王超;郭继鹏;钟国彬;徐凯琪;苏伟;项宏发
【摘 要】电化学储能系统的并网应用往往要求电池等储能器件以恒功率充放电方式运行,这与其在生产、试验过程中常用的恒流充放电方式存在差异.为掌握不同类型的电化学储能器件在恒功率与恒流充放电模式下的运行特性差异,本工作选取商用超级电容器、阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池进行了不同倍率下的恒流和恒功率充放电测试,并对其充放电曲线、容量、能量、效率等性能参数进行分析比较,结果发现3种储能器件表现出不同的特性.超级电容器倍率性能优越,能量效率高,两种模式下性能大致相同,功率条件下能量效率较高,在特定倍率下达到峰值;铅酸蓄电池倍率性能较差,能量效率相对较低,应尽量避免其超过6h率大电流/功率充放电,实际应用过程中需对其功率条件下的相关参数进行校准;磷酸铁锂电池兼具能量密度高和倍率性能好的优点,两种模式下性能相近,表现出良好的综合性能. 【期刊名称】《储能科学与技术》
【年(卷),期】2017(006)006
【总页数】8页(P1313-1320)
【关键词】电化学储能;恒流充放电;恒功率充放电;超级电容器;铅酸蓄电池;磷酸铁锂电池
【作 者】王超;郭继鹏;钟国彬;徐凯琪;苏伟;项宏发
【作者单位】广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ028.8
储能技术是未来能源结构和电力生产消费方式变革的战略性支撑技术，不仅可以解决可再生能源发电的间歇性和随机波动性问题，缓解高峰负荷供电，提高现有电网设备利用率和电网
运行效率，还可以用来应对电网突发性故障，实现优质、安全、可靠供电[1-2]。相对于机械储能、电磁储能和储冷储热等技术，电化学储能技术配置灵活性高、响应速度快，不受地理等外部条件限制，易于实现大规模应用和批量化生产，能够满足电力系统的复杂需求[3-4]。
电化学储能是通过化学能和电能的相互转换以存储能量的技术。电化学储能器件的类型繁多，且不同类型的器件呈现不同的能量与功率特性，为大规模储能应用提供了多样化选择。目前常见的电化学储能器件主要有锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池、全钒液流电池和超级电容器等[5]。
储能电站在电力系统实际应用中需要接受功率充放电的调度指令[6]，要求储能器件采用kW、MW和kW·h、MW·h等作为功率和能量度量来衡量器件性能，常用的安时容量难以与电网实际应用相匹配。因此，目前广泛采用的恒流恒压充电-恒流放电测试方法并不符合储能器件在电网中的实际运行工况，该测试模式下所得到的容量、能量、能量效率、寿命等性能参数，并不能反映功率运行工况下的实际性能，沿用常规的安时容量将对储能电站的设计、试验、运行造成混乱，不利于电化学储能在电力系统中的工程实践和推广应用。因此，掌握电化学储能器件在功率运行条件下的特性具有重要意义。
目前对电化学储能系统的功率运行工况研究，一部分侧重于针对削峰填谷等应用的电池储能系统优化策略研究或含储能系统等功率负载的系统行为分析[6-7]；另一部分则是侧重于铅酸蓄电池、液流电池等某一种电化学储能器件的自身特性分析，功率条件测试只是作为单方面的测试结果[8-9]。因此，当前的研究一方面缺乏各类电化学储能器件功率运行条件下的行为特点，尤其是与传统恒流恒压测试条件下的性能差异研究，另一方面缺少不同类型电化学储能器件在功率运行条件下的横向对比。
在前期工作的基础上[10]，本文选取超级电容器、阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池3种典型电化学储能器件作为研究对象，分别采用恒流恒压和恒功率充放电方法进行测试，通过分析比较充放电曲线、容量、能量、效率等关键参数，系统地研究了不同类型电化学储能器件在功率测试和传统恒流恒压测试条件下的性能特点及差异，探究了功率测试方法对各类储能器件性能的影响，总结出可量化的指标对比，为电化学储能技术的研究和应用提供了参考和建议。
本文选取了超级电容器、阀控式铅酸蓄电池（后简称铅酸蓄电池）和磷酸铁锂电池作为测试对象，其基本参数如表1所示。
1.2.1 参数定义
为方便不同倍率下的恒流和恒功率充放电测试性能比较，要求3种储能器件在两种测试模式下充放电时间尽可能一致，相关充放电电流和功率定义如下。
（1）ISn：超级电容器n分钟率充电、n分钟率放电电流，单位为A。ISn=CR´（UR-Umin）/60n，其中CR为超级电容器的标称容量（F），UR为额定电压，Umin为放电截止电压。
（2）PSn：超级电容器n分钟率充电、n分钟率放电功率，单位为W。PSn=CR´（UR2-Umin2）/120n，其中，CR为超级电容器的标称容量（F），UR为额定电压，Umin为放电截止电压。
（3）IPn：铅酸蓄电池n小时率充电、n小时率放电电流，单位为A。IPn的值由厂家提供。
（4）PPn：铅酸蓄电池n小时率充电、n小时率放电功率，单位为W。PPn的值由厂家提供。
（5）ILn：磷酸铁锂电池n小时率充电、n小时率放电电流，单位为A。ILn=CR/n，其中CR为磷酸铁锂电池的标称容量（A·h）。
（6）PLn：磷酸铁锂电池n小时率充电、n小时率放电功率，单位为W。PLn=CR´UR/n，其中，CR为磷酸铁锂电池的标称容量（A·h），UR为额定电压。
根据以上定义，具体测试参数如表2所示。
1.2.2 测试仪器
使用电池测试系统（美国Arbin，测量范围0～5 V，±100 A，测试精度：±0.05%FS）对超级电容器、磷酸铁锂电池进行充放电测试，测试过程中保持环境温度为（25±5）℃。
使用电池测试系统（拜特NBT，测量范围0～5 V，±150 A，测试精度：±0.1%FD+0.1%RD）对阀控式铅酸蓄电池进行充放电测试，测试过程中保持环境温度为（25±5）℃。
1.2.3 恒流充放电测试
恒流充放电测试的步骤为：①以IS5（IP10、IL10）电流放电至厂家规定的放电截止电压；②静置30 min；③以ISn（IPn、ILn）电流恒流充电至厂家规定的充电截止电压；④以厂家规
定的充电截止电压恒压充电至相应的截止电流（超级电容器为恒压5 min）；⑤静置30 min；⑥以ISn（IPn、ILn）电流恒流放电至厂家规定的放电截止电压；⑦静置30 min；⑧重复步骤③～⑧5次。
记录每次循环过程中的充电容量（A·h）、放电容量（A·h）、充电能量（W·h）、放电能量（W·h）、充电时间（min/h）、放电时间（min/h）、库仑效率（%）和能量效率（%）。改变n值，使n逐步减小重复上述测试，得到不同n小时（分钟）率电流充放电条件下的性能参数，不同倍率条件下的性能参数选用该倍率下5次测试的平均值计算得到。
1.2.4 恒功率充放电测试
恒功率充放电测试的步骤为：①以IS5（IP10、IL10）电流放电至厂家规定的放电截止电压；②静置30 min；③以PSn（PPn、PLn）功率恒功率充电至厂家规定的充电截止电压；④静置30 min；⑤以PSn（PPn、PLn）功率恒功率放电至厂家规定的放电截止电压；⑥静置30min；⑦重复步骤③～⑥5次。
记录每次循环过程中的充电容量（A·h）、放电容量（A·h）、充电能量（W·h）、放电能量
（W·h）、充电时间（min/h）、放电时间（min/h）、库仑效率（%）和能量效率（%）。改变n值，使n逐步减小，重复上述测试，得到不同n小时（分钟）率功率充放电条件下的性能参数，不同倍率条件下的性能参数选用该倍率下5次测试的平均值计算得到。
超级电容器在不同倍率下进行恒流恒压充电-恒流放电和恒功率充放电测试相应结果如图1所示。两种测试条件下的充放电容量（A·h）如图1(a)所示，随着倍率的增加，超级电容器的充电容量逐渐减小，但是放电容量却先略有增大而后减小。从图1(d)的库仑效率曲线可以发现，超级电容器的库仑效率随倍率增大而增大，且倍率越小其库仑效率下降越快，这可能是由于小倍率条件下，部分电极孔隙存储的电荷未能完全可逆释放，造成放电容量偏低。从曲线中可以看出，相较于恒流充放电模式，恒功率模式下充放电容量衰减相对较大，恒流充放电模式下的放电容量由IS5电流时的1.15 A·h减小到IS1电流时的1.12 A·h，容量保持率为97.39%；恒功率模式下，超级电容器的放电容量由PS5功率时的1.13 A·h下降到PS1功率时的1.08 A·h，容量保持率为95.57%。
超级电容器在不同倍率下进行恒流恒压充电-恒流放电和恒功率充放电测得的电压（V）-容量（A·h）关系曲线如图1(b)所示。两种模式下的充放电曲线基本一致，其容量与电压呈线性变
化关系，这与超级电容器的双电层储能机制相符，说明功率充放电条件并不会对超级电容器的储能机制造成影响，其容量-电压仍呈线性变化关系。
超级电容器在不同倍率下两种模式测得的充放电能量（W·h）如图1(c)所示。与图1(a)类似，超级电容器的充电能量同样随着倍率的增加逐渐减小，恒流模式下的充电能量下降平缓，而恒功率模式下充电能量衰减相对较大。这是由于恒功率充电过程中并没有进行恒压补电来消除极化的影响，大功率下并没有达到满充状态。与放电容量曲线类似，放电能量变化也呈现出先增大后减小的变化规律，分别在IS4时达到峰值2.33 W·h以及PS4时达到峰值2.29 W·h。恒流充放电模式下的放电能量由IS5电流时的2.32 W·h减小到IS1电流时的2.25 W·h，容量保持率为96.98%；恒功率模式下，超级电容器的放电容量由PS5功率时的2.25 W·h下降到PS1功率时的2.16 W·h，容量保持率为96%。
对于储能器件而言，其能量效率是需考虑的重要参数。如图1(d)所示，恒流与恒功率两种模式下超级电容器能量效率显现出先增大后减小的变化趋势，两者分别在IS2.5、IS3.5和PS2.5、PS3.5之间某一值时达到最大，亦即在充（放）电时间3 min左右其能量效率最高。以恒流充放电为例，影响超级电容器能量效率的因素主要有以下两方面：超级电容器内阻引
发的焦耳热和库仑效率[11]。充放电过程中产生的能量损耗大部分又以焦耳热的形式耗散掉，并导致器件温度升高。测试过程中在紧靠正极端子处放置热电偶实时监控超级电容器的温度，发现 在部分时间段其温度超过60 ℃，远高于室温环 境25 ℃。
对于超级电容器恒流充放电条件，根据式(1)～式(3)，考虑其库仑效率h在内，其能量效率。其中R为等效内阻，C为容量。
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