鉅大LARGE | 點擊量：1117次 | 2019年03月02日
磷酸鐵鋰&錳酸鋰電池串并聯
鋰離子電池憑其重量輕、體積小、壽命長、電壓高和無污染等優勢，逐步取代鉛酸、鎳氫、鎳鎘等電池，并且憑其充放電效率高的特點在電網儲能應用中得到了重視。但是，受動力鋰離子電池技術的限制，為滿足電網儲能應用的要求，需將電池串聯到一定的電壓等級，再將電池組并聯，以達到較高容量。
同時，通過研究大容量儲能技術和儲能拓撲結構，發現先串后并的電池拓撲結構有利于對儲能系統各個單體電池進行檢測和管理。以比亞迪深圳總部儲能示范系統為例，系統由16個并聯支路組成，每個支路由252個單體串聯連接至800V直流母線，再接功率變換器系統（powerconversionssystem，PCS）與電網連接，所構成的1MW（兆瓦）儲能系統的性能與各單體的狀態參數密切相關。
顯然，當電池性能存在不一致性，并將動力電池組串并聯使用時，性能指標往往達不到單體電池原有水平，所以評價電池系統的性能并不能將單體電池性能進行簡單疊加，而是需要對電池儲能系統中串聯支路的能量利用率以及并聯支路的電流不平衡度進行準確評估，從而保證系統的效率和安全性。
本文在錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池電學模型的基礎上，提出基于等效電路微分方程的串并聯仿真方法，通過試驗驗證串并聯仿真精度，研究影響動力鋰離子電池組電流不平衡度的各項因素，擬出有效的電池組性能預測及評價手段。
電池模型與精度分析
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
本文以電動汽車用90A·h錳酸鋰LiMn2O4和60A·h磷酸鐵鋰LiFePO4能量型電池為測試對象，實驗使用美國Arbin公司BTS2000及其數據采集系統進行電池測試。
研究人員為分析動力鋰離子電池的特性設計了大量等效電路模型，通常分析單體電池在不同倍率、不同溫度和不同老化程度下的充放電特性。
以電流作為輸入量，并以電池電壓作為輸出量，通過等效元件的串并聯來模擬電池的電學性能。如電池在充放電過程中表現出的歐姆內阻、電化學極化以及濃差極化等現象，均可以通過模型參數以較高的精度表示。
由于電池極化電壓的建立和靜置過程消退均呈現指數函數增加或者衰減的特性，同時為便于電學仿真和計算，通常使用Rc阻容的模型對電池的極化電壓進行建模。
電池組串并聯仿真中電池外電壓Uo決定了并聯的各個支路的電流大小，而Uocv可以通過OCV-SOC曲線實際測量得到，因此對極化電壓的準確建模和仿真是研究電池串并聯特性的關鍵。對錳酸鋰電池充電狀態（stateofcharge，SOC）為40％～50％的充電過程和50％測試點的靜置過程分別進行模型狀態參數的辨識，極化電壓Up試驗數據和擬合結果如圖1（a）所示。
磷酸鐵鋰電池SOC為35％～40％的充電過程和40％測試點極化電壓Up的試驗數據和擬合結果如圖1（b）所示。
從圖中可以看出，通過1階模型得到的擬合指數曲線與實際電池測試曲線相關的系數不高，其中靜置過程的幅值和擬合程度分別擬合均有較大誤差。
為了提高極化電壓的仿真精度，進一步分析2階模型及其參數辨識。如圖2所示，根據動力鋰離子電池阻抗譜及特性模型參數分析，可以將極化阻抗Rp分為Rp1和Rp2，分別表示電化學極化以及表示擴散作用的濃差極化，并得到Rp1和Rp2共同作用的2階Rc模型對電池的極化電壓進行建模分析。
通過2階模型得到的擬合指數曲線與實際電池測試曲線相關系數大于0.999，而且在極化電壓的幅值和擬合程度上都具有較高的精度。因此利用2階Rc模型進行電池串并聯仿真可以提高串聯單體的SOC估計精度，并提高并聯各支路電流分配的計算準確度。
三方面研究電池串并聯
對于電動汽車和儲能系統的新電池篩選或舊電池梯次利用而言，研究電池串并聯的特性主要通過三個方面開展：電池不一致性及參數分布造成的影響；電動汽車和儲能系統運行工況造成的影響；串并聯電池組的性能如何評價。
本文提出的
磷酸鐵鋰&錳酸鋰電池串并聯
串并聯仿真工具采用2階等效電路模型辨識電池性能具有較高的仿真精度，同時通過改變串并聯電池組的內阻分布、SOC分布以及電池容量分布，可以分析支路電流的不平衡情況，并可作為新電池篩選和舊電池梯次利用的篩選分析軟件。該方法適用于動態分析電動汽車的電池組和儲能系統的支路運行狀況，并可對支路電流超限以及不平衡環流的恢復時間等影響整個系統穩定性的指標做出準確預測。
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