Bedeutung der Batteriekonsistenz

Die Inkonsistenz von Energiespeicherbatterien bezieht sich hauptsächlich auf die Inkonsistenz von Parametern wie Batteriekapazität, Innenwiderstand und Temperatur. Unsere tägliche Erfahrung ist, dass, wenn zwei Trockenbatterien in positiver und negativer Richtung angeschlossen werden, die Taschenlampe aufleuchtet und wir die Konsistenz nicht berücksichtigen. Sobald Batterien jedoch in großem Maßstab in Energiespeichersystemen verwendet werden, ist die Situation nicht mehr so ​​einfach. Wenn inkonsistente Batterien in Reihe und parallel verwendet werden, treten die folgenden Probleme auf:

1. Verlust verfügbarer Kapazität

Im Energiespeichersystem werden Batteriezellen (dh Batteriezellen) in Reihe geschaltet, um ein Batteriepaket zu bilden, und Batteriepakete werden in Reihe geschaltet, um einen Batteriecluster zu bilden. Mehrere Batteriecluster sind direkt parallel an denselben Gleichstrombus angeschlossen. Die Gründe für den Verlust der verfügbaren Kapazität aufgrund von Zellinkonsistenz sind Serieninkonsistenz und Parallelinkonsistenz.

(1) Verlust der Akku-Serieninkonsistenz:

Aufgrund von Inkonsistenzen wie Unterschieden in den Batteriezellen selbst und Temperaturunterschieden zwischen den Batteriepacks ist der SOC (Restleistung) jedes Batteriepacks unterschiedlich. Solange ein Batteriepack voll/leer ist, werden alle Batteriepacks im Cluster nicht mehr geladen und entladen.

Abbildung 1. Batterieinkonsistenz führt zu einer Fehlanpassung der Serienkapazität

(2) Inkonsistenzverlust bei Parallelschaltung von Batterieclustern:

Nachdem die Batteriepacks direkt parallel geschaltet wurden, um Batteriecluster zu bilden, werden die Spannungen jedes Batterieclusters zwangsweise ausgeglichen. Wenn der Batteriecluster mit dem kleineren Innenwiderstand vollständig geladen oder entladen ist, müssen die anderen Batteriecluster mit dem Laden und Entladen aufhören, was dazu führt, dass die Batteriecluster nicht vollständig geladen oder vollständig entladen werden.

Abbildung 2 Stromdifferenz beim Entladen mehrerer Batteriecluster parallel

Aufgrund des geringen Innenwiderstands der Batterie ist außerdem der ungleichmäßige Strom zwischen den Clustern sehr groß, selbst wenn der durch Inkonsistenz verursachte Spannungsunterschied zwischen den einzelnen Clustern nur wenige Volt beträgt. Wie aus den Messdaten eines Kraftwerks in der folgenden Tabelle hervorgeht, erreicht der Ladestromunterschied 75 A (die Abweichung beträgt 42 % im Vergleich zum theoretischen Durchschnittswert). Der abweichende Strom führt bei einigen Batterieclustern zu Überladung und Überentladung. Dies beeinträchtigt die Lade- und Entladeeffizienz sowie die Batterielebensdauer erheblich und kann sogar zu schweren Sicherheitsunfällen führen.

Tabelle 1 Messdaten eines Kraftwerks

2. Verkürzte Lebensdauer des Energiespeichersystems

Temperature is the most critical factor affecting the life of energy storage. When the internal temperature of the energy storage system rises by 15°C, the life of the energy storage will be shortened by more than half. Lithium-ion batteries generate a lot of heat during the charging and discharging process. Due to the inconsistent internal resistance of the single cells, the temperature distribution inside the energy storage system will be uneven, the battery aging and attenuation rate will increase, and ultimately the life of the energy storage system will be shortened.

It can be seen that the temperature inconsistency of the battery in the energy storage system is an important factor affecting the performance of the energy storage system. It will reduce the available capacity of the energy storage system, shorten the cycle life of the energy storage system, and even cause safety hazards.

How to deal with the inconsistency of energy storage batteries?

The inconsistency of battery cells is formed during the production process and deepened during use. The weaker the battery cells in the same battery pack, the weaker they are, and the weaker they are. However, although there are no completely consistent battery cells, it is possible to integrate digital technology, power electronics technology and energy storage technology, and use the controllability of power electronics technology to minimize the impact of lithium battery inconsistency. In response to the problems caused by the inconsistency analyzed in the previous article, some manufacturers on the market have launched string energy storage systems, which have the characteristics of refined energy management and distributed temperature control, and can be used to treat the symptoms:

(1) Refined management to increase available capacity

Compared to the traditional PCS that manages more than 1,000 to 2,000 cells, the string energy storage system improves the cell management accuracy to more than a dozen, which is about 100 times higher. In view of the series mismatch between battery packs, the optimizer is designed to achieve separate charge and discharge management for each battery pack. When a battery pack reaches the set threshold, the battery pack is bypassed, and other battery packs can continue to charge and discharge without affecting each other, maximizing the use of battery capacity.

At the same time, each battery cluster is equipped with an intelligent cluster controller to avoid the impact of battery inconsistency caused by direct parallel connection, so that the charge and discharge current of each cluster can be accurately controlled with an error of less than 1%. This avoids the mismatch between clusters and truly realizes independent charge and discharge management between battery clusters, eliminates the generation of circulation, and further improves the capacity and safety of the system.

(2) Distributed temperature control to extend the life of the energy storage system

Herkömmliche Energiespeicherbehälter sind mit 1–2 zentralen Klimaanlagen ausgestattet und verwenden Längsluftkanäle zur Wärmeableitung. Die Länge des Luftkanals beträgt etwa 6 bis 12 Meter. Aufgrund des langen Wärmeableitungskanals kann die Temperaturkonsistenz jedes Batteriepakets und Batterieclusters nicht garantiert werden.

Abbildung 3 Traditionelle zentralisierte Wärmeableitungsstruktur

Die String-Energiespeicherung verwendet eine verteilte Wärmeableitung auf Clusterebene und verwendet eine verteilte Klimaanlage anstelle einer zentralen Klimaanlage. Jeder Batteriecluster kann die Wärme unabhängig und gleichmäßig ableiten, und die Luftkanallänge beträgt weniger als 1 Meter, was die Wärmeableitungseffizienz erheblich verbessert und den durch den physischen Standort verursachten Temperaturunterschied vermeidet. Gleichzeitig verwendet das Batteriepaket geschickt den baumförmigen, patentierten bionischen Wärmeableitungskanal, um die Länge und Entfernung jedes Batteriezellenkanals anzupassen, sodass die von jeder Batteriezelle geleitete Kühlmenge so gleichmäßig wie möglich ist und die Temperaturinkonsistenz jeder Oberfläche jeder Batteriezelle verringert wird.

Abbildung 4 Diagramm der verteilten Wärmeableitungsstruktur

Batterieinkonsistenz ist die Hauptursache für viele Probleme in aktuellen Energiespeichersystemen. Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Batterien und des Einflusses der Anwendungsumgebung ist es jedoch schwierig, Batterieinkonsistenz zu beseitigen. Das String-Energiespeichersystem schwächt die Anforderungen des Systems an die Batteriekonsistenz durch die Steuerbarkeit von Leistungselektronik und digitaler Technologie erheblich ab, was die verfügbare Kapazität des Energiespeichersystems erheblich erhöhen und die Systemsicherheit verbessern kann.