储能锂电池容量测试技术研究

储能锂电池容量测试技术研究

石世前1，2，陈豪2，白恺2，李智2，黄仙1，董文琦3

(1．华北电力大学，北京102206;2．华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045;

3．国网新源张家口风光储示范电站有限责任公司，河北张家口075000)

摘要：储能系统能有效改善间歇式电源可控性，提高其并网应用能力，而锂离子电池由于其比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等众多特点，在大规模储能应用中占据重要地位。锂电池容量测试对储能系统的运行维护及能量管理有指导意义。文章分析了电池容量及其影响因素，介绍了容量测试标准，最后提出了一种现场的储能锂电池容量测试方法。

关键词：锂电池;储能单元;容量测试

中图分类号：TM912文献标识码：A文章编号：1003-9171（2013）05-0006-03

Ｒesearch on Capacity Test of Energy Storage Lithium Battery Shi Shi-qian1，2，Chen Hao2，Bai Kai2，Li Zhi2，Huang Xian1，Dong Wen-qi3

（1．North China Electric Power University，Beijing102206，China；

2．North China Electric PowerＲesearch Institute Co．Ltd．，Beijing100045，China；

3．Zhangjiakou Wind and Solar Power Energy Demonstration Station Co．Ltd．，Zhangjiakou075000，China）

Abstract：Energy storage system can effectively improve the intermittent power sources controllability and network application ability．Lithium-ion batteries have a number of features such as high specific energy，long cycle life，low self-discharge，no memory effect，no pollution，etc．Because of its many features，Lithium-ion battery occupies an im-portant position in the large-scale energy storage applications．Lithium battery capacity test has guiding significance for the energy storage system operation maintenance and energy management．The battery capacity and factors which influence it are analyzed in this paper．And then the capacity testing standards are introduced．At last，a test method of on-site energy storage lithium battery capacity is concluded．

Key words：lithium battery；energy storage unit；capacity test

0引言

大规模储能技术可以有效改善间歇式电源可控性，提高其并网应用能力，国外已经相继开展多项示范工程［1－3］。其中，锂离子电池由于其比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等众多特点，在大规模储能应用中占据重要地位。在国内，南方电网公司开展了MW 级电池储能系统示范项目，建成了深圳宝清储能电站，并接入深圳碧岭变电站［4］；国家电网公司在张家口建设国家风光储输示范工程，其中储能电站已安装63MWh锂电池储能系统，并正式投入运行［5］。

储能电站由若干储能单元组成，为了对储能单元的能量进行管理，要研究规模储能的现场性能测试技术，为安全可靠运行提供保障，其中最重要的工作是电池容量测试。

首先，容量是电池寿命的直接体现，可以反映电池衰减程度；其次，容量是对电池进行维护的重要依据，直接指导现场维护工作；最后，容量是现场运行的重要参数，为运行人员提供决策依据。因此，针对储能单元的容量测试具有重要意义［6］。

目前国内容量测试研究成果多集中于小电流、低电压的单个小容量电池单体，国内外电池规范、标准多针对电动汽车，而对于储能锂电池组串，由于电压高、电流大、容量大，且储能锂电

*国家科技支撑计划课题（2011BAA07B04）

池有各种不同的串并联方式，使得充放电电压、电流变化范围大，不能照搬单体电池或电动汽车电池方法，需要提出专门针对储能电池的容量测试方法，同时国内各储能电池生产厂家提供的容量测试方法千差万别，所以有必要对大规模储能锂电池容量测试进行研究。

1电池容量

电池的容量是指在一定的放电条件下可以从蓄电池中获得的电量［7］。

按照QB/T2502—2000《锂离子蓄电池总规范》［8］，电池的额定容量为在环境温度为（20?5）?时，以0．2C倍率放电至终止电压时的容量。

实际运行中，容量通常以安培·小时数（Ah）或者瓦特·小时数（Wh）表示。Ah容量是国内外标准中通用容量表示方法，延续电动汽车电池中概念，表示一定电流下电池的放电能力，多用于电动汽车电池；Wh容量则多用于储能电池系统，表示一定功率下电池的出力能力，可以更好的与电网衔接，便于现场控制与测量。

储能电池的容量可以划分为电池单体容量、电池组串容量以及储能单元容量。单体容量可以反映单个电池寿命，理论研究多关注于此。电池组串是由几百上千单体串联而成，组串容量反应整个电池组充放电能力，与每个单体容量相关，但不是简单的累加，受到一致性以及均衡技术的影响。一个储能单元由若干电池组串并联而成，其容量是各电池组串容量的累加。实际测试中分别测量各组串容量，累加结果为储能单元容量。文章研究的对象为储能单元中各组串容量。

2容量影响因素

锂电池的实际容量是一个多变量、复杂、非线性的未知参数，其随放电率、温度、终止电压、使用时间、循环次数等因素的变化而变化［9－12］。为了使容量测试结果更准确且对不同电池的测试结果具有可比性，有必要研究影响容量的因素。

（1）放电率的影响

在锂电池活性物质总量不变的情况下，放电容量与放电电流有直接的关系。因此讨论电池容量时，必须说明放电率。

研究表明，其他条件一定时，电池容量随放电电流增大而降低。其原因主要为两个方面：其一，活性物质随电流的增大沿厚度方向的作用深度降低，进而活性物质被利用的程度降低，电池给出的容量变小；其二，由于电池极化和内阻的存在，电流的增大使电池内部电压降增大，导致电池端电压下降，进而使电池容量降低。

（2）温度的影响

锂电池的容量随温度的升高而增加。温度的升高使电解液活性增强，锂离子运动受到的阻力减小，扩散能量增强，使活性物质利用率提高，进而使锂电池实际容量增大。

因此，在锂电池各测试标准常常规定一个温度作为额定容量的标准温度，如ISO12405—2中规定室温25?为标准温度。

（3）终止电压的影响

放电时规定的终止电压对可放出容量也有影响。通常，电池放电至某电压值之后，电压急剧下降，规定此电压值为放电终止电压。如果继续放电，会对电池的使用寿命有不良的影响。

而终止电压与放电率有关，大电流放电时规定较高的终止电压，反之规定较低的终止电压，从而导致对计算放电时间产生影响，进而影响锂电池的实际容量。

3容量测试标准

制定储能和动力电池标准的主要国际组织有ISO［13－14］、IEC［15］以及欧盟标准化组织（CEN）、欧洲电工委员会（CENNELEC）、美国电气和电子工程师协会（IEEE）、美国机动车工程师协会（SAE）等标准化机构。

各标准中容量测试方法虽然有很多不同点，但是基本步骤是相同的，基本步骤如下：

（1）预处理。正式测试开始前，蓄电池包或系统需要先进行预处理循环，以确保测试时蓄电池包和系统的性能处于激活和稳定的状态。预处理一般要经过多次的充电→静置→放电→静置循环处理，在室温下进行。

（2）标准循环。标准循环在指定的测试步骤进行，以确保蓄电池包和系统在测试时处于相同的状态。标准循环在室温下进行，按照先后顺序包括一个标准放电过程和标准充电过程。如果标准循环和一个新的测试之间时间间隔长于某一时间，则需要重新进行一次标准循环。

（3）室温下不同倍率的容量测试。此过程

每个倍率下的容量测试都要经历热平衡→标准充电→标准循环→指定倍率下标准恒流放电→标准充电的过程，以放电电流和时间的乘积作为室温下指定倍率的容量。表1为ISO12405—1：2012中室温容量测试步骤。

表1室温容量测试步骤

序号步骤温度

1．1热平衡室温

1．2标准充电室温

1．3标准循环室温

2．1C/3放电室温

2．2标准充电室温

2．31C放电室温

2．4标准充电室温

2．52C放电室温

2．6标准充电室温

2．7最大电流放电室温

2．8标准充电室温

3．1标准循环室温

（4）高温下不同倍率的容量测试。标准中指定一个温度值作为高温值，在此温度下完成容量测试。测试方法与室温下相同，不同倍率转换过程需要插入一个常温热平衡及标准循环过程。表2为ISO12405—1：2012高温容量测试步骤。

表2高温容量测试步骤

序号步骤温度

1．1热平衡室温

1．2标准充电室温

1．3标准循环室温

2．1热平衡40?

2．2标准充电40?

2．3C/3放电40?

3．1热平衡室温

3．2标准充电室温

3．3标准循环室温

4．1热平衡40?

4．2标准充电40?

4．31C放电40?

5．1热平衡室温

5．2标准充电室温

5．3标准循环室温

6．1热平衡40?

6．2标准充电40?

6．32C放电40?

7．1热平衡室温

序号步骤温度

7．2标准充电室温

7．3标准循环室温

8．1热平衡40?

8．2标准充电40?

8．3最大电流放电40?

（5）低温下不同倍率的容量测试。各标准中指定一个或几个温度值作为低温值。测试方法与高温下相同。其中，不同温度间的转换需要插入一个常温下热平衡及标准循环过程。

4现场容量测试方法

华北电力科学研究院结合电池单体和电动汽车容量测试的标准，同时根据现场的实际需求，形成了自己的容量测试方法，测量储能电池组串的放电容量和充电容量，单位为kWh，具体方法如下：

放电试验：在电池组串满容量或SOC为100%条件下，以额定功率下放电至10%额定容量，然后以20%额定功率放电至电池单体下限截止电压，计算此时放出的电能为储能电池组串的放电容量。

充电试验：在电池组串放空或SOC为0%条件下，以额定功率下充电至90%额定容量，然后以20%额定功率充电至电池单体上限截止电压，计算此时充入的电能为储能电池组串的充电容量。

其他准备及充放电转换的过程按照QC/ T743—2006［16］进行。

此试验方法在控制上易于操作，现场条件容易满足，测试结果易于计算，对现场试验有较大指导意义。

5结语

容量测试工作是检测电池性能的最有效的手段之一，在日常维护及试验工作中有着非常重要的意义。通过对国内外测试标准的研究，并结合现场实际需求，我们总结出一种实用的储能电池组串容量现场测试方法，目前该容量测试方法已用于现场，具体试验细节有待在日后的容量测试中加以完善。该容量测试方法的提出，不但对储能电池的现场维护工作有实际指导作用，同时对于储能电站的安全高效运行也具有重要意义。

（下转第31页）

性的依据。在工程实践中，至少以下两种常见情况要置品质位。

（1）当装置检修压板投入时，所有上送节点中信号的品质q的Test位应置位。

（2）当遥测值大于最大值或最小值时，遥测应置品质位，提示后台为非正常值。

3．4模板的统一性问题

各个厂家都存在装置型号众多，但同一厂家中不同型号装置的很多保护功能是完全重复的。这就要求厂家必须保证各类型装置ICD文件的模板DataTypeTemplates的一致性。这样既规范了本厂家的模型文件，而且也减少了配合其他厂家调试时的问题。

4总结

本文结合大量文献资料与工程经验，对IEC 61850规约以及基于IEC61850的装置建模过程进行了介绍和预想方案。目前IEC61850体系在电力系统的变电站内已是标准配置，其重要性毋庸置疑。作为国家电网公司大力推广的新型清洁能源的典范———电动汽车充换电站，广集电力系统自动化的技术优势为一体，IEC61850体系必然会成为站内自动化系统的首选并得到广泛的应用。

参考文献

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［2］IEC61850-7-1，变电站通信网络与系统第7-1部分：变电站和馈线设备的基本通信结构-原理和模型［S］．［3］IEC61850-7-4，变电站通信网络与系统第7-4部分：变电站和馈线设备的基本通信结构-兼容逻辑节点类和数据类［S］．

［4］IEC61851-1，电动车辆传导充电系统–1部分：常规要求．

［5］Q/GDW400—2009，电动汽车充放电计费装置技术规范．

［6］Q/GDW Z423—2010，电动汽车充电设施典型设计．［7］辛耀中，王永福，任雁铭．中国IEC61850研发及互操作试验情况综述［J］．电力系统自动化，2007，31（12）：1－6．［8］张结．IEC61850的结构化模型分析［J］．电力系统自动化，2004，28（18）：90-93．

收稿日期：2013-01-29

作者简介：朱冉（1983—），男，江苏泰州人，汉族，工程师，研究方向为电力系统自动化。

(本文编辑季佳彬

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)

（上接第8页）

参考文献

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［14］ISO12405-2：Electrically propelled road vehicles-Test specification for lithium-ion traction battery packs and sys-tems-Part2：High energy applications，2011．

［15］IEC62660-1：Electrically propelled road vehicles-Test specification for lithium－ion traction battery packs and sys-tems-Part1：High power applications，2011．

［16］QC/T743—2006，电动汽车用锂离子蓄电池［S］．

收稿日期：2013-04-16

作者简介：石世前（1988—），男，硕士研究生，研究方向为新能源及其相关技术，主要从事储能系统性能评估及运行优化的研究工作。

(本文编辑杜秋平)