鉅大LARGE | 點擊量：969次 | 2021年07月17日
仿真法測評：磷酸鐵鋰&錳酸鋰離子電池串并聯(lián)
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(yōu)點，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(wǎng)儲能使用中得到了重視。但是，受動力鋰離子電池技術(shù)的限制，為滿足電網(wǎng)儲能使用的要求，需將電池串聯(lián)到一定的電壓等級，再將電池包并聯(lián)，以達到較高容量。
同時，通過研究大容量儲能技術(shù)和儲能拓撲結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)先串后并的電池拓撲結(jié)構(gòu)有利于對儲能系統(tǒng)各個單體電池進行測試和管理。以比亞迪深圳總部儲能示范系統(tǒng)為例，系統(tǒng)由16個并聯(lián)支路組成，每個支路由252個單體串聯(lián)連接至800V直流母線，再接功率變換器系統(tǒng)（powerconversionssystem，PCS）與電網(wǎng)連接，所構(gòu)成的1MW（兆瓦）儲能系統(tǒng)的性能與各單體的狀態(tài)參數(shù)密切相關(guān)。
顯然，當(dāng)電池性能存在不一致性，并將動力鋰電池包串并聯(lián)使用時，性能指標(biāo)往往達不到單體電池原有水平，所以評價電池系統(tǒng)的性能并不能將單體電池性能進行簡單重疊，而是要對電池儲能系統(tǒng)中串聯(lián)支路的能量利用率以及并聯(lián)支路的電流不平衡度進行準(zhǔn)確評估，從而保證系統(tǒng)的效率和安全性。
本文在錳酸鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池電學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出基于等效電路微分方程的串并聯(lián)仿真辦法，通過實驗驗證串并聯(lián)仿真精度，研究影響動力鋰離子電池包電流不平衡度的各項因素，擬出有效的電池包性能預(yù)測及評價手段。
電池模型與精度分解
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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能量型電池為探測對象，試驗使用美國Arbin公司bTS2000及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行電池探測。
研究人員為分解動力鋰離子電池的特性設(shè)計了大量等效電路模型，通常分解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(lián)來模擬電池的電學(xué)性能。如電池在充放電過程中表現(xiàn)出的歐姆內(nèi)阻、電化學(xué)極化以及濃差極化等現(xiàn)象，均可以通過模型參數(shù)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(xiàn)指數(shù)函數(shù)新增或者衰減的特性，同時為便于電學(xué)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。
電池包串并聯(lián)仿真中電池外電壓Uo決定了并聯(lián)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(zhǔn)確建模和仿真是研究電池串并聯(lián)特性的關(guān)鍵。對錳酸鋰離子電池充電狀態(tài)（stateofcharge，SOC）為40％～50％的充電過程和50％探測點的靜置過程分別進行模型狀態(tài)參數(shù)的辨識，極化電壓Up實驗數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果如圖1（a）所示。
