為何意見稿中特別提到電池一致性?

儲(chǔ)能電池的不一致性主要是指電池容量、內(nèi)阻、溫度等參數(shù)的不一致。我們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)是，兩節(jié)干電池正負(fù)連接，手電筒就會(huì)發(fā)光，不會(huì)考慮一致性的事情。而電池一旦在儲(chǔ)能系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，情形并非如此簡(jiǎn)單。具有不一致性的電池串并聯(lián)在一起使用，會(huì)出現(xiàn)如下問題：

1)可用容量損失

儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電芯(即電池單體)串聯(lián)構(gòu)成電池包，電池包串聯(lián)構(gòu)成電池簇，多個(gè)電池簇直接并聯(lián)接入同一直流母排。電芯不一致性導(dǎo)致可用容量損失的原因包括串聯(lián)不一致性和并聯(lián)不一致性;

·電池包串聯(lián)不一致性損失：

電池包間由于電芯本身差異、溫度差異等不一致性會(huì)造成每個(gè)電池包的SOC(剩余電量)不同，只要有一個(gè)電池包充滿/放空，該簇中全部電池包都將停止充放電。

圖1 電池不一致性造成串聯(lián)容量失配

·電池簇并聯(lián)不一致性損失：

電池包直接并聯(lián)成電池簇后，各電池簇電壓被強(qiáng)制平衡，當(dāng)內(nèi)阻較小的電池簇電量充滿或放光后，其他電池簇必須停止充放，造成電池簇間充不滿、放不盡。

圖2 多電池簇并聯(lián)放電過程中的電流差異

此外，由于電池內(nèi)阻較小，因不一致性造成的各簇電壓差異即使僅有幾伏，簇間不均流就會(huì)很大，如下表中某電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所示，充電電流差異達(dá)到75A(與理論平均值相比偏差達(dá)42%)，偏差電流會(huì)導(dǎo)致部分電池簇出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象;極大影響充放電效率、電池壽命以及甚至導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。

表1 某電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命縮短

溫度是影響儲(chǔ)能壽命的最關(guān)鍵因素，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部溫度提升15℃時(shí)，儲(chǔ)能壽命會(huì)縮短一半以上。鋰離子電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，由于單體電池內(nèi)阻不一致，會(huì)造成儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部溫度分布不均衡，電池老化衰減速率加劇，最終導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命縮短。

由此可見，儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池的溫度不一致性是影響儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的重要因素，它會(huì)降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的可用容量，并縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命，甚至造成安全隱患。

如何應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能電池不一致性?

電芯的不一致性，都是在生產(chǎn)過程中形成，在使用過程中加深的。同一個(gè)電池包內(nèi)的電芯，弱者恒弱，且加速變?nèi)?。然而，雖然沒有完全一致的電芯，但是可以將數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)融合，用電力電子技術(shù)的可控性將鋰電池不一致性的影響降至最低。針對(duì)前文分析的不一致性所帶來的問題，目前市場(chǎng)上有一些廠家推出了組串式儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有精細(xì)化能量管理和分布式溫度控制的特點(diǎn)，可以對(duì)癥下藥：

1)精細(xì)化管理，提升可用容量

相比于傳統(tǒng)一個(gè)PCS管理1000-2000個(gè)以上電芯，組串式儲(chǔ)能系統(tǒng)將電芯管理精度提高到十幾個(gè)，精度提升約100倍。針對(duì)電池包間的串聯(lián)失配，通過優(yōu)化器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池包的單獨(dú)充放電管理。當(dāng)一個(gè)電池包達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，該電池包被旁路，其他電池包可繼續(xù)充放電，互不影響，最大化利用電池容量。

同時(shí)，每個(gè)電池簇配有智能簇控制器，避免直接并聯(lián)帶來的電池不一致性影響，使得每簇的充放電電流得到精準(zhǔn)控制，誤差做到1%以內(nèi)。從而規(guī)避了簇間并聯(lián)失配，真正實(shí)現(xiàn)了電池簇間獨(dú)立充放管理，杜絕了環(huán)流的產(chǎn)生，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的容量和安全。

2)分布式溫控，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命

傳統(tǒng)儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)配置1-2個(gè)集中式空調(diào)，采用縱向風(fēng)道進(jìn)行散熱，風(fēng)道長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)約6米-12米，由于散熱通道太長(zhǎng)，無法保障每個(gè)電池包和電池簇的溫度一致性。

圖3 傳統(tǒng)集中式散熱結(jié)構(gòu)圖

組串式儲(chǔ)能采用簇級(jí)分布式散熱，用分布式空調(diào)代替集中式空調(diào)，每個(gè)電池簇可獨(dú)立均勻散熱，風(fēng)道長(zhǎng)度小于1米，極大的提升了散熱效率，規(guī)避物理位置帶來的溫度差異。同時(shí)，電池包內(nèi)巧妙的通過樹形仿生專利散熱風(fēng)道，通過調(diào)節(jié)各電芯風(fēng)道長(zhǎng)度及距離，讓每個(gè)電芯經(jīng)過的冷量盡可能一致，降低各電芯每個(gè)面的溫度不一致性。

圖4 分布式散熱結(jié)構(gòu)圖

電池不一致性是當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)很多問題的根源，然而由于電池的化學(xué)特征以及應(yīng)用環(huán)境的影響，電池的不一致性很難根除。組串式儲(chǔ)能系統(tǒng)通過電力電子和數(shù)字化技術(shù)的可控性，極大的弱化了系統(tǒng)對(duì)電池一致性的要求，可大幅提升儲(chǔ)能系統(tǒng)可用容量，以及提高系統(tǒng)安全性。