動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)：原理與應(yīng)用
作者：慈松1 , 張從佳1, 劉寶昌1,2, 周楊林1
單位：1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系；2. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司
引用： 慈松, 張從佳, 劉寶昌, 等. 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù):原理與應(yīng)用[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(11): 3445-3455.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0539
摘 要 如何從根本上消除電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”是儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)問(wèn)題。目前業(yè)界解決“短板效應(yīng)”的主要手段是追求電池單體在生產(chǎn)和使用過(guò)程中的一致性，這必然導(dǎo)致邊際成本越來(lái)越高，同時(shí)依然無(wú)法從根本上消除電池系統(tǒng)“短板效應(yīng)”。因此，本團(tuán)隊(duì)率先提出了基于能量數(shù)字化的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池(dynamic reconfigurable battery，DRB)儲(chǔ)能技術(shù)，改變了電池發(fā)明以來(lái)固定串并聯(lián)的應(yīng)用范式，將電池之間的物理連接由傳統(tǒng)固定串并聯(lián)的剛性連接改變?yōu)槌绦蚩刂频娜嵝赃B接，通過(guò)控制每個(gè)電池接入充放電回路里的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了“盡力而為”的電池能量管控模式。接著，本團(tuán)隊(duì)提出了基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)的能量控制和系統(tǒng)級(jí)本質(zhì)安全控制方法，將能量控制問(wèn)題表示為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，并分析了基于可控串并聯(lián)技術(shù)的本質(zhì)安全控制方法。大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)可以極大提升電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和能量效率，為構(gòu)建大規(guī)模長(zhǎng)壽命低成本電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了全新的路徑。
關(guān)鍵詞 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)；能量數(shù)字化；電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；安全性；效率
高比例可再生能源的接入給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)維持電網(wǎng)電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)可靠性具有重要意義。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)具有高能量密度、高電能效率等優(yōu)點(diǎn)，且電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展帶動(dòng)了電池相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，使得電池在電力儲(chǔ)能領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著電池儲(chǔ)能安全事故的不斷發(fā)生，儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性成為制約電池儲(chǔ)能發(fā)展的關(guān)鍵因素。此外，隨著大量動(dòng)力電池達(dá)到退役年限，如何實(shí)現(xiàn)退役動(dòng)力電池的梯次利用也成為了電池產(chǎn)業(yè)急需解決的問(wèn)題。儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題歸根到底是電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，即電池網(wǎng)絡(luò)的整體性能取決于網(wǎng)絡(luò)中性能最差的電池單元。因此，如何從根本上消除電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”是儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題。
為了克服電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，現(xiàn)有的技術(shù)體系主要從兩個(gè)方面出發(fā)。一是追求電池單體的一致性，將電池單體間的差異通過(guò)工藝、技術(shù)、分選、成組等手段不斷縮小，使之滿足電池系統(tǒng)一致性的要求。然而，追求一致性的邊際效應(yīng)遞減，尤其是對(duì)于退役動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)而言，隨著電池一致性要求的提高，退役電池分選與重組的成本也隨之增大。此外，即使電池單體在出廠時(shí)保持一致性，但是在運(yùn)行過(guò)程中不同單體的工作環(huán)境存在差異，在充放電循環(huán)中這種差異性會(huì)不斷累積放大，“短板效應(yīng)”的問(wèn)題依然難以避免。另一種思路是設(shè)計(jì)電池網(wǎng)絡(luò)的均衡方法，主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩大類(lèi)?，F(xiàn)有的技術(shù)路線以主動(dòng)均衡為主，通過(guò)電容、電感、變壓器、電力電子變換器等設(shè)備構(gòu)造額外的能量傳輸通道，實(shí)現(xiàn)電池能量在不同單元之間的轉(zhuǎn)移。然而，基于主動(dòng)均衡的電池網(wǎng)絡(luò)往往采用“只串不并”的方式形成電池簇，多個(gè)電池簇需要并聯(lián)以提供足夠的輸出容量，而電池簇間的并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生環(huán)流的問(wèn)題。此外，現(xiàn)有的主動(dòng)均衡方法主要圍繞電力電子變換器展開(kāi)，而變換器的工作頻率往往是千赫茲級(jí)，在電力電子高頻開(kāi)斷的過(guò)程中會(huì)帶來(lái)額外的開(kāi)關(guān)損耗，降低電池系統(tǒng)的能量效率。
正如“世界上沒(méi)有兩片相同的樹(shù)葉”，不同電池單元間的差異性是難以避免的，即差異性是絕對(duì)的，一致性是相對(duì)的。因此，接納和管理電池差異性，是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。最近，得益于電力半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)(dynamic reconfigurable battery network，DRBN)能夠?qū)⑶呒?jí)的連續(xù)能量流離散化和數(shù)字化，從而將傳統(tǒng)的模擬電池儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦蛿?shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)，為提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和一致性提供了新路徑。然而，現(xiàn)有的研究主要停留在理論分析和樣機(jī)驗(yàn)證階段，缺少大規(guī)模動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行分析與數(shù)據(jù)驗(yàn)證，此外，實(shí)際工況下動(dòng)態(tài)可重構(gòu)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性、可靠性和管控效果尚不明晰。
有鑒于此，本工作結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)大規(guī)模動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理與應(yīng)用進(jìn)行分析。首先，本文從能量數(shù)字化的基本思想出發(fā)，闡述了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理和架構(gòu)；然后，分別提出了基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)的能量控制和系統(tǒng)級(jí)本質(zhì)安全控制方法；接著，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)均衡、電熱一體化管控和安全運(yùn)行等方面驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能；最后，圍繞“大與小”“高與低”“新與舊”等問(wèn)題對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的一系列迷思進(jìn)行了深入探討。
1 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的架構(gòu)
1.1 能量數(shù)字化的基本思想
隨著低壓低功耗電力電子器件的快速發(fā)展，基于能量數(shù)字化構(gòu)建動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)想成為可能。傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)通常采用IGBT實(shí)現(xiàn)電池能量管控，具有高電壓、大電流、高功率的特點(diǎn)。DRBN的最小管控單元是模組級(jí)，具備低電壓、小電流的特征，因此與MOSFTE的典型應(yīng)用場(chǎng)景非常契合。表1給出了MOSFET和IGBT的性能比較，其中MOSFET的導(dǎo)通電阻較小、通態(tài)損耗小。此外，與IGBT相比，低壓低功耗MOSFET的價(jià)格更低，在構(gòu)建大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)具有更強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
表1 功率MOSFET與IGBT的性能比較
DRB儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)分布式低壓系統(tǒng)，其中MOSFET在關(guān)斷狀態(tài)下所承受的最大電壓不會(huì)超過(guò)電池模組的工作電壓，典型值為幾伏到幾十伏，這極大提升了安裝和運(yùn)維過(guò)程中的操作安全性。此外，MOSFET的最大工作電流也不會(huì)超過(guò)電池模組的最大電流，典型值為幾十安到幾百安。另外，DRBN的重構(gòu)頻率為赫茲級(jí)，遠(yuǎn)低于目前電力電子變換器中百千赫茲級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率，故相較于傳統(tǒng)均衡電路中采用的電力電子變換器，DRBN能夠有效降低能量管控系統(tǒng)的損耗，提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量效率。
DRBN的基本思想與傳統(tǒng)BMS的電池均衡思路有著本質(zhì)上的區(qū)別。電池的容量可以表示為電流和時(shí)間的乘積，傳統(tǒng)的電池均衡方案都是從電流的角度入手，通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)電池單元的電流實(shí)現(xiàn)容量的管控，DRBN從時(shí)間的維度入手實(shí)現(xiàn)了“盡力而為”的電池能量管控模式，即
其中，圖片t表示電池接入充放電回路里的時(shí)間。DRBN將來(lái)自不同電池單元的“能量切片”按照時(shí)間軸進(jìn)行調(diào)度排布，可用容量越大的電池單元在時(shí)間軸上排布的時(shí)隙數(shù)越多，即接入充放電回路里的時(shí)間越長(zhǎng)。這種以時(shí)間為中心的電池能量管控方法所采用的頻率為赫茲級(jí)，從而避免了高頻電力電子器件帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗。
1.2 系統(tǒng)架構(gòu)
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常需要將大量電池單元串并聯(lián)以滿足輸出電壓和電流的要求。然而，由于電池單元之間存在差異性，直接并聯(lián)會(huì)導(dǎo)致環(huán)流。因此，傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不允許將電池單元直接并聯(lián)，而是將電池單元串聯(lián)構(gòu)成電池簇，再由許多電池簇通過(guò)大功率電力電子變流器(DC/DC或DC/AC)進(jìn)行簇級(jí)并聯(lián)，如圖1所示。每個(gè)電池簇的輸出端與一個(gè)DC/DC變換器連接，用來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓的變換和電池簇的能量控制。此外，針對(duì)電池單元不一致性的問(wèn)題，傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要配置主動(dòng)或被動(dòng)均衡電路。然而，這種固定串聯(lián)的電池簇結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障電池的精確隔離，當(dāng)簇內(nèi)的某個(gè)電池單元發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)電池簇都必須停止運(yùn)行，因此電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要留出足夠的裕度以防止故障造成的電池簇乃至整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)。
圖1 傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)與動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)對(duì)比
與傳統(tǒng)固定串聯(lián)疊加電池管理系統(tǒng)的方案不同，DRBN以電池能量數(shù)字化為基礎(chǔ)，通過(guò)電池單元與低壓低功耗電力電子器件深度耦合的方式實(shí)現(xiàn)電池能量離散化，并通過(guò)數(shù)字能量交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池模塊級(jí)的數(shù)字能量管控，其架構(gòu)如圖1所示。DRB儲(chǔ)能系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的區(qū)別在于，DRBN通過(guò)開(kāi)關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)電池能量的離散化和數(shù)字化，通過(guò)控制不同電池單元的充放電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電池能量均衡，因此DRBN不再需要傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的均衡電路。此外，數(shù)字能量交換系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池單元之間的可控并聯(lián)，從而消除了電池單元直接并聯(lián)所帶來(lái)的環(huán)流問(wèn)題。傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中DC/DC環(huán)節(jié)的作用是控制不同電池簇的出力，實(shí)現(xiàn)充放電功率在不同簇間的均衡分布，而在DRBN中，電池單元間實(shí)現(xiàn)了可控并聯(lián)，不存在傳統(tǒng)意義上電池簇的概念，因此DRBN不需要DC/DC模塊，極大降低了系統(tǒng)造價(jià)，提升了系統(tǒng)效率。
2 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量控制
2.1 數(shù)字能量交換系統(tǒng)
數(shù)字能量交換系統(tǒng)(digital energy switch system，DESS)是DRB儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)電池網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、一致性管控、安全保護(hù)等功能，其理論架構(gòu)如圖2所示。DESS具備測(cè)量、計(jì)算、控制、保護(hù)等功能，首先，電壓、電流和溫度傳感器測(cè)量得到的電池?cái)?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紻ESS；接著，DESS根據(jù)已知的電池狀態(tài)信息對(duì)電池的性能進(jìn)行評(píng)估，如SOC、健康狀態(tài)(state of health，SOH)估算；然后，DESS根據(jù)負(fù)載需求制定充放電方案，使系統(tǒng)在滿足負(fù)荷的前提下，實(shí)現(xiàn)電池的一致性和電熱安全管控，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線將控制信號(hào)下發(fā)至各個(gè)開(kāi)關(guān)。此外，DESS能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)電池網(wǎng)絡(luò)的異常狀態(tài)，若電池出現(xiàn)了電、熱、力濫用或其他異常情況，DESS能夠操控開(kāi)關(guān)及時(shí)切除故障。
圖2 基于數(shù)字能量交換系統(tǒng)的DRBN的能量控制
2.2 運(yùn)行優(yōu)化方法
電池單體的非線性效應(yīng)會(huì)影響系統(tǒng)的能量控制。非線性效應(yīng)包括電流效應(yīng)和恢復(fù)效應(yīng)，電流效應(yīng)指電池單體的可用容量隨著電流倍率的增加而減少，恢復(fù)效應(yīng)指當(dāng)電流突降為零時(shí)電池單體的容量會(huì)少量恢復(fù)。在DRBN中，每個(gè)電池單體都工作在脈沖放電模式下，因此電流效應(yīng)和恢復(fù)效應(yīng)更為顯著。在運(yùn)行控制過(guò)程中考慮電池的非線性效應(yīng)，有助于提高系統(tǒng)的整體性能。
DESS通過(guò)控制每個(gè)MOSDET的開(kāi)斷實(shí)現(xiàn)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式的重構(gòu)，電池網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以用開(kāi)關(guān)矩陣圖片表示：
其中，圖片表示第i行第j列的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，等于1表示開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，等于0表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
數(shù)字能量交換系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能量控制，提高系統(tǒng)的能量效率。假設(shè)總工作時(shí)長(zhǎng)為T(mén)，將整個(gè)工作區(qū)間劃分為N個(gè)重構(gòu)周期，每個(gè)重構(gòu)周期的時(shí)間為圖片。在重構(gòu)周期開(kāi)始時(shí)，數(shù)字能量交換系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻電池狀態(tài)生成最優(yōu)控制策略，并通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列改變電池拓?fù)洹Ｓ捎谥貥?gòu)周期時(shí)間很短，負(fù)載在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)可以認(rèn)為是恒定的。令圖片表示第i個(gè)重構(gòu)周期的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，圖片表示電池的能量損耗矩陣，圖片表示每個(gè)電池單元的能量損耗，圖片表示電池的能量恢復(fù)矩陣，圖片表示每個(gè)電池單元的能量恢復(fù)，那么第i個(gè)周期內(nèi)整個(gè)電池系統(tǒng)的能量耗散矩陣可以表示成一個(gè)哈達(dá)瑪積的形式：
其中，圖片和圖片的形式如下：
注意到以上的分析描述的是第i個(gè)重構(gòu)周期內(nèi)的凈能量損耗，在整個(gè)充放電周期內(nèi)的總能量損耗可以表示為
因此，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量控制可以表示成一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。兩個(gè)約束條件的物理意義分別為電池單體不過(guò)流、電池系統(tǒng)輸出電壓保持在合理范圍內(nèi)。
3 系統(tǒng)級(jí)本質(zhì)安全控制
系統(tǒng)級(jí)本質(zhì)安全強(qiáng)調(diào)從根源上消除部分危險(xiǎn)、降低事故發(fā)生的概率，而不是發(fā)生事故后盡可能減低故障帶來(lái)的損失。DRB儲(chǔ)能系統(tǒng)從三個(gè)層面保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)的本質(zhì)安全：可控并聯(lián)降低熱損耗、動(dòng)態(tài)重組防止熱堆積、故障電池的快速切除。
DRBN由于具備電池模組間的均衡能力，故可以實(shí)現(xiàn)電池單元的可控并聯(lián)，這是實(shí)現(xiàn)工作電流級(jí)均衡和消除環(huán)流的重要手段。理論分析表明，對(duì)于n并的系統(tǒng)，DRBN的發(fā)熱功率是傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)的圖片，這表明DRBN的柔性連接方式能夠有效降低電池單元的產(chǎn)熱功率，抑制溫度的升高，從而降低故障發(fā)生的概率。此外，可控并聯(lián)技術(shù)可以從根本上杜絕電池單體發(fā)生熱堆積和熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。如圖3所示，傳統(tǒng)固定串聯(lián)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池單體差異性會(huì)導(dǎo)致溫度的不一致。而DRBN會(huì)根據(jù)負(fù)載情況自適應(yīng)地采用N選k的控制策略，即從N個(gè)并聯(lián)的電池單元中選擇k個(gè)接入系統(tǒng)。未被選中的電池單元沒(méi)有電流經(jīng)過(guò)，不會(huì)產(chǎn)生新的熱量，因此在閑置的時(shí)間內(nèi)電池單元能夠散熱，從而避免熱堆積。除了電池單元級(jí)的可控并聯(lián)外，DRBN還可以實(shí)現(xiàn)電池單元的可控串聯(lián)，即在串聯(lián)方向上選中任意數(shù)量的電池單元接入系統(tǒng)?？煽卮?lián)可以在串聯(lián)的維度上消除電池差異性，有助于實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的智能運(yùn)維。
圖3 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)防止熱堆積的原理
除了通過(guò)可控串并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱管控外，數(shù)字能量交換系統(tǒng)還能夠快速切除故障電池模組，故障電池被切除后，與電池網(wǎng)絡(luò)的其他部分相互隔離，故障模組上不會(huì)流過(guò)工作電流，從而避免由于工作電流的產(chǎn)熱導(dǎo)致故障的進(jìn)一步惡化。此外，鋰電池從微短路發(fā)展到熱失控實(shí)際上是一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程，磷酸鐵鋰電芯的自發(fā)熱起點(diǎn)溫度一般在100～130 ℃，儲(chǔ)能電池正常使用溫度在50 ℃以下，那么在50～100 ℃的溫度變化過(guò)程是對(duì)電芯進(jìn)行溫控處理的關(guān)鍵窗口，這個(gè)窗口時(shí)間是小時(shí)級(jí)。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在早期對(duì)電池進(jìn)行提前預(yù)警和快速隔離，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)故障檢測(cè)、微秒級(jí)快速切除，在電池達(dá)到熱失控臨界溫度前就將其從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)，從而可以有效防止熱失控的發(fā)生。在電池故障發(fā)生后，傳感器會(huì)繼續(xù)采集故障電池模組的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，并反饋到數(shù)字能量交換系統(tǒng)。系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障模組的狀態(tài)進(jìn)行判斷，包括是否誤判、是否出現(xiàn)新的異常情況等。最后，故障電池模組通過(guò)智能運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)定期更換。
4 實(shí)例分析
本節(jié)將根據(jù)基于DRB電池儲(chǔ)能技術(shù)建設(shè)的10 MW/34 MWh數(shù)字無(wú)損梯次利用儲(chǔ)能示范工程的測(cè)試和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，該儲(chǔ)能電站位于內(nèi)蒙古達(dá)茂旗，其現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。
4.1 場(chǎng)站簡(jiǎn)介
該10 MW/34 MWh儲(chǔ)能電站由20個(gè)數(shù)字儲(chǔ)能集裝箱構(gòu)成，每個(gè)數(shù)字儲(chǔ)能集裝箱包含4個(gè)數(shù)字儲(chǔ)能子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)由電池單元、數(shù)字能量交換系統(tǒng)和分布式PCS系統(tǒng)組成，直流側(cè)電氣規(guī)格為716 V/480 Ah。具體來(lái)說(shuō)，每個(gè)子系統(tǒng)由42個(gè)51.2 V/200 Ah的退役動(dòng)力電池模組按照3并14串的拓?fù)溥B接而成。每個(gè)電池模組為磷酸鐵鋰電池，包含16個(gè)串聯(lián)的200 Ah電池單體，電池單體的規(guī)格為3.2 V/206 Ah，充電截止電壓3.65 V，放電截止電壓2.0 V。儲(chǔ)能電站各個(gè)組成部分的具體參數(shù)如表2所示。
表2 儲(chǔ)能電站的參數(shù)指標(biāo)
數(shù)字能量交換系統(tǒng)中包含電池能量交換機(jī)、電池能量集線器、電池能量適配器、電池能量網(wǎng)卡等4個(gè)核心設(shè)備，用于系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)和運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)電池模組級(jí)充放電均衡以及疑似故障電池模組的在線診斷和自動(dòng)隔離，如圖5所示。
圖5 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部場(chǎng)景圖
4.2 SOC均衡效果驗(yàn)證
在本例中，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在滿充滿放的工況下，本節(jié)取3并14串動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)充放電循環(huán)進(jìn)行分析。充電過(guò)程先采用160 A恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到充電截止電壓后轉(zhuǎn)為恒壓充電，當(dāng)充電電流減小到6.18 A(0.01 C)時(shí)認(rèn)為充電終止。放電過(guò)程采用180 A恒流放電，當(dāng)存在一個(gè)電池單體達(dá)到放電截止電壓時(shí)認(rèn)為放電終止。系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度為12 ℃，采用的冷卻方式為風(fēng)冷。
圖6給出了場(chǎng)站中的某個(gè)DRBN在充放電過(guò)程中模組SOC的變化情況。在充電開(kāi)始時(shí)，42個(gè)電池模組的SOC具有較大的差異性，SOC的最大值為20%，最小值為6%。當(dāng)充電過(guò)程結(jié)束后，SOC最大值變?yōu)?9%，最小值為93%，模組SOC的方差從開(kāi)始的15.1185降至2.7738，極差從14%降至6%。對(duì)于放電過(guò)程，起始時(shí)刻SOC的最大和最小值分別為98%和59%，放電結(jié)束后最大和最小SOC分別為8%和3%，SOC方差從96.3362降至2.0862，極差從39%降至5%。這些數(shù)據(jù)表明，無(wú)論是充電過(guò)程還是放電過(guò)程，經(jīng)過(guò)DRBN的一致性管控后電池模組的SOC差異性均減小，這驗(yàn)證了DRB儲(chǔ)能系統(tǒng)的均衡能力。
圖6 某個(gè)DRBN中42個(gè)電池模組SOC的變化情況
4.3 電熱一體化管控性能驗(yàn)證
DRBN能夠在線實(shí)現(xiàn)電熱一體化管控，即在保證溫度穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)電壓的均衡。圖7(a)給出了某個(gè)DRBN在充電過(guò)程中模組電壓的變化情況。在充電開(kāi)始時(shí)，模組電壓最大值為51.5 V，最小值為48.3 V，當(dāng)充電過(guò)程結(jié)束后，電壓最大值為54.0 V，最小值為53.3 V，模組電壓方差從501降低至22.6，極差從3.2 V降低至0.7 V，這表明充電過(guò)程中的模組差異性在減小。此外，圖7(b)給出了溫度曲線，溫度傳感器的精度為1 ℃。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，模組溫度的方差從初始值0.4263下降到0.3362，最大溫差保持穩(wěn)定。盡管在充電過(guò)程中電池網(wǎng)絡(luò)的整體溫度呈上升趨勢(shì)，但從溫度曲線的變化中不難看出，DRBN始終保持著良好的熱均衡狀態(tài)。
圖7 充電過(guò)程42個(gè)電池模組電壓和溫度的變化情況
圖8給出了放電過(guò)程中的電壓和溫度曲線。初始時(shí)刻最大和最小模組電壓分別為52.9 V、51.3 V，由于終止時(shí)刻電池的電壓特性變化較大，故取SOC為20%左右時(shí)的電壓數(shù)據(jù)作為對(duì)比。此時(shí)最大和最小電壓分別為50.7 V、49.5 V，電壓方差從209降低至148，極差從1.6 V降低至1.2 V。此外，42個(gè)模組的溫度曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢(shì)，初始時(shí)刻和放電結(jié)束時(shí)溫度的方差分別為1.0113和1.0612，這表明盡管放電過(guò)程電池產(chǎn)熱導(dǎo)致系統(tǒng)整體溫度上升，但是模組間的溫度差異性始終維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)電池模組的熱濫用。因此，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能場(chǎng)站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱一體化管控的能力得到了驗(yàn)證。
圖8 放電過(guò)程42個(gè)電池模組電壓和溫度的變化情況
4.4 故障工況下的安全性驗(yàn)證
在4.2節(jié)所述的工作模式下，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)采集到一次電池模組發(fā)生故障時(shí)的數(shù)據(jù)。圖9是動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)隔離故障模組的全過(guò)程。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原本工作在恒功率放電模式，在492 s時(shí)，某個(gè)電池模組發(fā)生故障，表現(xiàn)為模組的開(kāi)路電壓(open circuit voltage，OCV)從52 V跌落至20 V左右，明顯低于安全電壓范圍的下限值。此時(shí)開(kāi)關(guān)陣列立刻動(dòng)作，將故障模組切除。此時(shí)系統(tǒng)仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)，故障模組的出力由系統(tǒng)中其他健康模組承擔(dān)。然而，當(dāng)該故障模組被切除后模組電壓發(fā)生了自恢復(fù)。因此，在切除后經(jīng)過(guò)48 s的時(shí)間，DESS對(duì)該電池模組作嘗試性接入。此時(shí)模組電壓再次發(fā)生跌落，并在較低的電壓區(qū)間內(nèi)不斷振蕩，這表明該模組發(fā)生了不可逆的損傷，需要進(jìn)行運(yùn)維更換。系統(tǒng)停止運(yùn)行后，用萬(wàn)用表測(cè)量故障模組的端口電壓為9 V，證實(shí)了模組的故障情況。
圖9 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障模組的快速隔離
4.5 系統(tǒng)壽命與經(jīng)濟(jì)性分析
動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)能夠克服電池網(wǎng)絡(luò)的“短板效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)電池模組間的均衡，因此其可靠性和系統(tǒng)壽命相較于傳統(tǒng)電池系統(tǒng)有明顯的提升。儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的評(píng)價(jià)依據(jù)為整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的健康狀態(tài)(系統(tǒng)SOH)，系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)依據(jù)為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻任意電池模組的SOH不低于某一閾值的概率。文獻(xiàn)[21]給出了不同策略控制下的儲(chǔ)能壽命衰退及可靠性變化情況，固定拓?fù)涞膬?chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行壽命僅為1929天，可靠性閾值為50%SOH時(shí)，可靠性為87.95%；相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)拓?fù)湎聝?chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命延長(zhǎng)至3614天，可靠性閾值為30% SOH時(shí)，可靠性為95.82%?？梢钥闯?，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)可以有效延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命和可靠性。
對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的分析可以從建設(shè)成本和全生命周期成本兩個(gè)方面展開(kāi)。針對(duì)建設(shè)成本，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)與傳統(tǒng)方案的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)基本持平。第一，在電池本體層面，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的儲(chǔ)能方案能夠兼容不同種類(lèi)、不同特性的電池模組，具備管控退役電池梯次利用的能力，對(duì)電池出廠時(shí)的一致性沒(méi)有嚴(yán)格要求，因此降低了電池選購(gòu)的成本；第二，在電池管理系統(tǒng)層面，對(duì)于具有相似管控能力的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的儲(chǔ)能方案主要通過(guò)電池能量交換系統(tǒng)等二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)電池均衡和能量管控，不需要配備傳統(tǒng)儲(chǔ)能方案的電池均衡電路和電力電子變換器模塊。
針對(duì)全生命周期成本，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)方案具有更明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。第一，在系統(tǒng)效率層面，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的方案能夠克服“短板效應(yīng)”，使電池的容量和電量得到更充分的利用，從而提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率；第二，在電池壽命層面，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的方案能夠?qū)崿F(xiàn)模組級(jí)均衡，避免出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫等削弱電池壽命的工況，從而提高電池系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)和使用壽命，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均度電成本；第三，在系統(tǒng)運(yùn)維層面，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的方案能夠識(shí)別出電池網(wǎng)絡(luò)中的故障模組和性能較差的模組，且由于系統(tǒng)具備自動(dòng)隔離故障的功能，因此不需要實(shí)時(shí)運(yùn)維，降低了運(yùn)行維護(hù)的成本；第四，在系統(tǒng)安全層面，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的方案可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)本質(zhì)安全，不僅降低了故障發(fā)生的概率，還能夠精準(zhǔn)切除故障電池模組，這降低了潛在的事故成本。
5 進(jìn)一步討論
當(dāng)前在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，存在著一系列迷思，值得我們深入探討。
首先是“大與小”的問(wèn)題，即電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的電芯容量多大是合適的。大容量的電芯優(yōu)勢(shì)主要集中在電池能量管控節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，系統(tǒng)集成難度低，同時(shí)電池組零部件使用量少，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)集成難度和單位造價(jià)成本。然而，目前市面上的大容量電芯內(nèi)部是由多個(gè)70 Ah或140 Ah的卷繞單元采用內(nèi)部直接并聯(lián)的模式共用一個(gè)電池外殼組裝而成，并不能從根本上克服環(huán)流等安全性問(wèn)題，在某種程度上反而會(huì)加大安全隱患。此外，由于電芯體積和容量增大，導(dǎo)致電芯自身散熱性能差，系統(tǒng)集成中的電熱安全管控難度增大。目前大容量電芯主要應(yīng)用于電力儲(chǔ)能領(lǐng)域，大容量電芯成本的降低盡管可以直接帶來(lái)首次投資成本的降低，但是并不能推導(dǎo)出電池儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期度電成本降低的結(jié)論。相較于追求電芯的大容量，基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)能夠兼容多種容量規(guī)格的電芯，在提升儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期的容量利用率和系統(tǒng)循環(huán)壽命方面具有優(yōu)勢(shì)。
其次是“高與低”的問(wèn)題，即電池儲(chǔ)能系統(tǒng)究竟需要選用多大的直流側(cè)電壓等級(jí)?；谀壳啊爸淮徊ⅰ钡某山M方式，提高電池簇級(jí)功率密度只能通過(guò)采用大容量電芯和高等級(jí)簇級(jí)電壓的方法。目前典型的高壓系統(tǒng)是單串1500 V或級(jí)聯(lián)式/高壓直掛式等更高電壓等級(jí)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化場(chǎng)站設(shè)計(jì)，降低并網(wǎng)成本。然而，將3 V左右的低壓電池單體應(yīng)用于高電位的工作環(huán)境下，高電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生影響，使得電池的老化機(jī)制和安全邊界嚴(yán)重偏離電池型式試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和可靠性形成巨大挑戰(zhàn)。在電力系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要考慮系統(tǒng)的電壓輸出，還要考慮電池的電化學(xué)反應(yīng)特性，從電池系統(tǒng)的本質(zhì)安全出發(fā)才能給出電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。相較于追求采用大容量電芯和提高簇級(jí)電壓等級(jí)以提升電池簇功率密度的做法，基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)通過(guò)可控并聯(lián)，在1000 V電壓等級(jí)實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的高功率密度，極大提升了系統(tǒng)的本質(zhì)安全和安全電壓下的操作運(yùn)維。
第三是“新與舊”的問(wèn)題，即如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)一個(gè)電池單元的狀態(tài)。電池作為一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)裝置，受充放電倍率、環(huán)境溫度、循環(huán)次數(shù)等多種工況因素的影響，其存放和使用過(guò)程中的非線性、不確定性和老化是必然的，這與電池的出廠一致性是完全不同的兩個(gè)概念。此外，目前電池壽命通常指出廠時(shí)采用加速老化測(cè)試得出來(lái)的循環(huán)壽命，而電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種新型能源基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行時(shí)間要達(dá)到20年，且在此期間會(huì)面臨多種動(dòng)態(tài)工況環(huán)境，因此采用出廠一致性和循環(huán)壽命來(lái)測(cè)算電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在20年中的使用效果、系統(tǒng)安全邊界、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等指標(biāo)是不合理的，也是不可能的。此外，隨著越來(lái)越多的動(dòng)力電池從電動(dòng)汽車(chē)上退役下來(lái)，未來(lái)海量退役動(dòng)力電池的綠色高效利用也是一個(gè)關(guān)系到電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈閉環(huán)的重大課題?；趧?dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)通過(guò)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)空細(xì)粒度感知和控制，類(lèi)比于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的使用過(guò)程就是檢測(cè)過(guò)程也是計(jì)量過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)電池單元的“用檢一體”的在線精準(zhǔn)狀態(tài)估算和運(yùn)行潛力評(píng)估及容量計(jì)量。此外，基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地屏蔽電池本體在物理和化學(xué)上的差異性，實(shí)現(xiàn)了退役動(dòng)力電池“車(chē)上-車(chē)下”的無(wú)縫銜接，極大提升了退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，有力支撐了面向全生命周期的電池資產(chǎn)綠色高效利用的新模式。
6 結(jié)論
本文針對(duì)傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，提出了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)，以提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和能量效率。主要貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面：①分析了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理和架構(gòu)，DRBN將電池網(wǎng)絡(luò)的連接方式由傳統(tǒng)固定串并聯(lián)的剛性連接改變?yōu)槌绦蚩刂频娜嵝赃B接，創(chuàng)造性地開(kāi)辟了從時(shí)間維度實(shí)現(xiàn)電池網(wǎng)絡(luò)能量管控的路徑；②提出了基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)的能量控制和系統(tǒng)級(jí)本質(zhì)安全控制方法，能量控制以系統(tǒng)能量效率為目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，系統(tǒng)級(jí)本質(zhì)安全控制從可控串并聯(lián)的角度提高安全性；③大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)具備SOC均衡和電熱一體化管控能力，充放電過(guò)程中的最大SOC差值控制在5%以內(nèi)，模組最大溫差控制在5 ℃以內(nèi)；此外，故障前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能技術(shù)能夠及時(shí)切斷故障電池單元，保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
