文章來源：1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院2.規(guī)模化電池儲能應(yīng)用技術(shù)湖南省工程研究中心3.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院

0引言
儲能是推動新型電力系統(tǒng)發(fā)展與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要手段與核心技術(shù)，其中鋰離子電池儲能在國內(nèi)儲能項(xiàng)目中占有重要地位。隨著“新能源+儲能”發(fā)展模式的大范圍推廣，儲能電池安全問題的日益受到各界關(guān)注。
基于現(xiàn)今已有成果，關(guān)于單體電池健康狀態(tài)的預(yù)測方法主要包含健康因子的提取、建立電池模型以進(jìn)行參數(shù)辨識及多模式組合的方法。同時(shí)，部分學(xué)者與機(jī)構(gòu)在面對龐雜的鋰離子電池特性數(shù)據(jù)時(shí)，通過找到能夠表征電池退化的特征來建立此種特征與電池健康之間的關(guān)系。如韋海燕等構(gòu)建電池歐姆內(nèi)阻增加量、極化內(nèi)阻增加量和極化電容減少量作為電池的健康因子以實(shí)現(xiàn)對電池健康狀態(tài)的估算。
但不同于對單體電池的安全檢測，儲能電站往往以簇為主體，以簇成堆，其基本單元為電池pack箱，即由單體電池串并聯(lián)組成。由于生產(chǎn)、篩選成組及外部工作環(huán)境存在一定差異，造成電池pack箱參數(shù)的差別。若對一致性問題不加以監(jiān)測與管理，不僅會降低電池簇的使用效率更會增大pack箱體內(nèi)電池老化速率，對儲能電站運(yùn)行壽命易造成不可逆的損害。相較于對電池簇老化程度的預(yù)測研究，現(xiàn)今研究重點(diǎn)已然集中在儲能設(shè)備一致性問題上來。
對于電池簇不一致性的監(jiān)測，往往著眼于容量的變化。多數(shù)文獻(xiàn)指出電池簇可用容量大小遵循“木桶原理”，由最小容量的電池pack箱所決定的。在確定環(huán)境溫度與放電倍率的情況下，若電池簇容量衰減速率符合基本要求，則判斷其一致性較好。但是該認(rèn)定方法是有前提條件的，即某一pack箱的剩余電量與可充電電量都為最小時(shí)，電池簇容量可等于該電池pack箱容量。但在實(shí)際工作中，存在某一pack箱的剩余電量為最小，其可充電電量并不是最小的情況，進(jìn)而導(dǎo)致電池簇實(shí)際容量往往偏低，存在小于任意pack箱容量的情況，因此不能夠簡單的依據(jù)容量變化來反映電池簇的一致性情況。若通過對電池pack箱的歐姆電阻與極化阻抗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以確定電池簇的不一致性，不僅需要在線參數(shù)辨識，而且需要大量的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。在儲能電池管理系統(tǒng)中，大量的矩陣運(yùn)算是難以在線實(shí)現(xiàn)的；而電化學(xué)阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS）也已被廣泛用于分析和預(yù)測電池健康狀況，但該方法檢測對象通常是單體電池，電池pack箱則由多個(gè)單體電池串、并聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)多樣，如果對箱體內(nèi)每個(gè)單體電池進(jìn)行測試，則實(shí)際可操作性較差；如果直接測試pack箱，則必須進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性。
同時(shí)，許多實(shí)際工程中使用經(jīng)驗(yàn)和擬合方法預(yù)測電池狀態(tài)，通過現(xiàn)有退化數(shù)據(jù)來預(yù)測未來電池的性能，無需詳細(xì)了解電池的內(nèi)部設(shè)計(jì)和材料特性。因此，為降低數(shù)據(jù)采集量及減少不良數(shù)據(jù)，本文以恒流放電為基礎(chǔ)，通過探究在恒流放電過程中因不一致性而引發(fā)的電池簇與電池pack箱歐姆內(nèi)阻壓降浮動規(guī)律，提出一種基于歐姆內(nèi)阻壓降的電池簇不一致性在線評估方法，即以歐姆內(nèi)阻的增量作為因子，將其以電池電壓幅值的變化間接表現(xiàn)出來，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的不斷積累以實(shí)現(xiàn)對電池簇一致性的監(jiān)測，在豐富簇級管理手段的同時(shí)，有效利用BMS所測得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1電池簇外特性分析
在脈沖放電方式下，單體電池端電壓變化曲線如圖1所示。

在放電起始階段，電池電壓存在一個(gè)瞬間下降，如圖1所示。該壓降主要是由于電池歐姆內(nèi)阻分壓所造成的，根據(jù)文獻(xiàn)可知其數(shù)學(xué)關(guān)系如式（1）所示。

式中：i為放電電流；rohm為電池歐姆內(nèi)阻。此時(shí)電池極化電容電壓無法突變，初始電壓為零，可視為短路。在放電電流與采樣時(shí)間保持恒定的情況下，其壓降幅值的大小可以間接反映出歐姆內(nèi)阻大小情況。儲能電站多以電池模組單元箱（電池pack箱）為基本單位來構(gòu)建電池簇。對單個(gè)電池pack箱建立Thevenin電路模型，則電池簇可視為該電路模型的串聯(lián)，其模型如下圖所示。

則在放電起始階段，電池簇端電壓與各電池pack箱端電壓具有以下關(guān)系：

式中：ΔUr表示電池簇歐姆內(nèi)阻壓降幅值；Δur_i表示第i個(gè)電池pack箱歐姆內(nèi)阻壓降幅值。在運(yùn)行初期，電池參數(shù)較為一致，因此對上式（2）進(jìn)行進(jìn)一步簡化，如下式所示：

式中，n為電池pack箱個(gè)數(shù)，Δur表示某一電池pack箱的壓降幅度，該電池pack箱可視為表征單體，以該單體為參考對象，為電池簇工作過程中的不一致性提供了參考。基于式（3），對電池簇與表征單體運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并進(jìn)行線性擬合得到函數(shù)關(guān)系f(n?Δur)?ΔUr，通過對線性關(guān)系變化速率k來反映出電池簇的不一致性情況。
2基于歐姆內(nèi)阻壓降的儲能電站電池簇不一致性在線評估方法
2.1表征單體的選擇在電池簇成組投運(yùn)之前，基于可用容量與歐姆內(nèi)阻兩項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，對電池pack箱進(jìn)行篩選，篩選條件為：

即該表征單體的可用容量qchar和歐姆內(nèi)阻rchar最為接近電池簇中所有電池pack箱可用容量的平均值和歐姆內(nèi)阻的平均值，以該表征單體為參考對象，為電池簇工作過程中的不一致性提供參考。
由于電池老化與環(huán)境溫度有強(qiáng)相關(guān)性，在經(jīng)過初期運(yùn)行之后，以工作溫度T為參數(shù)指標(biāo)再次對電池pack箱進(jìn)行篩選；同時(shí)表征單體以一個(gè)月或一個(gè)季度為周期進(jìn)行動態(tài)篩選，篩選條件如下：

具體篩選過程如圖3所示。

2.2電池簇不一致性在線評估方法分析令電池簇初始荷電狀態(tài)、放電電流與系統(tǒng)采樣頻率保持恒定，獲取電池簇與表征單體因歐姆內(nèi)阻造成的壓降ΔUr與Δur，并通過線性擬合得到函數(shù)關(guān)系f(n?Δur)?ΔUr，n為電池pack箱個(gè)數(shù)，基于線性擬合關(guān)系求導(dǎo)得變化速率k，進(jìn)行無量綱化處理。
對變化速率k(n?Δur，ΔUr)進(jìn)行在線記錄，若電池簇內(nèi)某一電池pack箱受外界環(huán)境影響而老化程度加劇，歐姆內(nèi)阻數(shù)值增大，導(dǎo)致壓降幅值ΔUr逐漸大于表征單體n?Δur，變化速率k將呈現(xiàn)增大趨勢，即通過對線性關(guān)系f(n?Δur)?ΔUr變化速率的實(shí)時(shí)監(jiān)測來反映出電池簇不一致性來構(gòu)建安全評估系統(tǒng)。所述方法原理與流程分別如圖4、圖5所示。

?3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)平臺主要由手套箱、生化培養(yǎng)箱、高性能電池監(jiān)測系統(tǒng)與人機(jī)交互界面構(gòu)成，如圖6所示，培養(yǎng)箱溫度維持在30℃。

3.1電壓幅值分析實(shí)驗(yàn)對象為LiNiMnCoO2扣式電池，采用多枚鋰離子扣式電池串聯(lián)進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用的扣式電池為同一批制出，活性物質(zhì)質(zhì)量均為2.36mg，性能參數(shù)較為一致，采樣步長設(shè)為10s，整體實(shí)驗(yàn)方案分為3個(gè)階段：

第一階段將兩枚新鋰離子扣式電池A、B串聯(lián)為電池組PAB（2S1P）進(jìn)行循環(huán)充放電，以1C（0.5mA）恒流充電至4.2V后擱置1min，再以相同電流放電至2.2V后擱置1min視為一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行50次循環(huán)；
第二階段將一枚新的鋰離子扣式電池以4C（2mA）恒流充電至4.2V后再放電至2.2V為一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行120次循環(huán)后替代扣式電池A，構(gòu)成電池組PB（C2S1P），以1C（0.5mA）恒流充電至4.2V后擱置1min，再以相同電流放電至2.2V后擱置1min，進(jìn)行50次循環(huán)；第三階段將扣式電池A與一枚新的鋰離子扣式電池D串聯(lián)成為電池組PAD（2S1P）進(jìn)行循環(huán)充放電，同樣以1C（0.5mA）恒流充電至4.2V后擱置1min，再以相同電流放電至2.2V后擱置1min視為一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行50次循環(huán)。
由于循環(huán)開始時(shí)電池組端電壓存在一定程度的波動，因此采樣從第5個(gè)充放電循環(huán)開始：對電池組PAB的40至50周期端電壓進(jìn)行采樣，同時(shí)對電池組PBC與PAD的5至15周期端電壓進(jìn)行采樣。電池組電壓波形如圖8所示。

采樣步長保持不變，對電壓波形進(jìn)行離散處理，各電池組放電過程中存在的瞬間壓降幅值ΔUr情況如下圖所示。

 
由圖9可知，電池組PAB在40次至50次循環(huán)放電過程中的瞬時(shí)壓降幅值ΔUr在0.092V至0.096V范圍之內(nèi)；電池組PBC在5次至15次循環(huán)放電過程中的瞬時(shí)壓降幅值ΔUr在0.10V至0.11V范圍之內(nèi)；電池組PAD在5次至15次循環(huán)放電過程中的瞬時(shí)壓降幅值ΔUr在0.08V至0.09V范圍之內(nèi)。由電壓的變化趨勢可以看出，如果電池組內(nèi)某一單體電池的老化程度發(fā)生變化，電池組壓降幅值ΔUr將增加或減少。以電池PACK箱與電池簇的角度來看，若某一電池PACK箱老化程度發(fā)生變化，電池簇壓降幅值ΔUr也會相應(yīng)變化。
3.2變化速率k值分析上述實(shí)驗(yàn)中對電池組PAB進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，電壓變化范圍在4.2V至2.2V之間，由于兩枚電池性能參數(shù)一致，依據(jù)分壓原理，每枚電池的電壓變化范圍在2.1V至1.1V之間。因此，為進(jìn)一步對變化速率k展開分析，對一枚新的鋰離子扣式電池E進(jìn)行循環(huán)充放電，以1C（0.5mA）恒流充電至2.1V后擱置1min，再以相同電流放電至1.1V后擱置1min視為一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行80次循環(huán)。所用扣式電池同上節(jié)所用電池一樣，同批次制出，性能參數(shù)一致，因此電池E的充放電數(shù)據(jù)可以等價(jià)于電池組中某一電池的數(shù)據(jù)，即單體電池E的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以視為電池組中表征單體的運(yùn)充放電數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析。
對單體電池E的40次至50次及55次至65次循環(huán)的電壓幅值進(jìn)行采樣。

將鋰離子扣式電池E的40次至50次循環(huán)充放電所測得壓降幅值Δur的2倍與電池組PAB的40次至50次循環(huán)充放電所測得壓降幅值ΔUr進(jìn)行線性擬合；之后，在上述采樣的基礎(chǔ)上，將電池E的55次至65次循環(huán)充放電所測得壓降幅值Δur的2倍與電池組PBC的5次至15次循環(huán)充放電所測得壓降幅值ΔUr進(jìn)行逐點(diǎn)線性擬合。擬合結(jié)果如圖11所示。

由圖中擬合曲線可以看出2·Δur要小于ΔUr，其主要原因是鋰離子扣式電池串聯(lián)在一起，兩者正負(fù)極并不是完全閉合接觸，其存在的空隙一定程度上引起電池組阻抗的增大，導(dǎo)致電壓幅值變化的不同。但隨著所測數(shù)據(jù)的逐步線性擬合，線性擬合函數(shù)變化速率k由原來的0.1492升至0.8155，存在較為明顯的增大趨勢。所述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上節(jié)理論分析結(jié)果一致，即以電池簇與電池pack箱的視角去看，不一致性的加劇將會導(dǎo)致壓降幅值ΔUr與n·Δur差異的逐步增大，變化速率k將呈現(xiàn)增大趨勢。
4儲能電站實(shí)際數(shù)據(jù)分析
為進(jìn)一步驗(yàn)證所提不一致性評估方法的有效性，根據(jù)湖南省某鋰離子電池儲能電站1號電池簇11月運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該電池組由20個(gè)串聯(lián)電池組組成，如圖12所示，出口處的總直流電壓約為768V，放電電流約為90A，且每天恒流充放電各一次。

 
對電池簇任意5天放電過程中電芯SOC變化幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖13所示。各測量點(diǎn)電芯荷電狀態(tài)變化幅值ΔSOC集中在73%~75%，即電池簇一致性較好。但數(shù)據(jù)的采集與存儲量顯而易見的龐雜。

因此，采用本文提出的方法進(jìn)行分析處理，根據(jù)工作溫度對電池組進(jìn)行篩選，選擇1號電池箱作為表征單體。對該電池簇與表征單體11月份任意八天放電過程中的瞬時(shí)壓幅值降進(jìn)行采集，如下表所示：

 
首先對前五天的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到關(guān)系f(20?Δur，ΔUr)，然后將剩余三天的數(shù)據(jù)按日期順序進(jìn)行逐日擬合，結(jié)果如圖14所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，k穩(wěn)定在1.05~1.08范圍內(nèi)，可近似于恒定，即1號電池簇一致性好。該結(jié)果與大量電芯荷電狀態(tài)變化幅度ΔSOC的統(tǒng)計(jì)分析一致，與傳統(tǒng)方法相比，本文所提方法數(shù)據(jù)的采集與存儲量顯著減少。
5結(jié)論
電池簇安全性與內(nèi)部電池pack箱運(yùn)行狀態(tài)直接相關(guān)，為保障儲能電站電池簇的安全運(yùn)行，本文將歐姆內(nèi)阻的增量作為因子，提出一種基于歐姆內(nèi)阻壓降的電池簇不一致性在線評估方法，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：
（1）若電池簇內(nèi)某一pack箱老化程度發(fā)生變化，會造成其瞬時(shí)壓降幅值ΔUr的增大或者減??；
（2）獲取電池簇與表征單體因歐姆內(nèi)阻造成的壓降幅值并進(jìn)行實(shí)時(shí)擬合得到線性關(guān)系f(n·Δur)=ΔUr，并求導(dǎo)得到變化速率k(n·Δur)=ΔUr，對變化速率k進(jìn)行在線記錄可以實(shí)現(xiàn)對電池簇一致性的在線監(jiān)測。
隨著大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法持續(xù)完善，因此后期將對經(jīng)驗(yàn)與擬合方法在儲能系統(tǒng)的綜合應(yīng)用展開更進(jìn)一步地研究，以提升儲能電池監(jiān)測技術(shù)水平。