纹波对锂电池性能的影响

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1、低频电流纹波对磷酸铁锂（LFP）电池储能系统影响在典型的单相蓄电池储能系统中，电池承受到两倍于电网频率的电流纹波。这样的纹波对电池性能和寿命的不利影响将促使修改连接电池和电网转换器的设计。本文介绍了在这种情况下电流纹波对温升的影响的实验研究结果，单体电压平衡，和磷酸铁锂（LFP）电池的循环性能。测试结果表明，电流纹波会使储能系统产生轻微但显著增加的热量。但是，这种增长并不足以证明对网格接口电路的任何改变都是合理的。、引言储能是实现未来电网理想的关键因素。与当前的配电系统相比，理想的未来电网将降低峰值需求，提高了可靠性和效率，提高系统利用率和负载率，和更广泛的分布式和可再生能 源的普及1。所有这

2、些功能都可以通过使用储能来实现，该原则为：当发电成本低廉且可 用时，储存过剩的能量，当发电成本更高或不可用时，释放存储的能量。通过在电网上分配 存储元件可以最有效地实现能量存储。分布式储能元件通常额定功率为2兆瓦或更低，并且可以在15分钟之间的时间内充电或放电 （用于频率调节）和6小时（用于变电站峰值降低）2。一个特殊的应用叫做社区能源存储（CES 3。在这个概念中，存储系统包括位于消费者附近的分布式存储单元组，但仍在电表的实用方面。这些单位仍由公用事业公司拥有和控 制。图1描述了这个愿景并解释了各个部分的关键功能。CES装置的额定功率通常在 25至100 kW之间，并存储足够的能量以在额定功

3、率下放电2至4小时以上。HV/MV substationCosl to gene?raTewith time of dafyiHub gmtli 股I 电占CES uniH Id reduce! utility operHi 为 cosltCES unirCES hubDiwibuteti SeneracionUml redL匚* cost to idility to deliver efechriciiy and prDi id&s, backupifilandl)Fug. IL The uonccpl of a djslnbiJliiOQ circuit with Coininiucuty

4、 Energ* Sk*（rae iCESi.MVfLV TriansformerCES unitCustomier loads在这种功率和能量水平上，能量存储的主要媒体之一是锂离子（Li-ion）电池。预计在电动车中使用锂离子电池模块会降低成本。锂离子电池本身不是一个单一的物种。有几种化学物质，对于每种化学物质，有不同的施工方法。流行的化学品之一，宣称更安全（因为热 失控的风险较低），是磷酸铁锂（LFP化学。目前在商业上生产这种电池的公司包括A123Systems, Dow Kokam, Exergonix, Saft， Samsung 和 LG Chem。事实上，两个由美国 DoE 赞助的大

5、型CES概念示范正是使用这种电池4，5。CES单元连接到配电变压器的低压侧（120/240 V）。在美国的大部分郊区，每5到10个房屋就有一个单相变压器。因此，CES单元连接到单相交流系统。在任何单相交流系统中， 瞬时功率不是恒定的，而是以线路频率的两倍脉动6，7。在CES装置中，这种脉动在充电或放电电流中出现在电池端子处作为二次谐波纹波。在美国，这种波动的频率接近1208。赫兹。即使设备仅向电网提供无功功率，直流电流中的纹波也会出现之前的一些研究 9和报道 10表明，这种低频率的电池电流波动会导致铅酸电池的加速 老化。其他的 11 则显示了相反的结果，即没有加速电池老化。在任何情况下，重要的

6、是要 确定这种涟漪对锂离子电池的影响，它可能被用于 CES系统。锂离子电池实际上可能表现出更细微的差别 12 。至少有一项之前的研究 13得出结论， 频率大于 10HZ 的纹波对电池的性 能影响不大。之前的研究都没有研究过低频波纹对实际应用场景中LFP电池组性能的影响。现在，ABB拥有围绕现有电力转换器平台构建的CES解决方案。我们研究的目标是查看是否需要为功率变换器选择替代拓扑结构以处理二次谐波纹波。本文介绍了在CES 应用中运行时，120Hz纹波对LFP电池短期性能影响的实验结果。第二节概述了 ABB对分布式能源存储市场的解决方案。第三节试图通过在单相CES系统中研究LFP电池的电气模型来

7、预测使用现有解决方案的后果。第四节描述了现有解决方案的可能替代方案， 以减少电池纹波电流。 第五节描述了我们的实验， 特别是我们如何获得数 据并对电池纹波电流的影响进行分析。 第六节解释实验结果。 最后， 第七节提出了本文的结 论。二、 ABB 的能源储存解决方案ABB的能源存储产品组合包括以下解决方案：?连接设备模块，从 25 kW到4 MW，不包括电池，但包括能量存储解决方案的所有其 他组件 - 逆变器，交流电和直流保护，变压器和外壳。?能量存储模块（ESM）解决方案14，从25千瓦到4兆瓦，这是封装解决方案，包括 所有组件；电池，BMS，交流和直流保护，变压器，逆变器和连接设备。 图2显

8、示了 1 MW， 250 kW解决方案的一个例子。图 3显示一个25 kW，50 kW解决方案的例子。?总承包解决方案，从 25 千瓦到 50 兆瓦，包括设备，安装和调试。作为能源存储模块组合的一部分，ABB拥有从25千瓦到100千瓦的CES解决方案。CE（社区能量存储） 是一个集成系统， 包括低压保护等动力设备以及自动化设备， 如转换器等完整 的隔离和隔离外壳。 这种独特的设计为设备以及操作员或人员提供了高度的安全性在内部故 障的情况下在它周围。关键部件是电池，转换器和开关设备;这在图 4中示出。六、实验结果A、温度图12和13显示了各种温度的变化。 在放电和充电过程中。 在绘制的四个温度中

9、， 三个 由BMS报告，第四个由室内温度计报告。虽然 BMS上报数据每5秒，温度数据绘制在 6分 钟间隔清晰。然而，室温数据平均分辨率约为20分钟。可以看到，BMS环境温度始终高于剩余温度，因为 BMS 中的成分产生额外的热量。然而值得注意的是，系统环境温度趋势是 与室内环境温度的趋势线， 从而证实了两套测量彼此。 在全纹波测试期间测量的细胞温度略 高于在低纹波测试期间测量的细胞温度。 但差别只是微不足道的。 我们对这些数据的多个循 环进行了量热分析， 以估计在全纹波测试期间电池单元中产生的额外热量。 这一分析的结果 见表II。与低波纹测试用例相比，电池中产生了约15%的额外热量。电池在 C/

10、2充电或放电时，电流脉动 200%。B.电池电压图 14 示出了在放电和充电过程中最小电池电压和最大电池电压之间的差异随时间的变化。再一次，BMS每隔5秒报告一次数据，但是该图以6分钟的间隔显示数据。 可以看到， BMS 的电池平衡动作在测试用例中几乎同样有效。在这两种情况下，在大部分充电或放电 期间，这种差异保持在约 20 mV。因此，看起来 BMS对于120hz纹波在电流中的存在是不 可知的。C往返效率：将电池从总容量的 80%到 15%所需的总能量除以总电池能量所需的总能量，从总容量的15%到 80%，以获得往返效率。表 III 显示了这种效率分析的结果。人们可以注意到，往返效 率的差值

11、大约在1到2%之间。然而，当人们认为如果 BMS不考虑120 Hz纹波时，电荷状 态估计可以很容易地被类似的百分比扰乱，这是一个相对较小的数。在其充电状态计算中， 与这些测试中的情况一样。七、结论用于单相蓄电池储能系统的最常用的电网接口电路拓扑是具有交流LCL 滤波器和直流电容器的 H 桥变换器。根据直流电容器的大小，电池受到一定数量的电流纹波，其频率是 电网频率的两倍。我们对磷酸铁锂试验（LFP国际电池电池显示低频率（120 Hz）叠加纹波对充电或放电电流产生轻微但明显的细胞的温度差。 这是由于在电池内由于额外的电流纹 波而产生的热量增加， 但是这如何影响电池在其寿命中的性能只能通过长期测试来确定。细胞电压平衡的差异较小。 循环效率的差异也似乎不太明显。 然而， 循环效率计算具有相当高 的误差裕度， 因为它们使用由电池管理系统报告的充电状态数据， 其依赖于电荷计数而无需 对电流纹波进行任何滤波。 低频电流纹波对电池性能的影响对于不同的电池化学可能是不同 的。因此， 必须对其他化学电池进行类似的测试， 以研究它们的性能特征。 鉴于目前可用的 数据，没有足够强大的理由使用与现有解决方案 不同 的分布式接口电路拓扑。