浅谈蓄电池及其电池管理系统

摘要：当前，智能微网已经成为世界研究课题，而储能问题仍然是制约智能微网发展 的瓶颈。

本文完成了“云电科技园智能微网示范工程及实验测试平台建设研究”，在昆 明云电科技园248kWh磷酸铁锂蓄电池储能系统基础上，展开蓄电池在智能微网中 的应用研究，为储能系统在智能微网系统中进一步的应用提供理论依据与实际应用技术。

首先对各类型蓄电池性能进行对比分析，确定云电科技园储能电池的类型，储 能堆的容量配置及其选址，同时确定电池管理系统与逆变系统的配置方案：其次完 成云电科技园248kWh磷酸铁锂电池堆储能系统的安装、调试、运行，解决了系统 运行中出现的问题，确定了电池管理系统中的参数门限值，解释了系统运行中出现 的现象，解释了电池电压跳变现象，提出了“电池虚压”的概念：再次对其逆变系 统应用EMTDC电力仿真软件进行了仿真验证，利用便携式电力试验录波分析仪对 电池阵列进行了短时测试，验证了实际输出波形，同时对其进行了谐波分析，通过 构建云电科技园智能微网系统，利用BP神经网络进行了光伏发电量的预测，组建 了预测平台，通过四方公司CSGC一3000通用软件平台开发出高级微网应用程序， 即制定出智能微网的控制策略，锂电池堆的控制方案以及锂电池堆与超级电容器组 复合储能的控制方案，并对其控制效果进行研究分析；最后针对云南电网储能系统 运行工况，对锂电池与超级电容器进行恒流、恒功率充放电测试，并对锂电池堆削 峰填谷作用进行研究，并完成锂电池堆性能的测试。

关键词：智能微网：磷酸铁锂电池储能系统：控制策略；削峰填

1蓄电池

1.1蓄电池的工作原理

蓄电池依据电化学反应原理，即蓄电池与外电路负载连通，负极柱上产生的电 子经过外电路的负载流向正极柱，使正极柱的电位降低，从而破坏原来的平衡状态，发生电化学反应15 21。电池放电时，将化学能转化为电能给负载供电；充电时将电能转化为化学能储藏起来。

1.2蓄电池的性能

(1)       容量

单体锂电池容量是以充电后提供的电量来计的，额定容量就是规定的蓄电 池在一定条件下应该能放出的限度电量，用安时(Ah)来表示，目前市面上常见的容量有40Ah、100Ah、180Ah、200Ah等。 

(2)       内阻

反应中电池内部会形成固液界相膜，构成内部阻抗，并且该阻抗随着时间与电 1产北IU力人学坝’I：q-住论文 流的变化而改变1531。蓄电池的内阻越大自身消耗的能量就越多，所以使用效率就越低。

(3)       循环寿命

蒂电池在正常满足工况的情况下可经历的循环充放电次数就是蓄电池的循环 寿命。循环寿命与充放电倍率息息相关，一般情况下，充电倍率越大，循环寿命就 越短。目前蓄电池容罱衰减到一个行业规定值时就可以判定该蓄电池寿命终结。

(4)       荷电保持能力

蓄电池的荷电保持能力是指蓄电池在开路状态下存储的电最，在一定环境下保 持不变的能力。和其相对应的是蓄电池的自放电率，而目前蒂电池出厂时所做的测 试是以月自放电率来测试蓄电池性能的好坏。

(5)       安全性能

如今的蓄电池都应用在很多重要部f-j，例如电力，通信和军事部门，所以保证 蓄电池安全使用是首要前提。目前，蓄电池在出厂前都做好了安全的设计，例如防 止温度异常升高超过规定临界值时不起火、不冒烟、不爆炸：应能够释放电池内部 过高的压力；同时电池内部配置了限流装置，以保证安全使用蓄电池。

其中，蓄电池的容量与循环寿命是衡量蓄电池性能优劣的主要指标。一般说 来，大电流放电，会使蓄电池的循环寿命缩短，而放电深度越大，寿命也会越短； 蓄电池的容量很大程度上考察的是在一定倍率放电条件下真正放出的容量，可把这 一容量值定义为“校正容量”，在实际工程中，校正容量才是工程中所需要考察的容量值。

1.4蓄电池的对比分析

由于蓄电池种类很多，而一些蓄电池还在研发阶段，没有商品化，所以这里只 列出市场上常用蓄电池。各种蓄电池的性能对比如表1．1所示。

表1.1 各种蓄电池性能对比

 由表1．1可以看出，铅酸蓄电池能量密度低，循环寿命短，虽然由于其技术成 熟，一直在电力系统储能中占据地位，但囚其缺点，目前没有新增应用工程；镍镉 电池性能比铅酸蓄电池好一些，但是由于自身强烈的“记忆效应”，并且存在镉污 染问题，不具有在电力系统中推J。。使用的潜力；镍氢电池与镍镉电池相近，有轻微 的“记忆效应”，单体电压也不高：钠硫电池具有高的能量密度，循环寿命很长， 目前在日美等国有了大量的实际应用工程，但是由于其储能技术被日本企业垄断， 价格昂贵，所以在我国电力系统储能应用中很难推JI．；锂离子电池单体电压高，使 用安全，能量密度也较大，循环寿命已经达到了一定水平，在电力系统储能应用中 有很好的前景。

2锂离子电池

锂离子电池可以看做是锂离子浓差电池，电池充电时，正极产生Li+经过电解 液嵌入负极晶格中：放电时，Li+从负极炭层中脱出并嵌入正极，而电子则通过外电 路到达正极并与Li+复合。所以由于Li+在正负极之间往返脱嵌的原理，可以形象地 称其为“摇椅电池’’    2.1锂离子电池的优缺点

锂离子电池具有能量密度大，综合循环效率高，循环寿命长和工作电压高等优 点16引，但是在常温下，它的离子导电率相对比较低，不过适合于在温度较高环境中 使用，耐高温，同时锂离子电池低温性能差，另外，锂离子电池对其充电的倍率、 温度及电压大小都有很严格的要求，其保护控制电路如果制作的不严谨的话很容易 导致电池损伤，甚至报废。此外，在电化学特性方面锂离子电池具有不一致性， 这会导致其放电容量、循环寿命、电压及其内阻等存在差异，所以在锂离子电池使 用的过程中，单体电池的一致性问题会直接影响到电池组的使用寿命。

2.2锂离子电池的分类及其特性对比

迄今为止，市面上出现的锂离子电池主要包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷 酸铁锂电池等，钴酸锂是最早问世的锂离子电池，其理论容量密度高达280mAh／g，单体电压大，电化学性能也较先前出现的电池稳定，但是由于资源短缺，其价格昂贵，同时材料中包括钴元素，致使电池有毒；锰酸锂则资源丰富，价格便宜，同时又无毒，但是其容量密度较低，才有150mAh／g，在高温工作环境下其容量的衰 减较快，造成的循环寿命较短；三元材料的容量密度可达l 70mAh／g以上，价格较钴酸锂要便宜的多，但是这种电池材料难于合成，难于控制，所以产品的性能就不是很稳定：而新近出现的磷酸铁锂电池则具有很长的循环寿命，在室温工作 条件下，lC充放电可以循环2000次，另外其由于原材料的优势，绿色环保并且在 结构上稳定，保证了其安全性比较高，容量密度也在170mAh／g左右，成本低廉，但是磷酸铁锂电池的振实密度较小，所以体积较其它电池要大，由于材料自身的问 题，锂离子扩散速度较慢，其导电性能也略差，又由于是新近出现的，所以生产技 术上存在一定问题，致使磷酸铁锂电池的一致性要差一些性能对比如表2—2所示。

表2-2 4不同锂离子电池的性能对比。

目前，磷酸铁锂电池的导电性差，这个制约其发展的问题已经解决，就是添加碳或者加入其它导电剂，但是振实密度的问题还是较难解决，阻碍了该电池的使用 范围，所以目前磷酸铁锂电池主要作为动力电池来应用。

2．3电池管理系统 前文提到的锂离子电池对充放电过程要求严格，其缺点还导致电池成组后单体 间容量、内阻和电压存在不一致的现象，故从单体到模块再到阵列，其能量密度和 功率密度性能都有衰减，另外即使锂离子电池内部有保护电路，也需要正规的管 理系统对电池进行管理，所以在工程应用中为了保障电池阵列最大限度地发挥其性 能，实现其容量和能量利用的效率，研究人员提出了电池管理系统(BMS)。

2.3.1电池管理系统的定义 电池管理系统是根据储能电池阵列特点来设计的应用系统，针对使用锂离子电 池为储能单元的储能电池阵列，完成电池阵列的状态数据采集、监控、报警和保护 等功能1801。如图2．2功能图所示。

图2．2 BMS系统功能图

在实际工程系统中，电池管理系统(BMS)由电池组管理单元(BMU)构成低层部分，再由电池组管理系统(BCMS)对每个BMU进行管理，最终由电池阵 列管理系统(BAMS)轮辖管理系统中每个BCMS。三部分共同构成电池管理系统。

2.3.2电池管理系统的作用 电池管理系统主要包括以下几部分功能f8I．84】：

(1)       具有精确采集电池电流、电压和温度参数，同时进行监控，即显示电池组 工作状态，最终以实时数据和历史数据提供给运行人员。

(2)       在采集正确状态参数的前提下，应用一定的内部算法预测电池的电量状态， 即对电池阵列、电池组和单体电池进行荷电状态(SOC)的估计。

(3)       具有参数设定和权限管理功能，即包括远程设定和本地设定。

(4)       具有电量均衡功能，即可实现单体电池间的电量均衡，可以提供无源被动 均衡或有源主动均衡。

(5)       具有事件记录功能，即包括报警事件，保护事件，同时与后台监控系统通 信，把电池的状态传告给逆变器(PCS)，以便于逆变器更准确地控制电池充放电状 态及充放电功率大小。

电池管理系统的功能是针对于锂离子电池成组而言的，可以更好地发挥电池阵 列的储能功效，同时更好地保护电池阵列，保证电池阵列的使用寿命。

3安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

3.1概述

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

3.2适用场合

3.2.1系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

3.2.2工商业储能四大应用场景

1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；

2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；

3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；

4）新型应用场景：工商业储能进行探索融合发展新场景，已出现在数据中心、5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

3.3系统结构

3.4系统功能

3.4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的最大、最小电压、温度值及所对应的位置。

风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

3.4.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

3.4.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

3.4.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

3.4.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

3.4.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

3.4.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、最大值、最小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

3.4.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

3.4.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

3.4.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

3.4.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

3.4.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

3.4.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

3.4.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

3.4.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故qian10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

图29事故追忆

3.5系统硬件配置清单

4总结 

本文介绍了蓄电池的工作原理及分类，在介绍蓄电池性能的基础上对比分析了同蓄电池的性能。另外，分析了锂离子蓄电池的优缺点，对不同正极材料的锂离子蓄电池进行了性能对比，阐明了新近出现的磷酸铁锉电池的优缺点。最后，简单介绍了电池管理系统的组成及其作用。