摘要：如今，锂离子电池在各个领域中得到了广泛的应用，为了更好的发挥锂离子电池的优势，就需要对储能系统进行设计，并在此基础上提出充电管理策略，这样不仅能够提高其充电效率，还可以保证其长期稳定运行，延长其使用寿命。
关键词：锂离子电池；储能系统设计；充电管理策略
与其类型的电池进行对比可以发现，锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、无记忆效应、无污染等优势，已经开始在电动工具、便携式电子产品、电动汽车、航空航天等领域得到非常广泛的应用。通常情况下，锂离子电池数量庞大，而且所具备的储能系统比较复杂，限制了其使用效果，此时就需要采取有效措施来将复杂结构简单化，并对锂离子电池储能系统进行有效的设计，同时做好充电管理工作，这样不仅可以提高锂离子电池本身的性能，还可以更好的延长锂离子电池的使用寿命。
1.锂离子电池储能系统的设计
通常情况下，单体电池的电流、电压、容量等存在一定的局限性，无法更好的满足时代发展需求，此时就需要对其进行改进和优化。而锂离子电池储能系统是由多个单体电池构成，每一个单体电池都是先并联后串联、先串联后并联或两者结合的方式进行连接，从而组成一个大的电池网络系统。在锂离子电池储能系统中，要均衡管理所有电池，但是其管理难度比较大，而且整个系统的安全性与可靠性较差，无法确保系统的安全、高效运行。对于上述问题，可以根据管理学所提出的“分而治之”理念，提出了分层次、分组、自治的方法来进行锂离子电池储能系统的设计，其主要是将大量电池按照一定的规则分成许多独立的小组，这样不仅可以对电池进行高效精确管控和均衡管理，而且还可以提高电池的更换和维护效率，有效演唱电池的使用寿命。此外，由于电池小组处于独立自治的状态，每个小组之间互不影响，进而提高了储能系统运行的可靠性。
在进行锂离子电池储能系统设计时，要遵循如下原则：（1）每个基层电池小组中所办含的锂离子电池单体最好是同型号的，并且出厂检验具有较好一致性；（2）可以把锂离子电池储能系统划分为机柜层、系统层和模组层，其中机柜能够集成更大的机柜集，这样一来机柜层包含了若干小层次，此时就要做好锂离子电池储能系统的科学、合理设计，以期更好的发挥系统效果。结合上述设计思想和原则，可以把多个锂离子单体电池以串并联方式接合成一个电池模组，而且每一个电池模组都可以作为独立功能单元与1台双向DC-DC进行连接，从而实现充放电功能，同时该双向DC-DC还具备启停、电压与电流设定、升降压切换等远程控制功能。同时，可以把一定数量的电池模组连接在一起组成储能机柜，通过控制开关来实现与直流母线的有效连接。一系列的储能机柜结合在一起就能够组合成储能系统。
通常情况下，在锂离子电池储能系统中，可以借助双向DC-DC变换器来保证锂离子电池组稳压输出，而且并网变换器和电池储能系统是分割开来进行控制的，为了提高其操作效率，可以借助上位机有效控制电池储能系统和并网变换器，通过对电网用电状态的有效检测，上位机就可以掌握并网变换器和储能系统的工作状态；如果电网负荷比较小时，要求储能设备要把多余的能量储存起来，并保证电池储能系统处于充电储能状态，并网变流器处于整流状态，此时双向变换器处于Buck 模式。反之，如果电网负荷比较大时，储能设备需要向电网释能，这样一来就使电池储能系统处于放电释能状态，并网变流器处于逆变状态，双向变换器处于Boost 电路模式。
在进行锂离子电池储能系统设计阶段，锂离子电池组最低放电电压为400V，最高充电电压为550V，直流母线电压为700V，并选择先恒流后恒压的充电模式，恒功率的放电模式。在进行电池组充放电过程中，双向DC-DC变换器将会对应Buck和Boost两种电路模式，下面将会对其进行分析。
锂离子电池充电时，双向DC-DC变换器将会处于Buck电路模式，这样可以把并网变换器等效为一个理想电源vde
图1 描述的是充电模式等效电路图。
图1 充电模式等效电路
处于Buck工作模式下的双向DC-DC变换器电路如图2所示。当电路图中的S1导通时，通过并网变换器可以实现电网电能的有效整流，并通过电感L后能够完成对锂离子电池组的充电；当电路图中的S2关断时，在电感L中存储的能量将会通过D2传输给锂离子电池组，从而达到充电的目的。
图2 Buck电路工作模式
锂离子电池放电时，双向DC-DC变换器将会处于Boost电路模式，这样可以把并网变换器等效一个恒定电阻R。图3描述的是放电模式等效电路图。
图3 放电模式等效电路
处于Boost电路模式下的双向DC-DC变换器电路如图4所示。当电路图中的S1导通时，锂电子电池组可以将储存能量通过S2储能电感L中，直流母线通过电容C可以完成给负载供能；当电路图中的S2关断时，在L中存储的能量将会通过D1实现续流，滤波电容C和储能电感L能够共同为负载R供能。
图4 Boost电路工作模式
2.锂离子电池储能系统充电管理策略
2.1锂离子电池充电性能分析
通常情况下，在不同的电流体系下，锂离子电池也会产生不同的充电效率，且充放电深度和充电电流会影响锂离子电池的寿命，此时就需要对充放电深度和充电电流大小进行科学、合理的设置，这样不仅可以提高锂离子电池的安全高效性，而且还可以延长锂离子电池的使用寿命。
2.1.1充放电深度的选取
对锂离子电池而言，过充电和过放电都会对其性能和使用寿命产生比较大的影响。在使用锂离子电池时，要尽可能避免对电池进行低电压和过充的深度放电。为了使锂离子电池的使用寿命得到有效延长，则需要把锂离子电池的放电深度控制在合理的范围内，由于电池的放电深度与荷电状态之和为1，则需要将放电深度范围选取SOC的范围。
2.1.2充电电流特性
对于锂离子电池而言，其充电接受能力一般是指对电池造成伤害较小或不造成伤害时电池可以承受的最大充电电流。实验研究发现，在不对其它影响因素考虑的同时，锂离子电池可能承受的最大充电电流将会随着s（s指SOC的实时取值）的增大而不断降低，其所对应的函数为M=Y（s）属于减函数。实际上，锂离子电池所充的电量不能完全储存在锂离子电池储能系统中，耗损是不可避免的，此时可以把锂离子放电时流出的电量与充电时流入的电量比值称之为充电效率。
2.2储能系统充电管理策略
通常情况下，锂离子电池储能系统中有n个储能机柜，并且每一个机柜中都包含了m个电池模组。由于单个机柜中电池模组能量管理与储能机柜的能量管理类似，只是他们的层次不同而已。本文将会以每个机柜中m个电池模组为例来对其充电管理策略进行分析，在该电池管理策略中，假如每一个电池模组中单体电池处于均衡状态，同时电池在常温工作环境下工作。为了避免电池模组出现过放和过充的现象，则需要把电池模组的SOC工作范围控制在l-h（0＜l＜h＜1）范围内，如果s≤l时，严禁该模块放电；如果s≥h时，严禁该模块充电。
如图5所示，当某储能机柜所具有的充电电流为I时，此时第i个电池模组可以分配到的充电电流Ii通过DC-DC变换变成了Ii’同时，直流母线端电压为U，分配到第i个电池模组的电压为Ui’此时DC-DC的效率为ηDC。
结合锂离子电池储能系统的基本特点来制定一套系统、完善的充电管理策略，具体从以下几个方面进行：（1）借助与锂离子电池储能
系统相配套的监控设备来对系统的相关参数进行收集和整理，并借助有效的方法来对储能机柜第i个电池模组所具有的si进行实时的估算；（2）根据SOC值si来确定该电池模组能够承受最大充电电流Mi（i=1，2，3，…m）；（3）如果I>M，则可以判定该机柜的能量过大，此时需要将该问题及时反馈给充电管理系统，并制定有效的措施来对其进行科学、合理的控制，从而有效提高锂离子电池储能系统的充电效率。
图5 单个储能机柜充电示意图
2.3充电管理策略的评价
在锂离子电池充电系统中，该充电管理策略能够将储能系统中可以承受的最大充电电流传输给上级监控系统，这样可以为上级电网能量进行有效的调度，以确保电能可以在储、用、发装置间进行科学、合理的调度，有效提高锂离子电池储能系统的安全、可靠运行。
在锂离子电池储能系统中，该充电管理策略可以有效避免锂离子电池出现过电流充电现象，从而有效延长其使用寿命。同时，还可以根据上级所提出的电流要求，来对储能系统中各模组电流的大小和参与充电的电池模组进行科学、合理的调整与安排，有效提高储能系统对电能的利用效率。此外，通过对SOC工作范围进行有效设定，能够避免锂离子电池出现过充电现象，进而提高锂离子电池的性能和使用寿命。
3.结束语
总之，锂离子电池储能系统一般是由多个单体锂离子电池构成，要想更好的提高锂离子电池储能系统的运行效率，就需要结合实际情况做好系统的设计工作，并合理控制SOC的范围和电流的大小，从而使储能系统的使用寿命得到有效延长。
参考文献：
[1]李彩红，虞跨海，徐红玉.大容量锂离子电池储能系统散热研究[J].电子元件与材料，2016，4（11）：118-119.
论文作者:杨惠坤
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/18
标签：锂离子电池论文; 储能论文; 变换器论文; 系统论文; 电池论文; 模组论文; 机柜论文; 《电力设备》2018年第17期论文;