儲能用磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命的能量分析

1、儲能用磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命的能量分析通過對儲能用磷酸鐵鋰電池不同放電深度(40%DOD100DOD)勺循環(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)試驗的數(shù)據(jù)分析,得由電池累積轉(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)移水平的影響逐漸減??；通過計算電池即時容量衰退速度,認為電池在循環(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)移水平的影響是相同的,當電池容量衰退至75%時,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

2、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,尤其是風電并網(wǎng)的開展1-2,用于改善間歇式電源運行性能、增強電網(wǎng)對風電接入水平的電池儲能系統(tǒng)的研究逐漸引起人們關(guān)注3-7o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)制造本錢以及使用壽命長等諸多優(yōu)點8-9o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)、治理系統(tǒng)等方面更是進行了廣泛、深入的研究工作10-14O然而,這些研究多數(shù)是在電動汽車使用環(huán)境、運行工況和使用條件下進行的,具研究成果和結(jié)論并不完全適用于以大規(guī)模

3、能量輸入/輸由為特征的電網(wǎng)儲能系統(tǒng).Nair等人網(wǎng)綜合分析了多種儲能技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟可行性,并初步利用Simulink和Homer軟件搭建了電池儲能技術(shù)和本錢評估平臺；Dogger等人口研究了恒倍率模式使用電池時電池的放電深度(depthofdischarge,DOD后循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,指由DO瞬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,但是并沒有給由具體的數(shù)據(jù)和分析來支撐他們的結(jié)論.從電氣工程應用角度而言,大功率、高容量的電池儲能系統(tǒng)應具有較高的能量利用率,在電池到達使用壽命終點之前能夠最大限度的發(fā)揮由能量輸入/輸生的水平,在保證安全運行的前提下實現(xiàn)能量效率的最大化；從電化學專業(yè)角

4、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、電極外表副反響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現(xiàn)能量利用最大化的目標,這是一個需要認真研究的課題.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)儲能應用中,電池的荷電狀態(tài)會發(fā)生反

5、復的波動,本文限制能量型磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)stateofcharge,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.*1電池循環(huán)測試對應的放電深度Tub.1CorrespondingSOCranofDODDOI)%Therjngi'ulSCK：%TIkiLiiigcufStX.%407D-J0網(wǎng)如mGO4加mKKM>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稱電壓3.2V,標稱容量15Ah.測試儀器為新威多通道電池充放電測試儀型號為

6、CT-3008W-5V-50A-NTF,在測試過程中儲能電池放置在20c恒溫環(huán)境中,防止環(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)測試和標準容量測試兩局部.循環(huán)測試的具體步驟為(以40%DODf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)重復步驟3)、4)1000次后,用1C倍率電流對電池放電到0%SOC(2.0V

7、).標準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)重復步驟2)、3)3次,以最后一次的放電容量為電池的實際容量.循環(huán)測試期間限制電池在表1對應的SOC±下限范圍以內(nèi),記錄每次循環(huán)的電池輸入能量、輸由能量,每隔1000次循環(huán),對電池進行容量標定.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SOCE圍內(nèi)循環(huán),當容量損失到達25%時的累積轉(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

8、數(shù)近似成線性規(guī)律增長,但是增長速度在逐漸變緩,這是由于電池本體的性能衰退所導致的,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,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：匕40%DO四出64.8%的能量.累積轉(zhuǎn)移能量v工循環(huán)次數(shù)(WAVO、曲會壬籌黑藤圖1Fig.lATenergyvs>CvclenumberDMv通過對電池累積轉(zhuǎn)移能量與循環(huán)次數(shù)M)的數(shù)值分析,它們的關(guān)系符合BoxLucas模型：呼=隊(1-尸)(1)式中£>0,O<F<1,分析結(jié)果如表2所示.從公式(1)中可知,電池累積轉(zhuǎn)移能量與指前因數(shù)E成正比,同時£值是電池放電深度D0D的線性函數(shù),如圖2所示.表2擬合的函數(shù)參數(shù)值Tab.2Parametersoffittedlinear