2020.05.27
1. 總覽
隨著新能源行業的日益發展，儲能在新能源行業中越來越舉足輕重，儲能電池也因此扮演著十分重要的角色，其主要功能是存儲光伏發電系統中產生的電能，并在日照量不足，電網系統的調度以及一些應急狀態下為負載供電，所以，儲能電池及其相關器件就成了太陽能光伏發電系統中不可或缺的存儲電能的重要組成部分。常用的儲能電池有鉛酸蓄電池，堿性蓄電池，鋰電池，超級電容等，目前，市場占有量較大的為鋰電池，而在儲能系統中應用比較廣泛的為磷酸鐵鋰電池。本文將專門對磷酸鐵鋰電池及其在儲能系統中的應用展開介紹。
1.1 工作原理，基本結構及分類
鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。鋰電池的優點為重量輕、儲能容量大、功率大、無污染、壽命長、自放電系數小、溫度適應范圍廣等。
鋰電池現有的種類為：
磷酸鐵鋰（LFP）電池
三元鋰電池（NCM/NCA）電池
鈷酸鋰（LCO）電池
其他鋰電池，例如錳酸鋰，鈦酸鋰電池等
圖1-三種電池的性能對比
比能量:又稱能量密度。電池對外作功輸出的電能為電量與電壓之乘積，比能量為單位重量或單位體積電池對外輸出的能量。單位為Wh.kg-1或Wh.L-1。
比功率:這是單位時間電池的比能量。比功率的大小表征電池能承受的工作電流的大小。功率較大，則可用較大的電流放電。
由以上參數我們可以看出，磷酸鐵鋰電池除了在能量密度低于鈷酸鋰電池和三元鋰電池，其他性能指標都是明顯占優的，所以就決定了磷酸鐵鋰電池在儲能上還是占主導地位的。
1.2 主要名詞釋義
| 名詞 | 單位 | 釋義 |
| 安時 | Ah | 反應電池容量大小的指標。標稱電壓和標稱安時數，是電池最基本也是最核心的概念，電量Wh=功率W*小時h=電壓V*安時數Ah。 |
| 倍率 | C | 用來表示電池充放電電流大小的比率，充放電倍率=充放電電流/額定容量。表示放電快慢的一種量度，一般可以通過不同的放電電流來檢測電池的容量。例如電池容量為100A·h的電池用15A放電時，其放電倍率即為0.15C。 |
| DOD-Depth of Discharge（放電深度） | % | 指在電池使用過程中，電池放出的容量與電池額定容量的百分比。同一電池，設置的DOD深度和電池循環壽命成反比。當提升某一方面的性能，就會犧牲其他方面的性能。 |
| SOC-State of Charge（荷電狀態） | % | 電池健康狀態（包括容量、功率、內阻等），是電池從滿充狀態下以一定的倍率放電到截止電壓所放出的容量與其所對應的標稱容量的比值。簡單來說，就是電池使用一段時間后性能參數與標稱參數的比值，新出廠電池為100%，完全報廢為0%，而根據IEEE標準，電池使用一段時間后，電池充滿電時的容量低于額定容量的80%，電池就應該被更換。
|
BMS（電池管理系統） | 針對電池的狀態監測、電池的均衡管理、電池的安全、數據的通信。 |
表1-名詞釋義
2. 如何為儲能系統配置電池
2.1 ATESS 磷酸鐵鋰電池電芯主要技術參數
| 類別 | 基本參數 | 規格 |
| 標稱參數 | 標稱電壓（V） | 3.2 |
| 標稱容量（Ah） | 100 | |
| 結構參數 | 尺寸W*H*D（mm） | 135*250*27 |
| 重量（kg） | 1.97±0.03 | |
| 電氣參數 | 放電電壓（V） | 2.5 |
| 充電電壓（V） | 3.65 | |
| 最大放電電流（A） | 100（1C） | |
| 額定放電電流（A） | 50（0.5C） | |
| 最大充電電流（A） | 100（1C） | |
| 額定充電電流（A） | 50（0.5C） | |
| 其他參數 | 工作溫度（℃） | -25～55 |
| 通信接口 | CAN | |
| 循環次數（次） | >6000（80%DOD） |
表2-ATESS LFP電池參數
我們采用對電芯串并聯的方式組成電池模組。
圖2-ATESS電池模組
目前我們使用的模組配置為12S2P和24S1P，具體參數如下：
圖3-ATESS電池模組技術參數
2.2 逆變器選型
根據ATESS產品配置電池：
型號 | 允許電池電壓范圍 |
HPS5-10KTLS / HPS7.5-10KTL | 280V-700V (85V-500V for HPS5KTLS) |
HPS30-150 | 352V-600V |
PCS50-250 | 500V-820V |
PCS500-630 | 600V-900V |
表3-ATESS逆變器型號對應電池電壓范圍
以上所述為ATESS逆變器系列產品對電池電壓的要求，我們在給客戶選擇了逆變器的型號之后，可在現有的兩種模組（12S2P和24S1P）選擇其一，再對模組進行串并聯方式配置出滿足客戶要求的容量和適配相應機型的電壓。另外，電池電壓與光伏電壓也是有聯系的，我們不能只考慮電池電壓與逆變器型號的適配，因為光伏是要給電池充電的，故MPPT電壓肯定是不能比電池電壓低的。
對于HPS5-10系列逆變器，此類機型光伏到電池的回路為BOOST回路，故在對光伏電壓進行配置時可不考慮與電池電壓之間的關系；
對于HPS30-150系列逆變器，此類機型光伏到電池的回路為BUCK回路，故在對光伏電壓進行配置時需將MPPT電壓配置在高于電池電壓至少50V水平；
對于PCS系列逆變器，此類機型在配置光伏時需添加PBD250和PBD350，其中PBD250為BOOST回路，PBD350為BUCK回路，故對PBD250進行光伏電壓配置時，光伏最大開路電壓應小于電池最低電壓，對PBD350進行光伏電壓配置時，需將MPPT電壓配置在高于電池電壓至少50V水平。
2.3 配置電池容量
在實際運用中，ATESS考慮到每一位客戶對電池容量的需求都是不同的，故可為客戶量身定制最為適合客戶的電池容量，ATESS現有的兩種模組容量都為7.68kWh。假設客戶現在需求的電池容量為ɑ，需求的電池模組數量為β=，然后我們再對模組數量β進行拆分串并即可。
在進行系統電池容量計算時，由于過程損耗的原因，電池放電量小于電池存電量，負載耗電量小于電池放電量。忽視效率損耗很可能造成電池供電不足的現象。
充電時，需考慮電池充電效率和直流線纜效率。
放電時，需考慮電池放電效率，逆變效率，負載端效率，直流線纜和交流線纜效率。
圖4-電池容量
2.4 確定電池安裝方案
當客戶買完電池之后，接下來的安裝布置也是客戶非常關注的一個問題，ATESS現有電池架，電池柜和集裝箱三種方案供您選擇。
圖5-電池安裝方案
3. BMS電池管家
電池管理系統（Battery Management System, BMS）是由電子電路設備構成的實時監測系統，有效地監測電池電壓、電池電流、電池簇絕緣狀態、電池SOC、電池模組及單體狀態（電壓、電流、溫度、SOC等），對電池簇充、放電過程進行安全管理，對可能出現的故障進行報警和應急保護處理，對電池模塊及電池簇的運行進行安全和優化控制，保證電池安全、可靠、穩定的運行。
ATESS自主研發了帶以下特性的BMS，可提高電池方案的可靠性：
可在線自動監測各單體電池電壓、內阻、電池組組端電壓、充放電電流和溫度；
具有電池性能分析能力，及時判斷蓄電池性能，給出綜合分析告警信息；
集電池運行信息采集、容量診斷、充放電均衡管理、故障報警等功能于一體；
設計緊湊合理，高度集成，各單元間采用隔離技術、絕緣性能好，可靠性、安全性高；
實時采集每一節電池電壓、溫度，采樣精度高；
對電池進行容量預估和均衡維護；
支持最大7路溫度采集；
儲能電池管理模塊與儲能系統管理單元之間采用CAN通信
逆變器與鋰電池之間的高效通信
有效實用的BMS提高了電池的安全性，穩定性和使用壽命
ATESS經過多年的經驗和付出，雙管齊下，不僅在儲能產品的可靠性，高效率，多樣性上取得了客戶的認同，同時也在LFP電池的性能上也取得了優異的成果。
