in series and parallel. Due to the cask effect， the failure of any battery cell in the energy storage system will cause the system capacity to decay， and even cause safety accidents in serious cases. It is particularly important to timely identify the failed battery in the energy storage system. [Methods] Taking lithium iron phosphate battery pack for electric energy storage as the object， this study studied the dynamic voltage characteristics of battery pack in the process of full charge and full discharge， as well as pulse charge and discharge. Through analyzing the characteristics of voltage change of the faulty battery， a fast identification method of the faulty battery pack for energy storage was proposed. [Findings] In the process of full charge and full discharge of the energy storage battery pack， the voltage of the faulty battery only decreased significantly at the discharge end. In the process of pulse charge and discharge， the voltage of the faulty battery decreased rapidly with the increase of charge and discharge power. [Conclusions] Through pulse charging and discharging， it can quickly identify and locate the faulty battery in the energy storage battery pack.

Keywords： energy storage battery cluster; pulse charging and discharging; dynamic voltage

0 引言

锂离子电池单体由于材料性能、制造工艺、生产批次等不同，其初始容量、电压、内阻和衰减特性等参数不可避免地会产生差异，在电池成组后这种差异会逐级影响电池组、电池簇、电池堆及储能系统的充放电特性，进而影响储能系统的充放电效率和循环寿命，长期运行甚至会引发安全事故［1-2］。特别是大容量集装箱式储能系统，其電池单体串并联数量较多，工作环境复杂，电池单体的不一致性会逐级放大，导致储能电池组的不一致性问题更加突出，对储能系统的充放电容量、效率、循环寿命和运行安全性的影响也更加严重。

目前，国内外很多学者针对锂离子电池组的不一致性问题开展了大量研究工作，其中均衡技术，包括主动均衡、被动均衡和主被动一体均衡技术在一定程度上能够缓解电池组的不一致性造成的影响。均衡技术虽然在以电池串、电池模组为单位的尺度内效果显著，但是在以电池簇、电池堆及电池储能系统的尺度上却稍显乏力［3-4］。如何在电池成组初期快速有效地检测出储能系统中的短板电池，保证电池组、电池簇、电池堆、储能系统的一致性，以保障大规模电力储能系统的安全性、可靠性、稳定性，是本研究的主要研究方向。

本研究以磷酸铁锂电池组为研究对象，设计了全充全放及脉冲充放电方式，分析研究了储能电池组在不同充放电阶段单体电压的分布特性，以验证脉冲充放电快速有效定位故障电池的可行性，为大容量储能系统用电池组成组初期及运行过程中的不一致性检测提供可借鉴的方式。

1 储能电池成组设计

试验采用的储能电池组，由电池单体串并联成电池模块，再由电池模块串联而成。其中电池模块由24只电池单体（江西产，额定容量155 Ah，额定电压3.2 V）组成，成组方式为2并12串，其额定电压为38.4 V，额定容量为310 Ah；储能电池组由18个电池模块串联而成，包含电池单体数量432只，其额定电压为691.2 V，额定容量为310 Ah，额定功率为107 kW。储能电池成组设计时，某一电池单体存在电压短板问题。

储能电池组各电池模块内部电池单体串并联方式及电压采集点布置如图1所示，每个电池模块设计12组电池单体电压采集点，电池模块前端安装的电池管理系统从控单元完成电压采集；储能电池组共计采集216组电池单体电压。

2 测试平台搭建

2.1 充放电测试平台

储能电池组充放电测试平台原理如图2所示，主要由充放电测试仪（北京大华品耐科技有限公司，型号PSC900-300）、24 V电源模块、保护单元、控制单元、电压检测单元（电池管理系统从控单元）及动力和通信线缆等组成，充放电测试仪、保护单元与动力线缆组成储能电池组测试平台的主回路，24 V电源、控制单元、电压检测单元组成储能电池组测试平台的检测及控制回路。

2.2 测试方案

2.2.1 全充全放测试。

第一步：按照GB/T 36276电力储能用锂离子电池充放电测试方法，对储能电池组进行初始化放电，随后以额定功率进行充电，充电截止条件为任一单体电池电压达到3.65 V，或储能电池组SOC达到100%；提取储能电池组在充电末端216组电池单体的电压值。

第二步：储能电池组以额定功率进行放电，放电截止条件为任一单体电池电压达到2.80 V，或储能电池组SOC达到0%；提取储能电池组在放电末端216组电池单体的电压值。

2.2.2 脉冲充放电测试。

第一步：按照GB/T 36276电力储能用锂离子电池充放电测试方法，对储能电池组进行初始化放电，随后将储能电池组电量充至40%荷电状态（state of charge，SOC）。

第二步：对储能电池组进行脉冲充放电，脉冲充放电曲线如图3所示，充放电功率依次为±10 kW、

±20 kW、±40 kW、±80 kW，充放电转换间隔时间为60 s；提取储能电池组在充电和放电过程中某一时刻216组电池单体的电压值。

3 结果与讨论

3.1 储能电池组全充全放电压特性

储能电池组全充全放过程中，50% SOC状态下及充电和放电末端电池单体电压分布如图4所示。50% SOC状态下，电池单体电压最大值为3.38 V，最小值为3.36 V，最大电压差为0.02 V；充电末端，电池单体电压最大值为3.65 V，最小值为3.52 V，最大电压差0.13 V；放电末端，电池单体电压最大值为3.08 V，最小值为2.80 V，最大电压差为0.28 V，其中最小单体电压对应的电池编号为158，即为故障电池。

储能电池组全充全放过程中，编号为158的电池单体与任一正常电池单体（如编号160）的电压变化曲线如图5所示。结果显示，在充放电过程中，158号电池单体与正常电池单体电压曲线基本一致，仅在充电末端和放电末端出现较大幅度的变化。可见，储能电池组中存在故障電池时，只有将电池组充电至满电或放电至末端才能准确判断及定位故障电池单体，该方法测试时间长，检测效率低，且会造成较大的能量浪费。

3.2 储能电池组脉冲充放电电压特性

储能电池组脉冲充电过程中，电池单体电压分布及脉冲功率变化曲线如图6所示，脉冲放电过程中，电池单体电压分布及随脉冲功率变化的曲线如图7所示。其中电压最低的电池单体对应的编号为158。

储能电池组脉冲充放电下电池单体电压统计结果见表1。结果显示，随着脉冲充电功率从10 kW增大到80 kW，编号为158的电池单体电压随之增大，单体电池最大电压差由0.01 V增大到0.06 V；随着脉冲放电功率从10 kW增大到80 kW，编号为158的电池单体电压随之减小，单体电池最大电压差由0.02 V增大到0.05 V。由此可以判断，编号为158的电池单体存在故障，在储能电池组充电末端会先达到充电截止电压3.65 V，放电末端会先达到放电截止电压2.80 V，从而导致整个储能电池组停止充放电，降低储能电池组可用容量。

4 结语

本研究通过分析全充全放和脉冲充放电过程中储能电池组单体电压特性，提出储能电池组故障单体电池识别及定位方法。全充全放过程中，储能电池组在50% SOC、充电末端、放电末端的最大电压差分别为0.02 V、0.13 V、0.28 V，故障电池单体在放电末端大幅下降，该方法可以作为储能电池组故障电池识别方法，但效率低、能耗大。脉冲充放电过程中，储能电池组故障电池单体电压随充放电功率的增大出现明显下降，说明该方法可以快速准确识别故障电池，可为大容量储能系统用电池组成组初期及运行过程中的不一致性检测提供高效、低成本的解决方案。

参考文献：

［1］ZHANG Z L，CAI Y Y，ZHANG Y，et al.A distributed architecture based on microbank modules with self-reconfiguration control to improve the energy efficiency in the battery energy storage system［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（1）：304-317。

［2］李索宇. 动力锂电池组均衡技术研究［D］. 北京：北京交通大学，2011.

［3］李娜，白恺，陈豪，等. 磷酸铁锂电池均衡技术综述［J］. 华北电力技术， 2012（2）：60-65.

［4］彭建华，潘继雄，周幼华. 磷酸铁锂电池能量转移均衡策略及其电路研究［J］. 电源技术，2020，44（6）：875-879.