新闻中心

储能系统中如何合理配置锂电池

2020.05.27

1. 总览

随着新能源行业的日益发展,储能在新能源行业中越来越举足轻重,储能电池也因此扮演着十分重要的角色,其主要功能是存储光伏发电系统中产生的电能,并在日照量不足,电网系统的调度以及一些应急状态下为负载供电,所以,储能电池及其相关器件就成了太阳能光伏发电系统中不可或缺的存储电能的重要组成部分。常用的储能电池有铅酸蓄电池,碱性蓄电池,锂电池,超级电容等,目前,市场占有量较大的为锂电池,而在储能系统中应用比较广泛的为磷酸铁锂电池。本文将专门对磷酸铁锂电池及其在储能系统中的应用展开介绍。


1.1 工作原理,基本结构及分类

锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。锂电池的优点为重量轻、储能容量大、功率大、无污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围广等。

锂电池现有的种类为:

  1. 磷酸铁锂(LFP)电池

  2. 三元锂电池(NCM/NCA)电池

  3. 钴酸锂(LCO)电池

  4. 其他锂电池,例如锰酸锂,钛酸锂电池等


微信图片_20200527155603.png

图1-三种电池的性能对比


比能量:又称能量密度。电池对外作功输出的电能为电量与电压之乘积,比能量为单位重量或单位体积电池对外输出的能量。单位为Wh.kg-1或Wh.L-1。

比功率:这是单位时间电池的比能量。比功率的大小表征电池能承受的工作电流的大小。功率较大,则可用较大的电流放电。

由以上参数我们可以看出,磷酸铁锂电池除了在能量密度低于钴酸锂电池和三元锂电池,其他性能指标都是明显占优的,所以就决定了磷酸铁锂电池在储能上还是占主导地位的。


1.2 主要名词释义

名词单位释义
安时Ah反应电池容量大小的指标。标称电压和标称安时数,是电池最基本也是最核心的概念,电量Wh=功率W*小时h=电压V*安时数Ah。
倍率C用来表示电池充放电电流大小的比率,充放电倍率=充放电电流/额定容量。表示放电快慢的一种量度,一般可以通过不同的放电电流来检测电池的容量。例如电池容量为100A·h的电池用15A放电时,其放电倍率即为0.15C。
DOD-Depth of Discharge(放电深度)%指在电池使用过程中,电池放出的容量与电池额定容量的百分比。同一电池,设置的DOD深度和电池循环寿命成反比。当提升某一方面的性能,就会牺牲其他方面的性能。
SOC-State of Charge(荷电状态)%

电池健康状态(包括容量、功率、内阻等),是电池从满充状态下以一定的倍率放电到截止电压所放出的容量与其所对应的标称容量的比值。简单来说,就是电池使用一段时间后性能参数与标称参数的比值,新出厂电池为100%,完全报废为0%,而根据IEEE标准,电池使用一段时间后,电池充满电时的容量低于额定容量的80%,电池就应该被更换。

SOC1.png

BMS(电池管理系统)


针对电池的状态监测、电池的均衡管理、电池的安全、数据的通信。

表1-名词释义


2. 如何为储能系统配置电池


2.1 ATESS 磷酸铁锂电池电芯主要技术参数

类别基本参数规格
标称参数标称电压(V)3.2
标称容量(Ah)100
结构参数尺寸W*H*D(mm)135*250*27
重量(kg)1.97±0.03
电气参数放电电压(V)2.5
充电电压(V)3.65
最大放电电流(A)100(1C)
额定放电电流(A)50(0.5C)
最大充电电流(A)100(1C)
额定充电电流(A)50(0.5C)
其他参数工作温度(℃)-25~55
通信接口CAN
循环次数(次)>6000(80%DOD)

表2-ATESS LFP电池参数


我们采用对电芯串并联的方式组成电池模组。

2.png

图2-ATESS电池模组


目前我们使用的模组配置为12S2P和24S1P,具体参数如下:

3.png

5.png

图3-ATESS电池模组技术参数


2.2 逆变器选型

根据ATESS产品配置电池:

型号

允许电池电压范围

HPS5-10KTLS / HPS7.5-10KTL

280V-700V (85V-500V for HPS5KTLS)

HPS30-150

352V-600V

PCS50-250

500V-820V

PCS500-630

600V-900V

表3-ATESS逆变器型号对应电池电压范围

以上所述为ATESS逆变器系列产品对电池电压的要求,我们在给客户选择了逆变器的型号之后,可在现有的两种模组(12S2P和24S1P)选择其一,再对模组进行串并联方式配置出满足客户要求的容量和适配相应机型的电压。另外,电池电压与光伏电压也是有联系的,我们不能只考虑电池电压与逆变器型号的适配,因为光伏是要给电池充电的,故MPPT电压肯定是不能比电池电压低的。

对于HPS5-10系列逆变器,此类机型光伏到电池的回路为BOOST回路,故在对光伏电压进行配置时可不考虑与电池电压之间的关系;

对于HPS30-150系列逆变器,此类机型光伏到电池的回路为BUCK回路,故在对光伏电压进行配置时需将MPPT电压配置在高于电池电压至少50V水平;

对于PCS系列逆变器,此类机型在配置光伏时需添加PBD250和PBD350,其中PBD250为BOOST回路,PBD350为BUCK回路,故对PBD250进行光伏电压配置时,光伏最大开路电压应小于电池最低电压,对PBD350进行光伏电压配置时,需将MPPT电压配置在高于电池电压至少50V水平。


2.3 配置电池容量

在实际运用中,ATESS考虑到每一位客户对电池容量的需求都是不同的,故可为客户量身定制最为适合客户的电池容量,ATESS现有的两种模组容量都为7.68kWh。假设客户现在需求的电池容量为ɑ,需求的电池模组数量为β=,然后我们再对模组数量β进行拆分串并即可。

在进行系统电池容量计算时,由于过程损耗的原因,电池放电量小于电池存电量,负载耗电量小于电池放电量。忽视效率损耗很可能造成电池供电不足的现象。

充电时,需考虑电池充电效率和直流线缆效率。

放电时,需考虑电池放电效率,逆变效率,负载端效率,直流线缆和交流线缆效率。

plug.png

图4-电池容量


2.4 确定电池安装方案

当客户买完电池之后,接下来的安装布置也是客户非常关注的一个问题,ATESS现有电池架,电池柜和集装箱三种方案供您选择。

微信截图_20200528160736.png

图5-电池安装方案


3. BMS电池管家

电池管理系统(Battery Management System, BMS)是由电子电路设备构成的实时监测系统,有效地监测电池电压、电池电流、电池簇绝缘状态、电池SOC、电池模组及单体状态(电压、电流、温度、SOC等),对电池簇充、放电过程进行安全管理,对可能出现的故障进行报警和应急保护处理,对电池模块及电池簇的运行进行安全和优化控制,保证电池安全、可靠、稳定的运行。

ATESS自主研发了带以下特性的BMS,可提高电池方案的可靠性:

  1. 可在线自动监测各单体电池电压、内阻、电池组组端电压、充放电电流和温度;

  2. 具有电池性能分析能力,及时判断蓄电池性能,给出综合分析告警信息;

  3. 集电池运行信息采集、容量诊断、充放电均衡管理、故障报警等功能于一体;

  4. 设计紧凑合理,高度集成,各单元间采用隔离技术、绝缘性能好,可靠性、安全性高;

  5. 实时采集每一节电池电压、温度,采样精度高;

  6. 对电池进行容量预估和均衡维护;

  7. 支持最大7路温度采集;

  8. 储能电池管理模块与储能系统管理单元之间采用CAN通信

  9. 逆变器与锂电池之间的高效通信

  10. 有效实用的BMS提高了电池的安全性,稳定性和使用寿命

 

ATESS经过多年的经验和付出,双管齐下,不仅在储能产品的可靠性,高效率,多样性上取得了客户的认同,同时也在LFP电池的性能上也取得了优异的成果。