白亚平 牛哲荟 赵佩宏 陈晨 罗军

摘 要：以额定容量500 kW·h集装箱式储能系统为例，本文阐述了储能系统用锂电池选型依据，对比了40 Ah和155 Ah两种不同容量磷酸铁锂电池组、串、阵列电气设计和结构设计方案。在集装箱式储能系统电池成组设计中，大容量锂电池具有空间占比和质量占比小、电池管理成本低、可靠性高等显著的优势。

关键词：储能系统;磷酸铁锂电池;成组设计

中图分类号：TM912文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0036-04

Abstract： Taking a containerized energy storage system with a rated capacity of 500 kW·h as an example， this paper described the basis for selecting lithium batteries for the energy storage system， and compared the electrical design and structural design schemes of two different capacity lithium iron phosphate batteries with 40 Ah and 155 Ah in groups， strings， and arrays. In the battery pack design of the containerized energy storage system， large-capacity lithium batteries have significant advantages such as small space and quality， low battery management costs， and high reliability.

Keywords： energy storage system;lithium iron phosphate battery;group technology

集装箱式储能系统将电池系统、电池管理系统、交直流转换装置及监控系统等集成在标准集装箱内，具有集成度高、存储容量大、可靠性好、环境适应性强等优点，在电网系统、工业园区供电、移动应急供电等方面具有广泛的应用[1-2]。大容量集装箱式储能系统往往需要由成千上万只电池单体串并联起来达到一定的电压和容量，由于电池单体串并联数量多，锂离子电池单体初始容量、电压、内阻和衰减特性等参数存在差异性，成组使用时会产生不均衡现象，影响电池组的使用效率和寿命，甚至引发安全事故。因此，大容量集装箱式储能系统电池成组设计极为重要。

本文对储能系统用电池进行选型设计分析，并以500 kW·h集装箱式储能系统电池成组设计为例，对比分析了不同容量锂电池成组设计方案，并采用大容量磷酸铁锂电池进行了500 kW·h集装箱式储能系统电池成组设计。

1 储能电池选型设计

目前，已实现产业化的锂离子电池有磷酸铁锂电池、镍钴锰酸锂电池、钛酸锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池等，其中在储能领域应用较多的锂离子电池主要有磷酸铁锂电池、镍钴锰酸锂电池、钛酸锂电池，三种锂离子电池性能参数如表1所示。钛酸锂电池具有安全性高、循环寿命长、倍率高等优点，但较高的成本限制了其广泛应用。镍钴锰酸锂电池的能量密度和功率密度均较高，在车用动力电池领域应用较多，近年来，其在调频辅助服务等功率型应用领域中的项目也比较多，但其安全性有待提升。磷酸铁锂电池具有能量密度高、倍率性能好、安全性好、循环寿命长、价格低等优点，是目前国内最热门的电池技术之一，也是储能领域中应用最多的锂电技术[3]。

根据封装形式，锂离子电池可以分为圆柱、方形和软包三种。圆柱电池采用非常成熟的卷绕工艺，自动化程度高，产品品质稳定，成本相对较低;但圆柱电池容量较小，对大容量储能系统而言所需的电芯数量极多，不便于管理，因此，在大容量储能系统中较少采用。软包电池具有能量密度高、内阻小、设计灵活等优点，非常适用于动力电池，但其价格偏高，一致性差，安全性能也有待提升，难以在储能领域广泛应用。方形电池结构简单，可定制化，且强度高、忍受机械荷载能力好，安全性极好，也有一定的成本优势，在储能系统应用中占有绝对的优势。因此，本文选用方形磷酸铁锂电池作为500 kW·h大容量集装箱式储能系统的储能设备。

2 储能电池成组设计

本文设计了500 kW·h集装箱式储能系统，其电池系统设计拓扑结构如图1所示，由电池单体串并联为电池模块、电池模块串联成电池簇、电池簇并联而成。电池系统通过动力线缆连接至能量变换装置，通过能量变换装置实现对外部设备的充放电，并通过电池管理系统实现对电池系统信息采集、监视、控制及运行管理等。

2.1 电池单体

电池单体容量对储能系统能量密度、电池组一致性、电池系统运行管理等均存在较大的影响。以容量40 Ah磷酸铁锂电池（天津产）和155 Ah磷酸铁锂电池（江苏产）为例进行对比分析，其中40 Ah磷酸铁锂电池单体额定电压为3.2 V，额定充放电功率为64 W，额定能量为128 W·h;155 Ah磷酸铁锂电池单体额定电压为3.2 V，额定充放电功率为248 W，额定能量为496 W·h。表2为两种容量磷酸铁锂电池单体基本参数。

表3为500 kW·h储能系统电池系统配置参数。电池单體容量为40 Ah时，电池系统所需的电池单体数量为4 320只，电池系统总体积为2.31 m3，总质量为4 536.0 kg;电池单体容量为155 Ah时，电池系统所需的电池单体数量为1 080只，电池系统总体积为1.56 m3，总质量为3 304.8 kg。由此可见，对于配置容量相同的储能系统来说，155 Ah电池单体所占的体积和质量分别为40 Ah电池单体的67.5%和72.9%，可以大幅减小电池系统占用空间和质量。

2.2 电池模块

储能电池模块的成组方式主要有三种，即直接串联、先串后并、先并后串，不同的连接方式会对电池组的可靠性、安全性以及不一致性产生不同影响[4]。其中，直接串联方式电路结构简单，方便安装及管理，但需要采用较大容量的单体电池，且单一电池的损坏将直接影响系统正常使用;先串后并方式有利于系统的模块化设计，但需要对每一块电池进行监测，不利于电池组的均衡管理，对大规模储能系统而言，会极大增加电池管理成本;先并后串方式是目前储能系统用电池模块设计中应用最多的成组方式。

本文中，电池模块采用先并后串的成组方式，40 Ah和155 Ah两种不同容量电池的成组设计分别如图2（a）和图2（b）所示。40 Ah电池模块成组方式为8并12串，包含96个电池单体，模块电压为38.4 V，容量为12.3 kW·h。155 Ah电池模块成组方式为2并12串，包含24个电池单体，模块电压为38.4 V，容量为11.9 kW·h。可见，电池单体容量越小，所并联的电池数量越多，一方面会提高电池组的失效率，另一方面更容易发生并联电池组内的环流，导致电池组不一致性增大。

综合考虑，选择155 Ah电池单体进行500 kW·h集装箱式储能系统电池模块成组设计，电池单体结构如图3所示。图4为电池模块结构设计，电池模块设计主要考虑电池单体电连接设计、电压采集设计和温度采集设计等。其中，电池单体间采用铜排连接，电压采集根据串联电池数量设计12组采集点，温度采集设计6组热电偶，其分布在电池模块的不同位置。

2.3 电池簇和电池系统

储能系统电池簇通常由多个电池模块串联而成。本文设计的电池簇电气结构如图5所示，电池簇包含15套电池模块串联，额定电压为576 V，容量为178 kW·h。第1组电池模块正极与高压箱正极连接，负极与第2组电池模块正极连接，依次连接至第15组电池模块，第15组电池模块负极与高压箱负极连接，构成完整回路。

储能系统电池簇结构如图6所示，每个电池簇均由2列电池柜组成，每个电池柜有8层，电池模块通过螺栓固定在电池柜上，且每个电池模块外壳均与电池架可靠接地。电池模块之间采用航空插头插接的连接方式，拆装方便快捷。

电池系统由3组电池簇组成，电池簇通过动力电缆并联接入能量变换装置，电池系统额定电压为576 V，系统配置总容量为535 kW·h，额定容量为500 kW·h。将电池系统安装固定在集装箱（长5 898 mm×宽2 352 mm×高2 393 mm）内，通过动力线缆将电池系统正负极分别与储能变流装置正负极连接，即可组成完整的电池系统。

3 结论

方形磷酸铁锂电池在储能领域应用中具有其他锂离子电池不可比拟的优势，未来较长时间内都将在储能领域应用中占据主导地位。大容量锂离子电池在储能系统成组设计中具有体积和质量占比小、一致性好、可靠性高等优势，将是未来大容量集装箱储能系统的电池成组应用趋势。

参考文献：

[1]游峰，钱艳婷，梁嘉，等.MW级集装箱式电池储能系统研究[J].电源技术，2017（11）：1657-1659.

[2]房凯，孙威，徐少华，等.箱式一体化储能系统研究概述[J].电器与能效管理技术，2017（7）：69-72.

[3]張福生.磷酸铁锂电池工业应用领域浅析[J].化工管理，2018（34）：90-91.

[4]黄凯.锂离子电池成组应用技术及性能状态参数估计策略研究[D].天津：河北工业大学，2015.