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作者：丁凱 錢一民陳喬鄭劍王易
單位：國網湖北省電力有限公司電力科學研究院
引用：丁凱,錢一民,陳喬等.鋰離子電池儲能系統(tǒng)多時間尺度均衡方法[J].儲能科學與技術,2022,11(12):3872-3882.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0418
摘 要 鋰離子電池可作為后備電源為電力系統(tǒng)的一次設備、二次設備及通信管理等提供不同等級的交直流電，保證核心設備緊急時刻仍然能夠正常工作。先串后并的并聯(lián)型儲能系統(tǒng)不僅因并聯(lián)模組的互為備用具有更高的可靠性，也能夠避免傳統(tǒng)串聯(lián)型后備電源的木桶效應問題。然而，并聯(lián)型方案會因模組之間的不一致，使得各模組壽命呈現(xiàn)差異性；串聯(lián)電池組組內電壓分布差異，也會導致電池單體過充或者過放。為此提出了一種針對并聯(lián)型鋰離子電池儲能系統(tǒng)的多時間尺度均衡方法。首先，對電池模組組內單體以荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)為指標進行旁路均衡，使電池組在單次充放電循環(huán)的短時間尺度達到組內均衡；然后，通過并聯(lián)電池模組組間的壽命均衡，使系統(tǒng)在壽命衰減的長時間尺度達到平衡。所提均衡方法能夠提高并聯(lián)型儲能系統(tǒng)使用過程中模組間的一致性，增強并聯(lián)模組互為備用的可靠性，降低運維成本，提高鋰離子電池的使用效率。為了驗證該均衡方法，在電池加速老化實驗的基礎上，搭建仿真模型驗證了所提方法在不同條件下的有效性。
關鍵詞 儲能系統(tǒng)；鋰離子電池；SOC均衡；壽命均衡
后備電源在系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠保障核心設備的正常工作。相比于閥控密閉鉛酸電池，鋰離子電池(以下簡稱“鋰電池”)因能量密度高、無記憶性、低自放電率、綠色環(huán)保等優(yōu)勢被廣泛應用于電力直流電源系統(tǒng)。后備電源的傳統(tǒng)技術方案是將多節(jié)電池串聯(lián)成組后并入直流母線，如圖1(a)所示。該技術方案最為明顯的缺點是：若單節(jié)電池損壞，后備系統(tǒng)將直接故障。對于高壓故障，如無法提供后備操作電源，將導致本級斷路器無法分閘，甚至直接使上級電網跳閘。另外，由于電池單體電壓一般在4 V左右，為了滿足直流系統(tǒng)高電壓的需求，需要將幾十甚至上百節(jié)單體串聯(lián)。而串聯(lián)電池越多，各電池單體之間的均衡就越復雜。所以，針對上述傳統(tǒng)技術方案的缺點，出現(xiàn)了先串聯(lián)電池后并聯(lián)模組的并聯(lián)型備用電源方案，并聯(lián)型方案如圖1(b)所示。即先將性能相對一致的電池串聯(lián)成組，再為各串聯(lián)電池組配備獨立的DC-DC轉換器并聯(lián)后為負載供電。以這種并聯(lián)模組代替后備電源傳統(tǒng)的串聯(lián)模式，不僅避免了因某塊電池單體故障導致整個串聯(lián)電池組無法使用的木桶效應，并且并聯(lián)模組之間能夠互為備用，顯著提高了后備電源的可靠性與能量利用率。
圖1 后備電源串、并聯(lián)模式比較
電池的內阻、自放電率等特性都會有微小差異，具體表現(xiàn)為，串聯(lián)電池組會出現(xiàn)單體電壓分布不一致的現(xiàn)象，若不能及時均衡，可能引起特定電池單體過充、過放甚至是爆炸等危險。而并聯(lián)電池組則直接表現(xiàn)為電流分布不一致，這將導致電池能量分布與容量衰減差異。并聯(lián)電池模組不同的容量衰減，會使某些模組提前到達截止壽命，破壞了多個并聯(lián)模組之間互為備份的關系，降低了系統(tǒng)整體的可靠性，且需要額外的人力去檢查，增加系統(tǒng)的維護成本。故需要對先串后并的并聯(lián)型方案進行壽命均衡處理，使各電池單體的特性盡量接近。
對串聯(lián)電池組均衡方法的研究有很多，主要分為被動均衡和主動均衡兩大類。被動均衡主要依靠耗能型元件(如電阻)消耗電池組中能量較高電池單體的多余能量，使電池組的能量保持一致。被動均衡方法在均衡過程中會產生大量熱能，如果散熱處理不當，易導致電池系統(tǒng)熱失控，且被動均衡并不能最大化利用電池組的能量。
主動均衡分為旁路均衡以及基于能量轉移的均衡。基于能量轉移的均衡主要是由電容、電感、變壓器等儲能元件構造額外的能量傳輸通道，再設計相應的管理策略，將能量較高單體中的多余能量轉移到能量較低的單體?；谀芰哭D移的均衡主要分為4種：單體-單體(cell-to-cell，C2C)、單體-電池組(cell-to-pack，C2P)、電池組-單體(pack-to-cell，P2C)、單體-電池組-單體(cell-to-pack-to-cell，C2P2C)。相比于被動均衡，基于能量轉移的均衡方法具有能量利用率高、均衡速度快、電池組一致性好等優(yōu)點。但是，該方法也存在如拓撲體積大、成本高、控制算法復雜等問題。旁路均衡方法主要利用可控開關陣列調整能量流動的路徑，通過設計相應的控制策略去控制開關陣列的開通、關斷就能改變能量流動路徑。最簡單的控制策略是在電池組充電時旁路能量較高的電池單體，在電池組放電時旁路能量較低的電池單體。此方式下電池能量直接流向負載，不需要在不同電池單體之間轉移，這就使電池的能量不會在轉移過程中被消耗，提高了電池能量的利用率。同時，通過改變開關陣列也能夠適時旁路故障單體。相比于基于能量轉移的均衡方法，旁路均衡方法不僅均衡速度快而且均衡拓撲結構簡單、成本低、容錯率高、能量利用率高。
電池組均衡的指標有開路電壓(open circuit voltage，OCV)、電池端電壓、荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)三種。OCV需要電池靜置較長時間到達電池內部平衡后才能測得，并不適合用作均衡指標。多數(shù)均衡策略都使用端電壓以及SOC作為均衡指標。其中，SOC定義為電池剩余的可用容量占當前容量的比例，保持電池SOC的一致性是均衡的根本目的。雖然端電壓也能間接反映電池的SOC，但是電壓與SOC變化的非線性關系可知端電壓難以精確反映電池的SOC。
并聯(lián)電池組的均衡電路需要與電池/電池組隔離，常用的均衡拓撲結構為每個電池模組配備獨立的DC-DC轉換器，使得每組電池的充/放電量可以獨立控制。Moo等通過為并聯(lián)電池組中的每塊電池單體配備DC-DC轉換器獨立控制每塊電池的電流。該方法不僅能夠避免電池組過充放，同時也有利于電池組工作過程的SOC、SOH(state of health，健康狀態(tài))估計。Cao等提出了一種多輸入單輸出的電池系統(tǒng)，即為每組電池模塊配備獨立的DC-DC轉換器后將所有模組串聯(lián)為負載供電。該系統(tǒng)不僅能夠使并聯(lián)電池組達到SOC均衡，也能在文獻[32]所提均衡拓撲基礎上減少電池系統(tǒng)所需的元件數(shù)。Ur Rehman等則為每塊電池配備獨立的DC-DC轉換器后，設計算法增加高SOH電池的放電深度，以提高電池衰減的一致性、延長電池組的整體壽命。
為此，對于上述并聯(lián)方案現(xiàn)有的電池不一致性問題，本文提出了一種針對后備電源的鋰電池儲能系統(tǒng)多時間尺度均衡方法，同時兼顧電池組組內SOC均衡與電池組組間壽命均衡。即在電池模組組內進行旁路均衡使電池組在短時間尺度實現(xiàn)SOC均衡，在并聯(lián)電池模組組間進行長時間尺度壽命均衡。若使用本文所提的均衡方法使得各并聯(lián)電池模組同時達到截止壽命，就可以一次性完成電池更換等工作，也能夠確保并聯(lián)型電池系統(tǒng)在作為備用電源期間各個模組的互為備份作用。所提的多時間尺度均衡方法不僅提高了鋰離子電池的利用率，也能確保備用電源的可靠性。
1 系統(tǒng)均衡拓撲結構
本文所提的多時間尺度旁路均衡采用如圖2所示的拓撲結構。
圖2 儲能系統(tǒng)拓撲結構
圖2所示并聯(lián)電池模組的拓撲結構能夠根據(jù)負載需求調整輸出端電壓以及電流，也可以根據(jù)電池模組的性能獨立調節(jié)各電池模組的電流。電池模組內部串聯(lián)電池組的旁路均衡拓撲可以通過開通/關斷開關，旁路任意電池單體，以此實現(xiàn)電池組組內單體SOC均衡。以電池模組內部串聯(lián)電池組的3塊不同SOC的電池單體為例。若電池組處于放電狀態(tài)，則開通開關①②④，關斷其余開關，旁路能量最少的電池單體。若電池組處于充電狀態(tài)，則開通開關①③⑤旁路能量最高的電池單體。采用圖2所示模組并聯(lián)的模式，若此時模組2出現(xiàn)故障，則通過DC-DC轉換器調控使其輸出功率為0，而其余電池模組仍然正常工作使得系統(tǒng)依然能正常運轉。若采用傳統(tǒng)的串聯(lián)技術，模組2出現(xiàn)故障時，整個系統(tǒng)都會停止工作。所以，這不僅避免了串聯(lián)電池組固有的木桶效應，又能使不同并聯(lián)電池模組之間互為備用，顯著提高直流系統(tǒng)的安全性、可靠性。另外，對于各并聯(lián)電池模組而言，可以提前將電池單體按照性能一致性分組，降低串聯(lián)電池組組內SOC均衡的難度，加快組內SOC均衡的速度為下一步模組之間壽命均衡提供有利的時間條件。
2 均衡算法
本文所提對串并聯(lián)電池組的多時間尺度均衡方法：在短時間尺度內，使串聯(lián)電池組組內SOC在短時間內快速達到均衡；在長時間尺度上，根據(jù)并聯(lián)電池模組的老化程度調節(jié)其充放電深度，以此實現(xiàn)壽命均衡。圖3描述了均衡算法中長短時間尺度均衡如何協(xié)調：當串聯(lián)電池組組內SOC在短時間快速達到均衡后就可以啟動長時間尺度壽命均衡。
2.1 基于功率加權的長時間尺度壽命均衡控制算法
并聯(lián)電池模組壽命均衡的本質是根據(jù)各模組的健康狀態(tài)控制電池的放電深度，整體原則為：剩余壽命越少，則該組電池模組的放電深度越淺；剩余壽命越多，則該組電池模組的放電深度越深。結合本文的拓撲結構，利用DC-DC轉換器調控各電池模組的發(fā)出功率，就可以達到控制模組放電深度的目的。故根據(jù)上述原理，本文提出了基于功率加權的壽命均衡控制算法，如圖4所示：首先計算各電池模組應該提供的補償SOC；然后將各電池模組的容量除以參考容量，得到關于荷電量的權重因數(shù)，并利用該因數(shù)去修正各電池模組的SOC(即歸一化)。最后，再將各電池模組的SOC除以各電池模組SOC之和，得到關于功率的權重因數(shù)，并根據(jù)該因數(shù)和補償SOC得到各電池模組需要提供的實際功率。算法的具體內容如下：
圖4 長時間尺度壽命均衡控制算法流程
式中，P為負載所需的總功率；Pi為各并聯(lián)模組應提供的輸出功率。根據(jù)上述方法控制電池模組的放電深度，會使得健康狀態(tài)較好的電池模組放電深度更深，健康狀態(tài)不高的電池模組放電深度更淺。該方法使所有并聯(lián)電池模組充放電呈現(xiàn)良性循環(huán)，最終使各電池模組同時達到截止壽命，減少更換電池的次數(shù)，方便運維與梯次利用。
2.2 基于SOC旁路的短時間尺度串聯(lián)電池組均衡算法
串聯(lián)電池組SOC旁路均衡算法的基本策略是：根據(jù)電池組SOC值的標準差判斷電池組是否需要均衡。若電池組SOC的標準差小于所設定的閾值，表示電池組SOC不需要均衡，則電池組串聯(lián)運行。若電池組SOC的標準差大于所設定的閾值，則需要對電池組進行旁路均衡。假定電池組需要旁路Nbypass塊單體，判斷此時電池組的充放電狀態(tài)。若電池組放電，則通過控制開關陣列旁路Nbypass塊能量最低的電池單體；若電池組充電，則通過控制開關陣列旁路Nbypass塊能量最高的電池單體。該算法的流程如圖5所示。
圖5 短時間尺度SOC均衡算法流程
3 仿真驗證
3.1 電池模型
通過使用插值法能夠根據(jù)已知數(shù)據(jù)點獲得特定區(qū)間內的未知量，以解決上述電池建模過程測量點離散的問題。為了得到對應于區(qū)間SOC∈[0%，100%]以及Ahthroughput∈[0，∞]內的未知參數(shù)，本文使用如下三階埃爾米特插值方法：
3.2 算法驗證
為了驗證所提算法的效果，設計了3組對比實驗，利用MATLAB/Simulink仿真平臺搭建了由3組電池模組并聯(lián)組成的小型儲能系統(tǒng)，其中3個并聯(lián)電池模組由6塊電池單體串聯(lián)組成(6S3P)，且設定恒功率負載為P=500 W。圖10為儲能系統(tǒng)的仿真示意圖，控制器中包含完整的均衡算法?？刂破鞲鶕?jù)電池模組電壓、SOC、容量等參數(shù)輸出電池模組需要輸出的功率并將該功率反饋給各電池模組。
為了驗證所提均衡算法的有效性，設計了3組對比實驗：
圖11(a)～(c)分別為3組實驗中各電池模組的容量隨時間變化的曲線；圖12(a)～(c)分別為實驗1中各電池模組組內電池單體的SOC隨時間變化的曲線；圖13和14的子圖分布則與圖12相同。圖15分別為實驗1～3中6S3P小型儲能系統(tǒng)中每個并聯(lián)模塊到達截止壽命的時間。由圖11(a)可知，使用本文所提均衡算法后，老化程度不同的模組可以同時達到截止壽命(即EOL_M1=EOL_M2=EOL_M3)。圖11(b)、(c)顯示，僅對電池模組組內使用SOC均衡以及電池模組組內、組間均不使用均衡算法并不能在長時間尺度上使各電池模組同時達到截止壽命(即EOL_M1>EOL_M2>EOL_M3)。圖11的結果表明本文所提的多時間尺度均衡算法是有效的。
由圖12可知，使用本文所提的均衡算法后，各電池模組在工作過程中其組內SOC能夠保持一致。但放電深度不同，即：健康狀態(tài)最好的電池模組M1放電深度最深，老化程度最多的電池模組M3放電深度最淺，這是電池模組在長時間尺度保持壽命均衡的關鍵之處，也表明了所提多時間尺度均衡策略在長短時間尺度上均衡的有效性。雖然從圖13可以看出在僅對電池模組組內使用SOC均衡的條件下，各并聯(lián)電池模組內電池單體SOC能夠均衡。但是放電深度并沒有根據(jù)并聯(lián)模組的老化程度不同而有所區(qū)別。所以實驗2所實現(xiàn)的均衡過程對實現(xiàn)電池模組長時間尺度的壽命均衡沒有積極意義。而圖14則顯示電池模組組內、組間均不使用均衡算法時，并聯(lián)模組內電池的單體SOC不僅無法保持均衡，各電池模組的放電深度幾乎達到了100%。
根據(jù)圖15可知，實驗1中M1～M3的壽命分別為693298 s、693083 s、693084 s；實驗2中M1～M3的壽命分別為684051 s、660828 s、634667 s；實驗3中M1～M3的壽命分別為711607 s、687305 s、660229 s。另外，實驗1中各模組的平均壽命差為143 s，最大壽命差為215 s，實驗2中各模組的平均壽命差為32923 s，最大壽命差為49384 s，實驗3中各模組的平均壽命差為34252 s，最大壽命差為51378 s。故由3組實驗的實驗數(shù)據(jù)可知實驗1中3個并聯(lián)模組的壽命幾乎相同，而實驗2和實驗3中的3個并聯(lián)模組的壽命差則非常大。對于實驗2和3的情況而言，若M2和M3提前達到截止壽命時，各個并聯(lián)模組之間不再具備互為備用的關系，系統(tǒng)可靠性降低，需要運維人員及時更換電池模塊。而并聯(lián)的電池模組數(shù)目越多，運維的成本也就越大。若將本文所提方法應用到實際場站，則可以在整個運行過程中始終保障備用電源系統(tǒng)的高可靠性，且僅需在各個模組到達截止壽命時，對備用電源進行一次運維。另外，圖15中，實驗1中各電池模組的平均壽命為693155 s，實驗2中各電池模組的平均壽命為659849 s。故對比實驗1和實驗2可知，在使電池模組組內電池單體的SOC保持一致的基礎上，使用本文所提的多時間尺度均衡算法可以延長系統(tǒng)的平均壽命。這也間接說明僅考慮電池短時間尺度的均衡，不考慮電池長時間尺度的均衡，并不能在長時間尺度最大化利用電池的能量。
綜合對比3組實驗數(shù)據(jù)可知文章所提的均衡算法具有以下優(yōu)勢：①電池模組組內在電池工作的過程中可以一直保持SOC均衡，避免了電池單體出現(xiàn)過充或者過放等現(xiàn)象。②并聯(lián)電池模組可以同時達到截止壽命，避免電池模組多次更換，減少運維成本。
4 結論
為解決備用電源傳統(tǒng)串聯(lián)技術方案的“木桶效應”以及并聯(lián)型方案電池模組組內SOC、組間壽命等的不一致性問題，提出了一種針對并聯(lián)型鋰離子電池儲能系統(tǒng)的多時間尺度均衡方法。該方法的核心思路是在電池模組組內進行旁路均衡使電池組在短時間尺度實現(xiàn)SOC均衡，在并聯(lián)電池模組組間進行壽命均衡，使各電池模組在長時間尺度上達到統(tǒng)一的截止壽命。
為了合理設計該均衡方法，根據(jù)電池工作特性設計了包含電池模組組內SOC旁路均衡算法和基于功率加權的壽命均衡控制算法的多時間尺度均衡算法。為了驗證所提均衡算法的可行性以及有效性，對鋰電池進行了HPPC以及加速老化測試，然后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，建立了鋰電池電-老化模型。最后，設計了3組對比實驗。實驗結果顯示文章所提的多時間尺度均衡算法不僅可以保持電池模組組內SOC均衡，也能在長時間尺度上讓各電池模組同時達到壽命終止，兼顧單體SOC的一致性和電池模組壽命的一致性。這不僅解決了串聯(lián)電池組的木桶效應，也減少了電池的更換次數(shù)，降低系統(tǒng)的運維成本。
