バッテリーの一貫性の重要性

蓄電池の不一致とは、主に電池容量、内部抵抗、温度などのパラメータの不一致を指します。私たちの日常の経験では、乾電池2本をプラスとマイナスの方向に接続すると懐中電灯が点灯しますが、不一致は考慮しません。しかし、蓄電池が蓄電システムで大規模に使用されるようになると、状況はそれほど単純ではありません。不一致の電池を直列と並列で使用すると、次のような問題が発生します。

1. 利用可能な容量の損失

エネルギー貯蔵システムでは、バッテリーセル（つまり、バッテリーセル）が直列に接続されてバッテリーパックを形成し、バッテリーパックが直列に接続されてバッテリークラスターを形成します。複数のバッテリークラスターは、同じ DC バスに並列に直接接続されます。セルの不整合による利用可能な容量の損失の原因には、直列の不整合と並列の不整合があります。

（１）バッテリーパックのシリーズ不一致による損失：

バッテリーセル自体の差異やバッテリーパック間の温度差などの不整合により、各バッテリーパックの SOC (残量) は異なります。1 つのバッテリーパックが満充電または空になっている限り、クラスター内のすべてのバッテリーパックの充電と放電が停止します。

図1. バッテリーの不一致により直列容量の不一致が発生する

（２）バッテリークラスター並列接続の不整合損失：

バッテリーパックを直接並列に接続してバッテリークラスターを形成すると、各バッテリークラスターの電圧が強制的にバランスされます。内部抵抗が小さいバッテリークラスターが完全に充電または放電されると、他のバッテリークラスターは充電と放電を停止する必要があり、その結果、バッテリークラスターは完全に充電または完全に放電されません。

図2 並列接続された複数のバッテリークラスターの放電時の電流差

また、バッテリーの内部抵抗が小さいため、不一致によって各クラスター間の電圧差が数ボルトであっても、クラスター間の不均一な電流は非常に大きくなります。下表の発電所の測定データに示すように、充電電流の差は75Aに達します（理論平均値と比較して偏差は42％）。偏差電流は、一部のバッテリークラスターで過充電と過放電を引き起こします。これは、充放電効率、バッテリー寿命に大きな影響を与え、重大な安全事故を引き起こすこともあります。

表1 発電所の測定データ

2. エネルギー貯蔵システムの寿命が短くなる

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

従来のエネルギー貯蔵コンテナには、1〜2台の集中エアコンが装備されており、縦方向の空気ダクトを使用して放熱します。空気ダクトの長さは約6メートル〜12メートルです。放熱チャネルが長いため、各バッテリーパックとバッテリークラスターの温度の一貫性は保証されません。

図3 従来の集中放熱構造

ストリングエネルギーストレージは、クラスターレベルの分散放熱を採用し、集中空調ではなく分散空調を採用しています。各バッテリークラスターは独立して均一に放熱でき、エアダクトの長さは1メートル未満であるため、放熱効率が大幅に向上し、物理的な場所による温度差を回避できます。同時に、バッテリーパックは樹木型のバイオニック特許放熱ダクトを巧みに使用して、各バッテリーセルダクトの長さと距離を調整し、各バッテリーセルを通過する冷却量が可能な限り一定になるようにし、各バッテリーセルの各表面の温度の不一致を減らします。

図4分散放熱構造図

バッテリーの不整合は、現在のエネルギー貯蔵システムにおける多くの問題の根本原因です。しかし、バッテリーの化学的特性とアプリケーション環境の影響により、バッテリーの不整合を根絶することは困難です。ストリングエネルギー貯蔵システムは、パワーエレクトロニクスとデジタル技術の制御性を通じて、バッテリーの一貫性に対するシステムの要件を大幅に緩和し、エネルギー貯蔵システムの利用可能な容量を大幅に増加させ、システムの安全性を向上させることができます。