高飛，楊凱，惠東，李大賀

(中國電力科學(xué)研究院，北京市海淀區(qū)100192)

摘要：通過對儲能用磷酸鐵鋰電池不同放電深度(40％DOD~100％DOD)的循環(huán)測試，考察電池在此期間累積的轉(zhuǎn)移能量與電池老化程度之間的相關(guān)性。經(jīng)過對長期循環(huán)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，得出電池累積轉(zhuǎn)移能量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系符合BoxLucas模型；隨著放電深度的增加，電池老化現(xiàn)象對電池能量轉(zhuǎn)移能力的影響逐漸減小；通過計(jì)算電池即時(shí)容量衰退速度，認(rèn)為電池在循環(huán)使用中經(jīng)歷了前期逐漸自穩(wěn)定和后期加速老化的2個(gè)階段。電池容量衰退至85％之前，深充深放與淺充淺放的使用模式對于電池能量轉(zhuǎn)移能力的影響是相同的，當(dāng)電池容量衰退至75％時(shí)，深充深放的使用模式在電池能量轉(zhuǎn)移總量和能量效率上均優(yōu)于淺充淺放的使用模式。

0引言

近年來，隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)利用，尤其是風(fēng)電并網(wǎng)的發(fā)展[1-2]，用于改善間歇式電源運(yùn)行性能、增強(qiáng)電網(wǎng)對風(fēng)電接入能力的電池儲能系統(tǒng)的研究逐漸引起人們關(guān)注[3-7]。

在各種類型的儲能系統(tǒng)中，鋰離子電池儲能是目前技術(shù)相對成熟的一種儲能方式。以橄欖石型磷酸鐵鋰為活性物質(zhì)的鋰離子二次電池，具有較高的能量密度、較低的生產(chǎn)制造成本以及使用壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)[8-9]。在電動汽車產(chǎn)業(yè)的推動下，與磷酸鐵鋰電池有關(guān)的荷電狀態(tài)估算、電池集成技術(shù)、管理系統(tǒng)等方面更是進(jìn)行了廣泛、深入的研究工作[10-14]。然而，這些研究多數(shù)是在電動汽車使用環(huán)境、運(yùn)行工況和使用條件下進(jìn)行的，其研究成果和結(jié)論并不完全適用于以大規(guī)模能量輸入/輸出為特征的電網(wǎng)儲能系統(tǒng)。

Nair等人[3]綜合分析了多種儲能技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)可行性，并初步利用Simulink和Homer軟件搭建了電池儲能技術(shù)和成本評估平臺；Dogger等人[7]研究了恒倍率模式使用電池時(shí)電池的放電深度(depth of discharge，DOD)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，指出DOD降低有利于延長電池壽命并在壽命期限內(nèi)轉(zhuǎn)移更多的能量，但是并沒有給出具體的數(shù)據(jù)和分析來支撐他們的結(jié)論。

從電氣工程應(yīng)用角度而言，大功率、高容量的電池儲能系統(tǒng)應(yīng)具有較高的能量利用率，在電池達(dá)到使用壽命終點(diǎn)之前能夠最大限度的發(fā)揮出能量輸入/輸出的能力，在保證安全運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)能量效率的最大化；從電化學(xué)專業(yè)角度而言，鋰離子二次電池在循環(huán)使用過程中，由于活性鋰離子的損失、電極表面副反應(yīng)等原因會造成性能的緩慢衰退[15-17]，而性能衰退速度與使用條件密切相關(guān)，電池儲能系統(tǒng)應(yīng)在對電池活性物質(zhì)損害程度較輕的范圍內(nèi)合理使用才能保證系統(tǒng)具有較長的使用期限和較少的故障率。

應(yīng)用于電網(wǎng)儲能的磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，如何在保持對電池適宜的使用條件下實(shí)現(xiàn)能量利用最大化的目標(biāo)，這是一個(gè)需要認(rèn)真研究的課題。本文研究能量型磷酸鐵鋰電池在不同狀態(tài)下使用的累積能量轉(zhuǎn)移量以及容量衰退現(xiàn)象，分析性能變化與電池使用條件的相關(guān)性，揭示磷酸鐵鋰電池在電網(wǎng)應(yīng)用方面的儲能特性及具體規(guī)律。

1電池測試方案

儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)儲能應(yīng)用中，電池的荷電狀態(tài)會發(fā)生反復(fù)的波動，本文控制能量型磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)在不同的程度內(nèi)波動，即對電池的使用制度從淺充淺放模式逐漸過渡到全充全放模式，如表1所示，在這些使用條件下對電池進(jìn)行長期的循環(huán)壽命測試，分析能量型磷酸鐵鋰電池的儲能特性。

測試對象為國內(nèi)某廠家提供的同一批次軟包裝聚合物磷酸鐵鋰電池(標(biāo)稱電壓3.2V，標(biāo)稱容量15A·h)。測試儀器為新威多通道電池充放電測試儀(型號為CT-3008W-5V-50A-NTF)，在測試過程中儲能電池放置在20℃恒溫環(huán)境中，避免環(huán)境溫度的波動對電池測試結(jié)果的干擾。

電池測試制度包括循環(huán)測試和標(biāo)準(zhǔn)容量測試兩部分。循環(huán)測試的具體步驟為(以40％DOD循環(huán)為例)：1）用1C倍率電流對電池放電至0％SOC(2.0V)，靜置15min；2）用1C倍率電流對電池充電至100％SOC(3.6V)，然后用1C倍率電流對電池放電至到70％SOC，靜置30s；3）用1C倍率電流對電池放電到30％SOC，靜置15min；4）用1C倍率電流對電池充電到70％SOC，靜置15min；5）重復(fù)步驟3）、4）1000次后，用1C倍率電流對電池放電到0％SOC(2.0V)。

標(biāo)準(zhǔn)容量測試的具體步驟：1）用1C倍率電流對電池放電至0％SOC(2.0V)，靜置15min；2）用1C倍率電流對電池充電到100％SOC(3.6V)，靜置15min；3）用1C倍率電流對電池放電到0％SOC(2.0V)，靜置15min；4）重復(fù)步驟2）、3）3次，以最后一次的放電容量為電池的實(shí)際容量。

循環(huán)測試期間控制電池在表1對應(yīng)的SOC上下限范圍以內(nèi)，記錄每次循環(huán)的電池輸入能量、輸出能量，每隔1000次循環(huán)，對電池進(jìn)行容量標(biāo)定。

2電池能量分析

2.1累積轉(zhuǎn)移能量

圖1是磷酸鐵鋰電池在不同SOC范圍內(nèi)循環(huán)，當(dāng)容量損失達(dá)到25％時(shí)的累積轉(zhuǎn)移總能量，可以看到電池的累積轉(zhuǎn)移總能量與循環(huán)次數(shù)近似成線性規(guī)律增長，但是增長速度在逐漸變緩，這是因?yàn)殡姵乇倔w的性能衰退所導(dǎo)致的，主要表現(xiàn)為極化內(nèi)阻的增加、電池可逆容量的損失等。從圖1可以定性地看到，雖然放電深度降低，電池的使用壽命得到延長，但是在容量損失程度25％內(nèi)時(shí)，全充全放模式的使用模式要比淺充淺放的使用模式轉(zhuǎn)移的總能量要多，100％DOD比40％DOD多出64.8％的能量。

指前因數(shù)E隨著放電深度的增加單調(diào)遞增，可以認(rèn)為指前因數(shù)E反映了電池在對應(yīng)DOD下的極限累積轉(zhuǎn)移能量總額，即電池保持目前循環(huán)過程中的衰退速度不變且始終處于安全工作狀態(tài)的前提下電池可以轉(zhuǎn)移的最大能量值，它是一個(gè)理想值，可以用于定性地評估電池的能量轉(zhuǎn)移能力；結(jié)合電池工作原理和電極活性物質(zhì)的電化學(xué)反映機(jī)理，電池不可能達(dá)到這個(gè)理想值，因?yàn)殡姵卦谘h(huán)使用過程中，性能的衰退速度不是恒定的，在經(jīng)歷了緩慢穩(wěn)步地衰退期之后，會出現(xiàn)性能的急劇惡化，呈現(xiàn)加速老化的狀態(tài)，并且故障率明顯提高。

2.2電池容量損失與能量利用

電池能量轉(zhuǎn)移能力的限制來自兩方面：一是由于使用條件，如放電深度、環(huán)境溫度等，二是由于在使用過程中發(fā)生的性能衰退，如電池極化內(nèi)阻的增加、不可逆容量的損失等，這些造成了電池平臺電壓的偏離與充放電時(shí)間的縮短，最終弱化了電池的能量轉(zhuǎn)移能力。

從圖4可知，在容量衰退率達(dá)到25％之前，電池的即時(shí)容量衰退速度與循環(huán)次數(shù)成倒拋物線型關(guān)系，電池在循環(huán)過程中的容量衰退速度呈兩個(gè)階段，第一階段電池衰退速度逐漸降低，表明電池趨向于自穩(wěn)定的狀態(tài)；第二階段電池衰退速度逐漸提高，表明電池開始加速老化的階段。另外，從圖4中可以看出，DOD對于電池容量衰退速度的影響，從深充深放到淺充淺放模式，電池容量衰退速度是逐漸變化的，對于40％DOD的電池容量衰退情況與其他DOD完全不同，反映出電池在較窄SOC范圍內(nèi)波動時(shí)性能變化的特殊性。

將上述公式聯(lián)立，導(dǎo)出電池累積轉(zhuǎn)移能量與容量衰退的關(guān)系，如圖5所示，在電池容量衰退至85％之前，深充深放與淺充淺放的使用模式對于電池能量轉(zhuǎn)移能力的影響是相同的，當(dāng)電池容量衰退至85％~75％時(shí)，深充深放的使用模式在電池能量轉(zhuǎn)移上要優(yōu)于淺充淺放的使用模式。

3結(jié)論

通過對能量型磷酸鐵鋰電池在不同荷電狀態(tài)范圍內(nèi)長期循環(huán)測試的數(shù)據(jù)分析，得出電池累積轉(zhuǎn)移能量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系符合BoxLucas模型，電池老化現(xiàn)象對電池能量轉(zhuǎn)移能力的影響隨著放電深度的增加逐漸減小；電池在循環(huán)測試過程中經(jīng)歷了前期逐漸自穩(wěn)定和后期加速老化的兩個(gè)不同階段。在電池長期循環(huán)測試過程中的數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為深充深放的使用模式在電池能量轉(zhuǎn)移總量和能量效率上均優(yōu)于淺充淺放的使用模式。

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