- 頭條鋰離子電池組能量利用率估計的新方法，誤差在1%以內2021-11-12 作者：趙偉 閔婕 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語鋰離子電池的不一致性導致電池組的容量和壽命等指標顯著小于電池單體，且該問題在梯次利用的應用場景下更為嚴重。電池組老化后，電池組內電池不一致性參數之間并非相互獨立，而是相互耦合，因此造成電池組一致性建模困難，降低了電池組的能量利用率的估計精度。廣東電網有限責任公司電力科學研究院、深圳市欣旺達綜合能源服務有限公司等單位的研究人員趙偉、閔婕 等，針對梯次利用電池篩選成組和成組后的狀態評估，在2021年第9期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于Copula理論的電池組一致性建模方法，同時實現了電池參數分布特性和參數間相關性的準確刻畫。基于電池組一致性模型，提出一種電池組能量利用率估計方法，并進行實驗驗證，估計誤差在1%以內。最后分析電池組能量利用率的影響因素，以指導電池組的優化成組和使用。
由于鋰離子電池具有能量密度高、效率高和使用壽命長等優點，近年來已被廣泛地應用于電動汽車和儲能系統當中。隨著電動汽車數量的增長，未來將有大量的鋰離子電池從電動汽車上退役，退役電池的出路逐漸成為全行業乃至全社會關注的重點。
鋰離子電池從電動汽車上退役后，仍然具有70%～80%的容量。若能將退役電池應用于梯次利用應用場景之中，不僅可以延長電池的使用年限，發揮出電池的剩余價值，增加鋰離子電池全生命周期的經濟效益；也可以大大減緩電池回收階段的壓力，帶來巨大的社會效益。因此，近年來國家相繼出臺了多項保障政策，以推進動力電池梯次利用的發展，梯次利用動力電池規模化工程應用于儲能系統中成為技術趨勢之一。
由于鋰離子電池單體電壓和功率等級的限制，在實際使用中需要將其大量串并聯成組以滿足功率和能量的需求。電池單體出廠時一致性往往較好，但在電池組實際使用中，由于電池組溫度場分布不均勻、電池單體在電池組中所處的位置不同等因素，導致電池組老化過程中電池單體的一致性參數，如容量、內阻和荷電狀態（State of Charge, SOC）等快速發散，使得電池在梯次利用場景下，其一致性不及新電池。
而電池的不一致直接影響電池組的使用效率，降低電池組的經濟效益。因此，亟需研究梯次利用電池組的能量利用率計算方法，以指導梯次利用電池使用前的篩選成組和成組后的電池組狀態評估。
電池組能量利用率的主要影響因素是電池的一致性。在實際應用中，測量每一個電池單體的參數將耗費大量人力物力，使得梯次利用電池不再具備成本上的優勢。通過適當的抽樣方法測量少部分電池樣本，可以獲得電池參數的統計特性，因此學者多研究基于概率統計的電池一致性建模。
當前，針對電池組一致性的相關研究主要集中于兩方面：
一方面研究電池單體參數的統計特性。
- S. F. Schuster等通過將老化的電池組和新三元電池組進行對比，發現電池容量和內阻在新電池狀態下呈現正態分布，但在電池組老化過程中，正態分布逐漸轉變為Weibull分布。
- 王震坡等對不一致性的發展規律進行了研究，提出電壓的不一致性分布遵循正態分布并給出了正態分布參數的計算方法。
- 魏五星等]分析了110節串聯電池電壓的一致性，認為開路電壓和極化電壓都服從正態分布。程功 等對兩輛電動公交車電壓的數據進行了長期跟蹤，發現電池的開路電壓（Open Circuit Voltage, OCV）服從正態分布，但隨著車輛的使用，正態分布的標準差不斷增大。
在電池組老化的過程中，電池參數不僅呈現一定的統計規律，參數間也同時呈現出一定的相關性，因此另一方面研究關注于電池參數間的耦合機制。
- Zheng Yuejiu等研究了電池容量衰退不一致與電池SOC不一致之間的關系，研究結果表明，鋰離子在負極上的損失是電池間產生SOC差異的主要因素。
- Yang Fangfang等研究了庫侖效率與電池容量衰退之間的關系，庫倫效率較低的電池不僅具有更快的容量衰退速率，也同時加大了電池間SOC的不一致。但是，當涉及電池一致性多參數聯合建模時，現有的一致性刻畫的方法中，多認為電池參數間相互獨立或服從聯合分布，并沒有同時考慮參數的統計特性和參數間的相關性。
因此，針對梯次利用鋰離子電池組一致性較差進而導致能量利用率降低這一問題，廣東電網有限責任公司電力科學研究院、深圳市欣旺達綜合能源服務有限公司等單位的研究人員提出了一種基于Copula理論的電池組一致性建模方法，基于該一致性模型，提出了電池組能量利用率的估計方法。
- 首先，針對一致性參數的特點，采用Copula函數來描述變量間的相關性，介紹了Copula參數估計方法和電池組一致性模型抽樣方法。
- 其次，基于電池組一致性模型和蒙特卡洛模擬的思想，提出了電池組能量利用率計算方法。根據電池組和電池單體的相關測試結果，對所提出的方法進行了精度驗證，結果表明估計誤差在1%以內。
- 最后，定量地分析了蒙特卡洛模擬次數、電池串聯數、放電電流倍率和電池參數一致性對電池組能量利用率的影響。
結果表明，當蒙特卡洛模擬次數達到2 500后，隨機模擬帶來的能量利用率估計誤差可降低至0.1%以內；隨著電池串聯數的增多，電池組能量利用率逐漸降低，但下降的速率逐漸減慢，最終能量利用率趨于穩定；隨著放電電流倍率的增加，電池組能量利用率呈現出近似線性下降的規律，并沒有能量利用率迅速下降的拐點出現。
針對研究中所測試的電池組，SOC的不一致是電池組低能量利用率的主要影響因素，消除SOC和容量的不一致，電池組能量利用率可分別提高約25%和5%，而消除電池內阻的不一致幾乎不會提高電池組的能量利用率。
他們所提出的基于一致性模型的電池組能量利用率估計方法和相關影響因素分析，將為梯次利用鋰離子電池組的優化成組與使用提供有效指導。
本文編自2021年第9期《電工技術學報》，論文標題為“基于一致性模型的梯次利用鋰離子電池組能量利用率估計方法”，作者為趙偉、閔婕 等。
