储能系统用锂离子电池及其管理系统

机 械 储 能 电 磁 储 能
铅酸电池
kW~50MW
5kW~100MW
分钟~小时
1~20小时 数小时 分钟~小时
电 化 学 储 能
液流电池
钠硫电池 锂电池
100kW-100MW kW－MW
电能质量、备用电源、调峰 填谷、能量管理、可再生储 能、EPS
电能质量、备用电源、UPS
储能系统
锂离子电池储能是目前转换效率最高的储能方式；
• SOH估算方法
– 在线估算 – 在线测试 – 离线测试
锂离子电池管理系统
• SOF估算——最大允许充放电电流
– – – – 低温运行 高温运行 高SOC运行 低SOC运行
锂离子电池管理系统
• 储能系统用电池管理系统架构
输出接口 监控调度系统 CAN1 CAN2 严重报警信号（触点） PCS
严重报警信号（触点）
• 压缩空气储能
• 优点 • 储能量大 • 且储存高压空气的时间长可
达一年
• 难点 • 找到合适的能储存压缩空气
的场所难
• 应用领域： • 调峰填谷 • 平稳大规模可再生发电
储能系统
• 铅酸电池储能
• 优点 • 响应速度快：ms级； • 可以根据应用需要，实现kW～
50MW规模； • 缺点 • 循环寿命短 • 倍率充放电特性差 • 且温度对其使用寿命和运行特性 亦有影响 • 需要定期对电池维护
– 电磁储能
• 超导储能 • 超级电容储能
储能系统
• 抽水储能
• 优点 • 技术上成熟可靠 • 其容量可以做得很大，仅受
到水库库容的限制。 • 缺点 • 建造受到地理条件的限制 • 在抽水和发电两个过程中都 有能量损失。
• 应用领域 • 调峰填谷 • 系统调频 • 大规模风场电存储和调度。
储能系统
3.44
5.09
锂离子电池简介
• 锂离子电池的性能
–电池容量利用率对电池循环次数的影响
• 锂离子电池的成组问题
–串联电池组的一致性问题
自放电等增加
锂离子电池简介
P+
上限电压
可用容量
Reduced Restored Runtime Runtime
下限电压
P-
• 锂离子电池的成组问题
–并联电池组的一致性问题——均流
应
电能质量
配电侧
削峰填谷 无功支撑 电能质量 可靠供电
用户侧
电能质量 可靠供电 电压支撑
用 范 围 广 ， 贯 穿 发 输 变 配 用 电
储能系统
• 储能的手段有哪些？
–电化学储能
• • • • • • 铅酸电池 液流电池 钠硫电池 镍氢电池 镍镉电池 锂离子电池
– 物理储能
• 抽水储能 • 压缩空气储能 • 飞轮储能
• 锂离子电池储能
• 优点 • 锂是自然界里最轻的金属元
• • • •
素，比重仅及水的一半，同 时它又具有最低的电负性， 电极电位是-3.045V。所以选 择适当的正极与其相匹配， 可以获得较高的电动势和高 的比能量。 。 其储能密度：100-300Wh/L; 循环寿命：2000~5000次 (80％DOD)； 转换效率：90-98%; 响应速度：ms级；
正极，导致内部短路 低 效，需要严格控制单只电池电压 过低
高 温 充 放 （1）电池内部电解液分解，产生大量热，并 电池温度超高
电池温度场管理和极限温度控制
电
低温
析出氧气Leabharlann Baidu
（1）充电时电池负极嵌入锂离子能力下降， 电池温度低充电 致使锂以原子态沉积在电池负极表面，导致 内短路 电池0度以下严禁充电，0-10度降 电流充电
铅酸90%；液流电池75%；钠硫电池85%
锂离子电池已经形成规模的产业链
动力电池需求带动中国锂离子产业 液流电池和钠硫电池目前还是少数几家垄断技术局面
锂离子电池性能具有巨大提高的空间
循环寿命、动态响应能力、倍率特性、成组规模均不断提高 新型锂离子电池研究技术储备较强
锂离子电池成本具有巨大下降空间
中国锂资源丰富； 锂离子电池材料和成品制造过程不高耗能，也不借助于贵重金属 属于环保类产品
锂离子电池简介
• 锂离子电池的工作原理 • 锂离子电池的安全性
锂离子电池简介
• 锂离子电池的类型
–钴酸锂 –锰酸锂 –三元 –磷酸铁锂 –钛酸锂
• 能量密度
–钴酸锂>三元>锰酸锂>磷酸铁锂>钛酸锂
锂离子电池管理系统
• 电池管理系统接口
– 主板接口
• • • • • • • 供电电源：10-30VDC 功耗：<10W 每个主板配置电流检测通道1个 每个主板配置绝缘检测通道1个 每个主板配置CAN总线3路 每个主板配置开关量输出3路（额定容量1A） 每个主板配置RS232接口1路
锂离子电池管理系统
锂离子电池管理系统
• 储能系统
配电系统
CAN总线
CAN总线
PCS-1(250kW)
监控调度PC机
以太网
2MW监控 主机服务器
故障报警触发干节点
DC/DC1-1 （25kW）
DC/DC1-2 （25kW）
DC/DC1-3 （25kW）
DC/DC1-4 （25kW）
DC/DC1-5 （25kW）
DC/DC1-6 （25kW）
电安全
为了达到一定的电压等级，电池大量串联， 电池与地或机壳之间 检测动力电池与地或机壳之间的 对操作人员的人身安全构成威胁 出现绝缘下降 绝缘电阻是否达标
锂离子电池管理系统
• 锂离子电池高性能管理——3S管理
– 荷电状态：SOC – 健康状态：SOH – 功能状态：SOF
锂离子电池管理系统
• SOC估算
• 电池管理系统可提供的参数
– – – – – – – – – – – 电池管理系统自检信息 单体电池电压 电池温度 电池组端电压 电池组工作电流 电池组绝缘状态 最高/低单体电池电压及位置 最高/低温度及位置 电池SOC 电池组容量 电池的最大允许充放电电流
– 电池故障报警 – 电池过压1/2级报警 – 电池欠压1/2级报警 – 电池过温1/2级报警 – 电池低温1/2级报警 – 电池SOC过高1/2级报警 – 电池SOC过低1/2级报警 – 电池绝缘电阻低1/2级报 警 – 电池一致性差1/2级报警 – 维护请求 – 电池编组号码
储能系统
• 性能对比
储能类型 典型额定功率 100 ~ 2000MW 10 ~ 300MW 5kW ~ 10 MW 10kW~50MW 1~10MW 10kW~1MW 额定能量 4~10小时 1~ 20小时 1秒~30分 2秒~5分 1~10秒 1~30秒 特点 适于大规模，技术成熟。响应慢 ，需要地理资源 适于大规模。响应慢，需要地理 资源 比功率较大。成本高、噪音大 响应快，比功率高 成本高、维护困难 响应快，比功率高 比能量太低 响应快，比功率高。成本高、储 能量低 技术成熟，成本低 寿命短，环保问题 寿命长，可深放，适于组合，效 率高，环保性好。但储能密度稍 低 比能量与比功率较高。高温条件 、运行安全问题有待改进 比能量高。成组寿命、安全问题 有待改进 应用场合 日负荷调节，频率控制和系 统备用 调峰、调频，系统备用，风 电储备 调峰、频率控制、UPS和电 能质量 输配电稳定、抑制振荡 输电系统稳定、电能质量控 制 可应用于定制电力以及 FACTS 电能质量、电站备用、黑启 动 电能质量、备用电源、调峰 填谷、能量管理、可再生储 能、EPS 抽水储能 压缩空气 飞轮储能 超导储能 高能电容 超级电容
• 应用领域 • 备用电源 • 调频控制 • UPS • 电能质量
储能系统
• NAS电池储能
• 优点 • 储能密度高：1000Wh/L • 可高功率放电：10C • 循环寿命高，4500次（90％DOD） • 转换效率：80－90％； • 缺点 • 需工作温度在300-350℃ • 电池工作时需要一定的加热保温 • 需要设置防爆和防腐安全保护 • 应用领域 • 负荷调峰 • UPS • 可再生储能 • 电能质量
锂离子电池简介
• 锂离子电池的性能
–充电上限电压与电池充电容量及循环寿命的关系
锂离子电池简介
• 锂离子电池的性能
–高温对电池寿命的影响
锂离子电池简介
• 锂离子电池的性能
–充电电流对充电时间及电池性能的影响
0.3C充电/0.3C放电 1C充电/1C放电
充电时间（分钟）
192
65
300次循环后容量下降（%）
• 液流电池储能
储能系统
• 优点 • 循环寿命长（10000次以上）； • 可100％深度放电，可倍率充放； • 系统设计的灵活性大且受场地限制小； • 电池系统环保、安全； • 缺点 • 储能密度不高 • 需要辅助液泵。 • 应用领域 • 负荷调峰 • UPS • 可再生储能 • 电能质量；
储能系统
Unit Delay SOC(k) + + Qmax / UOCV =f(SOC)|SOC=0 + UO(k) Qavi SOC =f(UOCV) UOCV =f(SOC) + +
x
i(k)
∫i(k)dt
锂离子电池管理系统
• SOH表征参数
– 内阻增加 – 容量下降——对储能系统而言很关键 – 倍率下降
锂离子电池简介
锂离子电池管理系统
• 锂离子电池的安全性管理
滥用项目
过充电
基本机理
表现形式
解决方案
（1）电池电压超高导致电解液氧化;（2）正 过充电单只电池电压 基于电池组端电压的控制模式失 极锂离子大量拖出导致电池内部结构损坏 高 效，需要严格控制单只电池电压 过高
过放电
（1）电压超低，负极铜基板溶解，嵌入电池 过放电单只电池电压 基于电池组端电压的控制模式失
电 池 系 统
电流检测
BCU CAN总线 BMU1 BMU2
…… ……
BMU N
总电压检测
电 温风 压 度机 线 线线
电温风 压度机 线线线
电温风 压度机 线线线 手持设备(RS232)
电 流 +
电 流 -
分流器
电池组电池组1 电池组2
……
电池组N
电池组+
锂离子电池管理系统
• 电池管理系统接口
– 从板接口
储能系统用锂离子电池 及其管理系统
报告内容
• 储能技术
• 锂离子电池简介 • 锂离子电池管理系统
储能系统
• 为什么要储能？
–削峰填谷 –改善电能质量 –辅助可再生能源并网
储能系统
• 为什么要储能？
容 量 范 围 大 ， 从 几 十 千 瓦 到 几 百
发电侧 输电侧
系统稳定 无功支撑 负荷均衡 可靠供电 频率控制 旋转备用 负荷均衡 出力优化
• • • • • • • • • 供电电源：10-30VDC 功耗：<5W+风机功率 每个从板配置电压检测通道30个 每个从板配置温度传感器通道6个 每个从板配置风机驱动接口1个（额定容量1A） 每个从板配置对外CAN通讯接口1路 每个从板配置RS232接口1路 单体电池均衡控制 通过从板串联可满足超过30串电池组的检测
360Ah*135S
360Ah*135S
360Ah*135S
360Ah*135S
谢谢！
• 安全性
–钴酸锂<三元<锰酸锂<磷酸铁锂<钛酸锂
• 循环性能
–钴酸锂<锰酸锂<三元<磷酸铁锂<钛酸锂
锂离子电池简介
• 锂离子电池的工作原理
–充放电原理 –过充电原理 –过放电原理 –高温运行原理 –低温运行原理 –过电流原理 –长期搁置原理
锂离子电池简介
• 锂离子电池的特性表征参数
–电压 –容量 –内阻 – SOC –倍率 –寿命 –工作温度
DC/DC1-7 （25kW）
DC/DC1-8 （25kW）
DC/DC1-9 （25kW） 故障报 警触发 干节点
DC/DC1-10 （25kW） 故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
故障报 警触发 干节点
电池及管理系统
电池及管理系统
电池及管理系统
电池及管理系统
电池及管理系统
电池及管理系统
电池及管理系统
电池及管理系统
电池及管理系统
360Ah*135S
360Ah*135S
360Ah*135S
电池及管理系统
360Ah*135S
360Ah*135S
360Ah*135S