Importância da consistência da bateria

A inconsistência das baterias de armazenamento de energia refere-se principalmente à inconsistência de parâmetros como capacidade da bateria, resistência interna e temperatura. Nossa experiência diária é que quando duas pilhas secas são conectadas nas direções positiva e negativa, a lanterna acende e não consideramos a consistência. Porém, uma vez que as baterias são utilizadas em larga escala em sistemas de armazenamento de energia, a situação não é tão simples. Quando baterias inconsistentes são usadas em série e paralelo, ocorrerão os seguintes problemas:

1. Perda de capacidade disponível

No sistema de armazenamento de energia, as células de bateria (ou seja, células de bateria) são conectadas em série para formar um conjunto de baterias, e os conjuntos de baterias são conectados em série para formar um conjunto de baterias. Vários clusters de baterias são conectados diretamente em paralelo ao mesmo barramento CC. As razões para a perda de capacidade disponível devido à inconsistência celular incluem inconsistência em série e inconsistência paralela.

(1) Perda de inconsistência da série da bateria:

Devido a inconsistências, como diferenças nas próprias células da bateria e diferenças de temperatura entre as baterias, o SOC (energia restante) de cada bateria será diferente. Enquanto uma bateria estiver cheia/vazia, todas as baterias no cluster irão parar de carregar e descarregar.

Figura 1. Inconsistência da bateria causa incompatibilidade de capacidade em série

(2) Perda de inconsistência da conexão paralela do conjunto de baterias:

Depois que as baterias são conectadas diretamente em paralelo para formar conjuntos de baterias, as tensões de cada conjunto de baterias são forçadas a serem equilibradas. Quando o conjunto de baterias com menor resistência interna está totalmente carregado ou descarregado, os outros conjuntos de baterias devem parar de carregar e descarregar, fazendo com que os conjuntos de baterias não sejam totalmente carregados ou totalmente descarregados.

Figura 2 Diferença de corrente durante a descarga de vários conjuntos de baterias em paralelo

Além disso, devido à pequena resistência interna da bateria, mesmo que a diferença de tensão entre cada cluster causada pela inconsistência seja de apenas alguns volts, a corrente desigual entre os clusters será muito grande. Conforme mostrado nos dados medidos de uma central elétrica na tabela abaixo, a diferença de corrente de carga chega a 75A (o desvio é de 42% em comparação com o valor médio teórico). A corrente de desvio causará sobrecarga e descarga excessiva em alguns conjuntos de baterias. Afeta muito a eficiência de carga e descarga, a vida útil da bateria e até causa graves acidentes de segurança.

Tabela 1 Dados medidos de uma central elétrica

2. Vida útil reduzida do sistema de armazenamento de energia

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

Os contêineres de armazenamento de energia tradicionais são equipados com 1-2 condicionadores de ar centralizados e usam dutos de ar longitudinais para dissipação de calor. O comprimento do duto de ar é de cerca de 6 a 12 metros. Devido ao longo canal de dissipação de calor, a consistência da temperatura de cada bateria e conjunto de baterias não pode ser garantida.

Figura 3 Estrutura tradicional de dissipação de calor centralizada

O armazenamento de energia em string usa dissipação de calor distribuída em nível de cluster, usando ar condicionado distribuído em vez de ar condicionado centralizado. Cada conjunto de baterias pode dissipar o calor de forma independente e uniforme, e o comprimento do duto de ar é inferior a 1 metro, o que melhora muito a eficiência da dissipação de calor e evita a diferença de temperatura causada pela localização física. Ao mesmo tempo, a bateria usa habilmente o duto de dissipação de calor biônico patenteado em forma de árvore para ajustar o comprimento e a distância de cada duto de célula de bateria, de modo que a quantidade de resfriamento passada por cada célula de bateria seja o mais consistente possível, reduzindo a temperatura inconsistência de cada superfície de cada célula da bateria.

Figura 4 Diagrama da estrutura de dissipação de calor distribuída

A inconsistência da bateria é a causa raiz de muitos problemas nos atuais sistemas de armazenamento de energia. No entanto, devido às características químicas das baterias e à influência do ambiente de aplicação, é difícil erradicar a inconsistência da bateria. O sistema de armazenamento de energia em cadeia enfraquece enormemente os requisitos do sistema para consistência da bateria através da controlabilidade da eletrônica de potência e da tecnologia digital, o que pode aumentar significativamente a capacidade disponível do sistema de armazenamento de energia e melhorar a segurança do sistema.