近日,中国国首页能源局发布了关于《新型储能项目管理规范(试行)(征求意见稿)》的意见公开征求。本次征求意见稿特别强调一点:原则上,在电池一致性管理技术取得关键突破、动力电池性能监测评价体系健全之前,不得新建大型动力电池梯次利用储能项目。

为什么草案中特别提到了电池一致性?
储能电池的不一致主要是指电池容量、内阻、温度等参数的不一致。我们的日常经验是,当两个干电池正负极连接时,手电筒会亮起,不会考虑一致性。然而,一旦电池在储能系统中大规模使用,情况就不那么简单了。当电池串并联使用不一致时,会出现以下问题:
1) 可用容量的损失
在储能系统中,电池芯(即电池单体)串联形成电池组,电池组串联形成电池组,多个电池组直接并联到同一个直流母线。由于电池不一致导致可用容量损失的原因包括串联不一致和并联不一致;
电池组系列不一致损失:
由于电池单元本身的差异和电池组之间的温度差异,每个电池组的 SOC(剩余电量)会有所不同。只要一个电池组已满/空,集群中的所有电池组都会停止充放电。
电池簇并联不一致损失:
电池组直接并联形成电池簇后,强制平衡每个电池簇的电压。当内阻较小的电池集群充满电或放电时,其他电池集群必须停止充放电,导致电池集群之间充放电不足。
此外,由于电池内阻小,即使不一致导致每个簇之间的电压差只有几伏,簇间的不均匀电流也会很大。如下表中某电站的实测数据所示,充电电流差达到75A(与理论平均值相比,偏差为42%)。偏差电流会导致某些电池组出现过充和过放;极大地影响了充放电效率、电池寿命,甚至导致严重的安全事故。
2) 储能系统的寿命会缩短
温度是影响储能寿命的最关键因素。当储能系统内部温度上升 15°C 时,储能寿命将缩短一半以上。锂离子电池在充放电过程中会产生大量热量。由于单节电池的内阻不一致,储能系统内部的温度分布会不均匀,电池老化和衰减率会增加,最终会缩短储能系统的寿命。
由此可见,储能系统中电池的温度不一致是影响储能系统性能的重要因素。会降低储能系统的可用容量,缩短储能系统的循环寿命,甚至造成安全隐患。
储能电池不一致怎么办?
电芯的不一致是在生产过程中形成的,并在使用过程中加深。同一个电池组中的电芯越弱,它们就越弱,而且它们会更快地变得更弱。然而,尽管没有完全一致的电芯,但可以将数字技术、电力电子技术和储能技术集成在一起,以最大限度地减少锂电池与电力电子技术可控性不一致的影响。针对上文分析的不一致所带来的问题,市面上一些厂商推出了具有能源精细化管理和分布式温控特点的组串储能系统,可用于治疗症状:
1) 精细化管理,提升可用容量
与传统的 PCS 管理 1000-2000 多个电芯相比,组串储能系统将电芯管理的精度提高到十几倍,高出约 100 倍。针对电池组之间的串联失配,采用优化器设计,实现每个电池组的单独充放电管理。当一个电池组达到设定的阈值时,电池组被旁路,其他电池组可以继续充放电而不会相互影响,最大限度地利用电池容量。
同时,每个电池集群都配备了智能集群控制器,避免了直接并联造成的电池不一致的影响,使每个集群的充放电电流都能得到精确控制,误差小于1%。这避免了并联时电团组之间的失配,真正实现了电池团组之间的独立充放电管理,消除了循环电流的产生,进一步提高了系统的容量和安全性。
2) 分布式温度控制,延长储能系统的使用寿命
传统的储能集装箱配备 1-2 台集中式空调,使用纵向风道进行散热。风管的长度约为 6 米至 12 米。由于散热通道较长,无法保证每个电池组和电池集群的温度一致性。串式储能采用集群级分布式散热,使用分布式空调代替集中式空调。每个电池组都可以独立均匀地散热。风道长度小于 1 米,大大提高了散热效率,避免了物理位置造成的温差。同时,电池组巧妙地采用树形仿生专利散热风道,调整每个电芯风道的长度和距离,使每个电芯通过的寒量尽可能一致,减少每个电芯每个电芯表面的温度不一致。
电池不一致是当前储能系统中许多问题的根本原因。但由于电池的化学特性和应用环境的影响,电池不一致难以根除。电力电子和数字技术的可控性大大削弱了系统对电池一致性的要求,可以大大增加储能系统的可用容量,提高系统安全性。