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)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(diǎn)在電網(wǎng)儲能應(yīng)用中得到了重視。但是，受動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)的限制，為滿足電網(wǎng)儲能應(yīng)用的要求，需將電池串聯(lián)到一定的電壓等級，再將電池組并聯(lián)，以達(dá)到較高容量。
同時(shí)，通過研究大容量儲能技術(shù)和儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)先串后并的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于對儲能系統(tǒng)各個(gè)單體電池進(jìn)行檢測和管理。以比亞迪深圳總部儲能示范系統(tǒng)為例，系統(tǒng)由16個(gè)并聯(lián)支路組成，每個(gè)支路由252個(gè)單體串聯(lián)連接至800V直流母線，再接功率變換器系統(tǒng)（power conversionssystem，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(dòng)力電池組串并聯(lián)使用時(shí)，性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體電池原有水平，所以評價(jià)電池系統(tǒng)的性能并不能將單體電池性能進(jìn)行簡單疊加，而是需要對電池儲能系統(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(jìn)行準(zhǔn)確評估，從而保證系統(tǒng)的效率和安全性。
本文在錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池電學(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)仿真方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證串并聯(lián)仿真精度，研究影響動(dòng)力鋰離子電池組電流不平衡度的各項(xiàng)因素，擬出有效的電池組性能預(yù)測及評價(jià)手段。
電池模型與精度分析
本文以電動(dòng)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(shí)驗(yàn)使用美國Arbin公司BTS2000及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行電池測試。
研究人員為分析動(dòng)力鋰離子電池的特性設(shè)計(jì)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(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)增加或者衰減的特性，同時(shí)為便于電學(xué)仿真和計(jì)算，通常使用Rc阻容的模型對電池的極化電壓進(jìn)行建模。
電池組串并聯(lián)仿真中電池外電壓Uo決定了并聯(lián)的各個(gè)支路的電流大小，而Uocv可以通過OCV-SOC曲線實(shí)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。對錳酸鋰電池充電狀態(tài)（state of charge，SOC）為40％～50％的充電過程和50％測試點(diǎn)的靜置過程分別進(jìn)行模型狀態(tài)參數(shù)的辨識，極化電壓Up試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)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(diǎn)極化電壓Up的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)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(shù)曲線與實(shí)際電池測試曲線相關(guān)的系數(shù)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(jìn)一步分析2階模型及其參數(shù)辨識。如圖2所示，根據(jù)動(dòng)力鋰離子電池阻抗譜及特性模型參數(shù)分析，可以將極化阻抗Rp分為Rp1和Rp2，分別表示電化學(xué)極化以及表示擴(kuò)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(jìn)行建模分析。
通過2階模型得到的擬合指數(shù)曲線與實(shí)際電池測試曲線相關(guān)系數(shù)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(jìn)行電池串并聯(lián)仿真可以提高串聯(lián)單體的SOC估計(jì)精度，并提高并聯(lián)各支路電流分配的計(jì)算準(zhǔn)確度。
三方面研究電池串并聯(lián)
對于電動(dòng)汽車和儲能系統(tǒng)的新電池篩選或舊電池梯次利用而言，研究電池串并聯(lián)的特性主要通過三個(gè)方面開展：電池不一致性及參數(shù)分布造成的影響；電動(dòng)汽車和儲能系統(tǒng)運(yùn)行工況造成的影響；串并聯(lián)電池組的性能如何評價(jià)。
本文提出的串并聯(lián)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(shí)通過改變串并聯(lián)電池組的內(nèi)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(dòng)態(tài)分析電動(dòng)汽車的電池組和儲能系統(tǒng)的支路運(yùn)行狀況，并可對支路電流超限以及不平衡環(huán)流的恢復(fù)時(shí)間等影響整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)做出準(zhǔn)確預(yù)測。
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