為何意見(jiàn)稿中特別提到電池一致性?
儲能電池的不一致性主要是指電池容量、內阻、溫度等參數的不一致。我們日常的經(jīng)驗是，兩節干電池正負連接，手電筒就會(huì )發(fā)光，不會(huì )考慮一致性的事情。而電池一旦在儲能系統中大規模應用時(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 )出現如下問(wèn)題：
1)可用容量損失
儲能系統中，電芯(即電池單體)串聯(lián)構成電池包，電池包串聯(lián)構成電池簇，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(mǎn)/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，各電池簇電壓被強制平衡，當內阻較小的電池簇電量充滿(mǎn)或放光后，其他電池簇必須停止充放，造成電池簇間充不滿(mǎn)、放不盡。
圖2 多電池簇并聯(lián)放電過(guò)程中的電流差異
此外，由于電池內阻較小，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)測數據所示，充電電流差異達到75A(與理論平均值相比偏差達42%)，偏差電流會(huì )導致部分電池簇出現過(guò)充過(guò)放現象;極大影響充放電效率、電池壽命以及甚至導致嚴重安全事故。
表1 某電站實(shí)測數據
2)儲能系統壽命縮短
溫度是影響儲能壽命的最關(guān)鍵因素，當儲能系統內部溫度提升15℃時(shí)，儲能壽命會(huì )縮短一半以上。鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量熱量，由于單體電池內阻不一致，會(huì )造成儲能系統內部溫度分布不均衡，電池老化衰減速率加劇，最終導致儲能系統壽命縮短。
由此可見(jiàn)，儲能系統中電池的溫度不一致性是影響儲能系統性能的重要因素，它會(huì )降低儲能系統的可用容量，并縮短儲能系統的循環(huán)壽命，甚至造成安全隱患。
如何應對儲能電池不一致性?
電芯的不一致性，都是在生產(chǎn)過(guò)程中形成，在使用過(guò)程中加深的。同一個(gè)電池包內的電芯，弱者恒弱，且加速變弱。然而，雖然沒(méi)有完全一致的電芯，但是可以將數字技術(shù)、電力電子技術(shù)與儲能技術(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。針對前文分析的不一致性所帶來(lái)的問(wèn)題，目前市場(chǎng)上有一些廠(chǎng)家推出了組串式儲能系統，具有精細化能量管理和分布式溫度控制的特點(diǎn)，可以對癥下藥：
1)精細化管理，提升可用容量
相比于傳統一個(gè)PCS管理1000-2000個(gè)以上電芯，組串式儲能系統將電芯管理精度提高到十幾個(gè)，精度提升約100倍。針對電池包間的串聯(lián)失配，通過(guò)優(yōu)化器設計，實(shí)現每個(gè)電池包的單獨充放電管理。當一個(gè)電池包達到設定閾值時(shí)，該電池包被旁路，其他電池包可繼續充放電，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(lái)的電池不一致性影響，使得每簇的充放電電流得到精準控制，誤差做到1%以?xún)?。從而規避了簇間并聯(lián)失配，真正實(shí)現了電池簇間獨立充放管理，杜絕了環(huán)流的產(chǎn)生，進(jìn)一步提升了系統的容量和安全。
2)分布式溫控，延長(cháng)儲能系統壽命
傳統儲能集裝箱內配置1-2個(gè)集中式空調，采用縱向風(fēng)道進(jìn)行散熱，風(fēng)道長(cháng)度長(cháng)達約6米-12米，由于散熱通道太長(cháng)，無(wú)法保障每個(gè)電池包和電池簇的溫度一致性。
圖3 傳統集中式散熱結構圖
組串式儲能采用簇級分布式散熱，用分布式空調代替集中式空調，每個(gè)電池簇可獨立均勻散熱，風(fēng)道長(cháng)度小于1米，極大的提升了散熱效率，規避物理位置帶來(lái)的溫度差異。同時(shí)，電池包內巧妙的通過(guò)樹(shù)形仿生專(zhuān)利散熱風(fēng)道，通過(guò)調節各電芯風(fēng)道長(cháng)度及距離，讓每個(gè)電芯經(jīng)過(guò)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 分布式散熱結構圖
電池不一致性是當前儲能系統很多問(wèn)題的根源，然而由于電池的化學(xué)特征以及應用環(huán)境的影響，電池的不一致性很難根除。組串式儲能系統通過(guò)電力電子和數字化技術(shù)的可控性，極大的弱化了系統對電池一致性的要求，可大幅提升儲能系統可用容量，以及提高系統安全性。
