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磷酸铁锂电池均衡技术综述

摘要：为了达到规模储能的电压和容量要求，磷酸铁锂电池需通过串并联达到设计要求，而生产、使用过程的差异性导致的电池单体不一致性，是影响储能电站寿命主要因素之一。文章从规模储能技术基本概念出发，介绍了现有均衡方案的基本拓扑结构和控制策略，列举了两种实际应用方案，提出了各种方案的优劣与发展趋势，旨在对提高规模储能的经济性研究提供有益的启发。

引言

规模储能电站一般设计容量较大，需要多个电池单体串并联以达到设计要求。以磷酸铁锂电池为例，单节工作电压范围通常约为2．8～4V，若每个电池单体为200Ah，额定电压3．2V，需要达到2．4MWh的容量，可以将252节电池单体串联成电池组，再并联15个电池组，则：3．2V×252节x200AhX15组=2．42MWh；直流侧电压806．4V。

在电芯批量生产过程中，由于原料及生产工艺的波动，电芯的容量、内阻、电压及自放电率均会有一定的偏差，同时在电芯使用过程中随着充放电循环次数增加及存储时间、温度等影响，电芯容量衰减也会出现不一致，导致在同一电池组内的电芯出现不一致。在规模储能中，电池组的不均衡性是影响电池组性能，降低电池组寿命的主要原因之一。

1规模储能常用概念

电池容量是指在一定条件下(放电倍率、温度、放电截止电压等)电池放出的电量，用字母c表示，单位为安时(Ah)。按照QB／T2502-2000《锂离子蓄电池总规范》，电池的额定容量为在环境温度为(20±5)℃时，以0．2C倍率放电至终止电压时的容量。

电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，欧姆电阻不随激励信号频率变化，在同一充放电周期内，欧姆电阻除温升影响外几乎不变。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。内阻是电池最为重要的特性参数之一，它是表征电池寿命以及电池运行状态的重要参数，是衡量电子和离子在电极内传输难易程度的主要标志。

电池的工作电压是指电池接通负载后，测得的正极与负极之间的电压。在放电时，电池的工作电压低于开路电压，这是由于两极极化和内阻存在的原因。在充电时，工作电压高于开路电压，而且随着充电的进行而上升，直到充满。

荷电状态SOC(stateofcharge)：电池剩余容量与额定容量的比值，常用百分数表示。

电池组的不一致性是指同一规格、同一型号的电池串或并联成组后，其电压、内阻、电荷量等参数存在一定的差别。根据不一致性对电池组性能的影响方式和对使用中不一致性扩大的原因，可以把电池的不一致性分为容量不一致、电阻不一致和电压不一致。

2影响电池一致性的因素及缓解措施

2．1影响电池一致性的因素

磷酸铁锂电池在成组应用时出现不一致性问题的产生原因是多方面的，主要源自于生产中工艺和材料的不一致，其次源于运行中环境的不一致。

一是生产时导致的不一致性，主要是指电池在生产过程中由于工艺上的问题以及材质的不均匀，造成电池之间在初始容量、直流内阻、自放电现象和充放电效率等性能方面存在差异。如锂电池电极极板的质量、厚度、面积、涂片厚度不完全相同；极组的焊接质量直接影响锂离子电池的欧姆电阻一致性；电池内杂质的多少决定着电池的自放电率的大小；电解液的质量、密度和注入量对电池容量影响很大等。

2．2运行中电池组不一致性扩大原因分析

在使用过程中，电池初始性能参数的差异在使用过程中形成累积并放大，主要表现在容量和内阻上。

(1)容量衰减速度不同，导致可用容量不同。

由于电池组中各单体电池吸收电流的能力不同，在充放电循环中，各单体电池的库仑效率不完全相同，导致电池的可用容量逐渐形成差异。当各单节电池间容量存在着一定差异时，容量小的电池最先被充满，而此时电池组充电过程并未结束，小容量电池由于过充，容量会继续减小。放电过程中，小容量的电池又会最先被放完电，由于电池组这时仍然在继续放电，小容量电池会过放，使得其容量进一步减小。这种不一致性经过多个充放电周期后会变得更加严重，甚至会对电池的循环寿命造成严重影响。

(2)电池内阻的不一致造成工作温度不同、放电深度不同。

对于串联的电池组串，放电过程电流大小相等，内阻大的电池，能量损失大，产生热量多，温度升高快，使化学反应速率加快，温度持续升高会造成电池变形或爆炸的严重后果。在充电过程中，内阻较大的电池单体分配到的充电电压较高，相比其他电池，会提前到达预设的充电截止电压，此时为防止该单体过充，能量管理系统会停止整组充电，多次循环后，不一致性扩大。

对于并联的电池组串，在放电过程中，放电电流大小与内阻成反比，因此放电电流不同，电池放出能量不同，使相同工作条件下的电池放电深度不同。

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