储能电站电池电气性能测试方法综述

储能电站电池电气性能测试方法综述

近年来，电池能量技术已成为全球能源行业研究和创新的重点。IEC2010-2030白皮书中提出:电能存储技术将起到举足轻重的作用2018年7月江苏镇江101MW/202MWh电网侧分布式储能电站工程正式并网投运,成为世界规模最大的已建成电网侧电化学储能项目电池本体、BMS、PCS和监控系统是储能电站安全稳定运行的关键因素。在储能电站的实际运行中存在一些问题有待解决并制定标准:电池本体的散热问题、集装箱的热管理设计和电池容量的一致性等要求;BMS的温度测点配置、采集数据格式及通信规约和均衡能力等要求;监控系统的响应时间、存储数据及精度和存储时间等要求。当前电网侧储能项目尚处于起步阶段,在储能电站电池电气性能检测和评价方面缺乏相关经验和技术标准的指导,亟需完善储能电站的相关技术标准,明确储能电站运行要求,开展储能电池的电气性能测试和评价方法研究,切实提高电网侧储能电站的检测技术水平,促进电化学储能电站技术实际应用的规范化和有效性。本文整理了国内外已发布的储能电站电池标准,归纳了储能锂离子电池电气性能测试项目和标准适用范围,分析了实际储能锂电池测试工作中存在的问题,并进行了案例分析,可为电网侧电化学储能电站锂电池检测标准的制定提供参考。1国内外储能系统技术标准目前国内外储能电池的标准都处于起步阶段,IEC和IEEE均已开展相关标准研究工作,并有部分标准出炉我国的储能电池标准化工作亦处于起步阶段,已有部分国标、能标和企业标准发布。国家标准化管理委员会2017年发布了GB/T34131-2017《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》,2018年发布了GB/T36276-2018《电力储能用锂离子电池》。能源行业风电标准化技术委员会2011年发布了NB/T31016-2011《电池储能功率控制系统技术条件》。国家电网公司2010年发布了企标Q/GDW564-2010《储能系统接入配电网技术规定》和Q/GDW480-2010《分布式电源接入电网技术规定》,2013年发布了Q/GDW1884-2013《储能电池组及管理系统技术规范》。正在制定的中国电力企业联合会标准《电化学储能电站接入电网设计规范》(2019年完成),对接入配电网的储能电站在容量和功能配置、一次系统、监控系统等方面进行标准规定;《电力储能用梯次利用锂离子电池系统技术导则》(2019年完成),对储能用梯次利用电池系统的基本要求和测试方法进行标准规定。国内外已发布的锂离子电池测试标准如表1所示,针对储能电站电池的技术需求,标准规定了电力储能用锂电池的测试项目和测试方法、电池管理系统的功能和检测方法以及标准的适用范围。然而,随着储能产业的迅速发展,尤其是在电网侧开展大规模储能电站应用,在储能锂电池的一致性制造技术、电池成组技术、电池热管理技术、电池管理系统的监控及电池均衡技术、电池系统集成技术等方面均需开展深入研究,原有的标准化格局已不能满足标准化的新需求。另外,针对储能电池技术的研发应用,国内虽然已有一些地区性的规定,提供了一些发展计划和市场模式,但离整体产业的健康发展还有很大距离。当前在电网侧电化学储能电站电池的电气性能检测和评价方面尚无经验指导,亟需开展储能电站电池检测技术和检测方法的研究工作,进一步制定和完善电网侧储能电站电池相关技术标准,为电网侧电化学储能电站的大规模应用提供强有力的技术支撑。2储能电池测试方法根据已发布的国家标准GB/T36276-2018《电力储能用锂离子电池》和国网公司企标Q/GDW1884-2013《储能电池组及管理系统技术规范》,开展电网侧储能锂电池电气性能和电池管理系统的检测工作。国标GB/T36276-2018《电力储能用锂离子电池》规定了储能锂电池的各项电气性能指标限值和相应的测试方法,测试对象涵盖电池单体、电池模块和电池簇,测试项目包括电池单体/模块/电池簇常温充放电性能检测、电池单体/模块低温充放电性能检测、电池模块/电池簇内单体一致性检测、电池单体/模块/电池簇循环效率检测、电池管理系统荷电状态(SOC)估算精度和SOC的告警功能检测等。测试内容和评价指标如表2所示。国家电网公司发布的企标Q/GDW1884-2013《储能电池组及管理系统技术规范》,测试对象为锂离子储能电池组及电池管理系统,适用于接入国网公司35kV及以下电压等级电网的储能系统。储能电池的测试项目包括容量、循环性能、放电性能、荷电保持与容量恢复能力等。电池管理系统的功能和性能测试项目包括单体一致性、BMS状态参数测量误差、电池管理系统SOC的估算精度和SOC的告警功能检测等。表3所示为该企标规定的电池管理系统的测试项目和指标限值。3电池试验的问题和分析3.1电池单体容量和测试不同标准中对储能电池充放电试验的测试方法规定不同。国标GB/T36276-2018《电力储能用锂离子电池》规定电池充放电试验条件是基于恒功率的充放电模式。而企标Q/GDW1884-2013《储能电池组及管理系统技术规范》规定电池单体循环性能和放电性能试验均包括恒电流的充放电方式。在实际储能电池的充放电试验过程中,发现企标Q/GDW1884-2013存在以下问题:(1)标准中规定的单体电池容量值小于实际单体容量。标准规定单体电池容量为10Ah,比实际使用的电池单体容量偏小。例如某磷酸铁锂电池单体容量达到86Ah,目前各储能电池厂商也已在研发100Ah以上的单体电池。(2)标准规定了包括恒电流、恒功率和容量法的电池充放电试验方法,不同的试验项目对应不同的充放电试验方法。例如试验条件为按照1Q(3)标准中规定了SOC精度测试的方法,即通过典型工况下电池的充放电试验,记录电池SOC数值,和SOC真值进行比较,计算SOC精度。企标给出了四种电池系统典型放电工况,而实际电池测试中,需要兼顾电池和测试仪器的性能及安全因素,事实上电池仅能运行于某一种典型工况。在实际测试中发现储能电池的正常充放电电流通常不超过1C,某磷酸铁锂电池正常工作电流为0.5C,仅可以承受短时(约10s)的1C电流,大倍率电流使得电池内部铜排发热,造成温度过高,引发电池过热,若导致热失控,电池将有起火甚至爆炸的潜在风险。而企标规定的典型放电工况涵盖了1C、2C甚至4C的电流,电池厂商提供的高压控制盒亦无法承受该工况电流。同样,尽管国标和企标中规定了倍率充放电试验要求,但在实际的电池测试工作中无法开展倍率充放电试验,尤其是4倍额定功率条件的充放电试验,电池和配件都无法承受该试验。后期制定储能电池电气性能测试标准时,需考虑实际厂商提供的储能电池正常工作条件,结合电池实际运行特性,完善储能电池测试条件和各种典型运行工况的设置,完善合适倍率的充放电试验条件,确保电池检测工作的安全性和有效性。3.2电池充放电能量转换效率在实际的储能电池检测工作中,发现以下问题:(1)在电池模块/电池簇初始充放电能量试验中,当电池的额定充放电电流较大时,高压控制盒损耗(存在断路器等开关)和电缆损耗(与充放电电流的平方成正比)较大,可能导致电池的能量效率达不到93%的国标要求。以某磷酸铁锂电池为例,额定电流为172A,使用高压控制盒和一对较长的电缆进行试验时,测得电池模块的能量效率只有88%;不使用高压控制盒后该电池效率达到92%;再将较长电缆更换为较短的电缆并且不使用高压控制盒,同一电池测得的能量效率为94%。因此,我们采取隔离高压控制盒且采用较短电缆的接线方法,重新计算单模块的充放电能量转换效率,合理地评估单个电池模块的充放电能量效率。(2)标准缺乏电池温度测量的相关规定。在实际电池测试过程中,使用测温仪确定电池内的发热点,选择发热较多的点每隔半小时进行监测并记录温度数据,确保电池试验的安全性。(3)由于某型号的储能电池工况下的充放电倍率为0.5C,考虑电池和检测设备的安全性,该型号的储能电池目前不具备大倍率电流的测试条件,故不进行倍率充放电性能试验。3.3充放电次数测试电池测试需要大量时间。每个电池模块均需要进行单模块的充放电试验,根据国标要求,单模块试验需要重复2～3次的充放电,以3次试验的平均值作为最终结果。在电池容量测试中,需要重复进行容量测试过程,直至连续3次的放电量满足容量确认的条件。由于电池测试需要大量时间,测试工作可以根据测试需要,有针对性地合理安排实验计划,精心设计电池测试的接线方法,多线程开展电池检测任务,提高测试工作的时效性。4储能电池管理系统测试目前实验室开展的储能电池测试工作参考国标GB/T36276-2018《电力储能用锂离子电池》和国网公司企标Q/GDW1884-2013《储能电池组及管理系统技术规范》,考虑标准要求和委托单位电池运行状况,开展电池及电池管理系统的测试工作,掌握储能电池的运行性能指标。4.1电池模块与单模块的温度场特征以某磷酸铁锂电池为例进行测试,电池模块的额定容量为344Ah,内置8个电池单体。以常温单模块电池测试为例,实验过程中每隔0.5h对电池温度进行监测。图1为单模块电池测试实际接线图,图2为电池充电0.5h的热成像图,图3为电池放电结束时的热成像图。从图2和图3可以看出,最高温度点在电池母排处以及电池模块中心位置,最低温度点为机箱边缘。最高温度点温度从27.0℃上升至42.0℃,温升达到15.0℃。最低温度点从23.9℃上升至28.8℃,温升达到4.9℃。接着进行常温单模块循环实验,结果表明:3次单模块循环实验中,各测温点间最大温差的平均值为2.6℃。在三模块成簇常温充放电循环实验中,电池簇温度测试结果:3组电池模块的测温点间最大温差平均值为8.9℃,最高达到9℃。也即电池簇的测温点间温差远大于单模块常温充放电循环试验结果。因此在储能电池测试的全过程中,均需科学、合理地监测电池温度变化,确保电池测试的安全性。而在已发布的电池测试标准中,还未有储能电池温度相关规定。单体、电池模块以及电池簇内部温度变化的限值、温度测试点布局、温度测试方法等均有待进一步研究和规范。4.2电池单体电压企标《储能电池组及管理系统技术规范》规定了单体一致性要求:磷酸铁锂电池在恒流充电结束时,单体蓄电池间最大电压差不应超出200mV(小于24串的电池组)。在电池单模块低温充放电试验中,电池模块充电结束时单体电压极差为85mV。放电结束时电池单体1～单体8的电压分别为:2.714、2.771、2.765、2.6、2.76、2.792、2.835、2.793V。由此看出,放电结束时最大单体电压2.835V,最小单体电压2.6V,单体最大电压偏差235mV,超出国标限值要求。在三模块成簇常温充放电试验中,电池单体一致性结果为:电池簇充电结束时单体电压极差平均值135mV,满足国标单体一致性的限值要求;电池簇放电结束时的单体最大电压偏差达到223mV,超出国标限值要求。5储能电池标准化锂离子电池储能系统是当今各国能量存储技术研究的热点,国内外这方面的标准都处于起步阶段。本文首先梳理了储能电池的国内外标准研究现状,总结了各标准体系、适用范围及主要内容。然后针对国内已发布的储能电池电气性能测试的两个重要标准,从测试对象、评价指标和测试项目三方面梳理了