Modeling of Lithium-ion Battery Packs for Energy Storage System Considering Inconsistency of Internal Battery Parameters

Lu LIU; Meng NIU; Weijie ZHENG; Dong HUI; Xiangjun Li

doi:10.7500/AEPS20210322002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Modeling of Lithium-ion Battery Packs for Energy Storage System Considering Inconsistency of Internal Battery Parameters

Modelling Analysis and Dispatch, Control and Operation Technologies for Hundred-megawatt-level Energy Storage System | 更新时间：2025-06-16

- Modeling of Lithium-ion Battery Packs for Energy Storage System Considering Inconsistency of Internal Battery Parameters
- Automation of Electric Power Systems Vol. 45, Issue 19, Pages: 15-23(2021)
- 作者机构：
  
  新能源与储能运行控制国家重点实验室（中国电力科学研究院有限公司），北京市 100192
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.7500/AEPS20210322002
  CLC：
- Received：22 March 2021，
  
  Revised：2021-07-12，
  
  Published Online：07 September 2021，
  
  Published：10 October 2021
- 稿件说明：
移动端阅览
刘璐,牛萌,郑伟杰等.考虑内部参数不一致性的储能系统用锂电池组建模[J].电力系统自动化,2021,45(19):15-23.

LIU Lu,NIU Meng,ZHENG Weijie,et al.Modeling of Lithium-ion Battery Packs for Energy Storage System Considering Inconsistency of Internal Battery Parameters[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(19):15-23.
刘璐,牛萌,郑伟杰等.考虑内部参数不一致性的储能系统用锂电池组建模[J].电力系统自动化,2021,45(19):15-23. DOI： 10.7500/AEPS20210322002.

LIU Lu,NIU Meng,ZHENG Weijie,et al.Modeling of Lithium-ion Battery Packs for Energy Storage System Considering Inconsistency of Internal Battery Parameters[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(19):15-23. DOI： 10.7500/AEPS20210322002.

摘要

目前，电化学储能系统建模普遍采用基于电池单体的简单等效模型，成组和系统模型中较少考虑内部电池参数不一致性，低荷电状态（SOC）下仿真误差较大，并且随着储能系统的运行，差异越发明显，难以反映储能电池的实际运行状态。基于锂电池储能电站成组结构，研究影响简单等效模型电压误差的因素及电池单体与电池模块的电压特性关系，分析电池单体间电压差异来源，提出一种串电容等效模型，并以电池单体SOC和电池单体容量为主要差异参数进行电压修正，建立考虑电池串之间不均衡电流的并联模型。仿真结果表明

串电容等效模型相较简单等效模型能够有效提升低SOC状态下模型的精度，为多电池单体串并联组成的电池系统仿真模型提供技术支撑。

Abstract

At present

the modelling of electrochemical energy storage systems generally follows the simple equivalent model based on one battery cell. The inconsistency of internal battery parameters is rarely considered in modelling of packs and systems

which results in large error in battery pack simulation under low state of charge (SOC) conditions

and the error becomes more obvious with the aging of the energy storage system. Based on the structure of the real battery packs in lithium-ion battery packs for energy storage station

this paper analyzes the factors that affect the voltage error of the simple equivalent model and the voltage characteristic connection between battery cells and battery packs

analyzes the causes of voltage differences between battery cells

proposes the series capacitor equivalent model

introduces SOC and capacity of battery cells into voltage correction as the main incentive parameters

and establishes a parallel model considering unbalanced current between battery strings.Simulation result shows that compared to the simplified equivalent model

the proposed model can improve simulation accuracy in low SOC

which provides technology support for battery system simulation models composed by series and parallel battery cells.

关键词

Keywords

references

李建林，李雅欣，周喜超，等 . 储能商业化应用政策解析［J/OL］. 电力系统保护与控制： 1 - 11 ［ 2020-10-21 ］. https：//doi.org/10.19783/j.cnki.pspc.191487 https://doi.org/10.19783/j.cnki.pspc.191487 .

LI Jianlin ， LI Yaxin ， ZHOU Xichao ， et al . Analysis of energy storage policy in commercial application ［J/OL］. Power System Protection and Control ： 1 - 11 ［ 2020-10-21 ］. https：//doi.org/10.19783/j.cnki.pspc.191487 https://doi.org/10.19783/j.cnki.pspc.191487 .

姚大伟，谢海莲，刘前进 . 锂离子电池及电池储能系统的安全考量［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 1 ）： 31 - 37 .

YAO Dawei ， XIE Hailian ， LIU Qianjin . Safety concerns of lithium-ion cell and battery energy storage system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 1 ）： 31 - 37 .

贺鸿杰，张宁，杜尔顺，等 . 电网侧大规模电化学储能运行效率及寿命衰减建模方法综述［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 12 ）： 193 - 207 .

HE Hongjie ， ZHANG Ning ， DU Ershun ， et al . Review on modeling method for operation efficiency and lifespan decay of large-scale electrochemical energy storage on power grid side ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 12 ）： 193 - 207 .

杨世春，华旸，顾启蒙，等 . 锂离子电池SOC及容量的多尺度联合估计［J］. 北京航空航天大学学报， 2020 ， 46 （ 8 ）： 1444 - 1452 .

YANG Shichun ， HUA Yang ， GU Qimeng ， et al . Multi-scale joint estimation of SOC and capacity of lithium-ion battery ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2020 ， 46 （ 8 ）： 1444 - 1452 .

王瀛洲，倪裕隆，郑宇清，等 . 基于ALO-SVR的锂离子电池剩余使用寿命预测［J/OL］. 中国电机工程学报： 1 - 12 ［ 2020-12-28 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20200427.1423.009.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20200427.1423.009.html .

WANG Yingzhou ， NI Yulong ， ZHENG Yuqing ， et al . Remaining useful life prediction of lithium-ion batteries based on support vector regression optimized and ant lion optimizations ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ： 1 - 12 ［ 2020-12-28 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20200427.1423.009.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20200427.1423.009.html .

宾洋，于静美，朱英凯，等 . 实时雨流计数法及其在钴酸锂电池健康状态建模中的应用［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 12 ）： 3627 - 3635 .

BIN Yang ， YU Jingmei ， ZHU Yingkai ， et al . A real-time rain flow algorithm and its application to state of health modeling for LiCoO 2 lithium-ion batteries ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 12 ）： 3627 - 3635 .

孙丙香，刘佳，韩智强，等 . 不同区间衰退路径下锂离子电池的性能相关性及温度适用性分析［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 9 ）： 2063 - 2073 .

SUN Bingxiang ， LIU Jia ， HAN Zhiqiang ， et al . Performance correlation and temperature applicability of lithium-ion batteries under different range degradation paths ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 9 ）： 2063 - 2073 .

KIM S W ， LEE P Y ， KIM J ， et al . Comparative analysis of cell-to-cell voltage and internal parameters variation for the series/parallel battery pack ［C］// 2019 10th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia ， May 27-30 ， 2019 . Busan， Korea .

CHEN M ， ZHANG B H ， LI Y Q ， et al . Performance of inconsistency in lithium-ion battery packs for battery energy storage systems ［C］// 2014 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference （APPEEC）， December 7-10 ， 2014 ， Hong Kong， China .

钟国彬，周方方，苏伟，等 . 二次利用磷酸铁锂动力电池并联特性研究［J］. 储能科学与技术， 2015 ， 4 （ 1 ）： 78 - 82 .

ZHONG Guobin ， ZHOU Fangfang ， SU Wei ， et al . Study on the characteristics of second life LiFePO 4 batteries ［J］. Energy Storage Science and Technology ， 2015 ， 4 （ 1 ）： 78 - 82 .

隋欣，张晓虎，陈永翀，等 . 基于等效电路模型的串联电池组不一致分布特征仿真分析［J］. 电工电能新技术， 2018 ， 37 （ 9 ）： 24 - 32 .

SUI Xin ， ZHANG Xiaohu ， CHEN Yongchong ， et al . Simulation analysis of inconsistency distribution characteristics of series battery based on equivalent circuit model ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2018 ， 37 （ 9 ）： 24 - 32 .

丁明，陈忠，苏建徽，等 . 可再生能源发电中的电池储能系统综述［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 1 ）： 19 - 25 .

DING Ming ， CHEN Zhong ， SU Jianhui ， et al . An overview of battery energy storage system for renewable energy generation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 1 ）： 19 - 25 .

彭思敏，施刚，蔡旭，等 . 基于等效电路法的大容量蓄电池系统建模与仿真［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 7 ）： 11 - 18 .

PENG Simin ， SHI Gang ， CAI Xu ， et al . Modeling and simulation of large capacity battery systems based on the equivalent circuit method ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 7 ）： 11 - 18 .

熊会元，洪佳鹏，王攀，等 . 基于正态分布的锂电池组建模仿真［J］. 电源技术， 2019 ， 43 （ 10 ）： 1626 - 1629 .

XIONG Huiyuan ， HONG Jiapeng ， WANG Pan ， et al . Modeling and simulation of lithium battery pack based on normal distribution ［J］. Chinese Journal of Power Sources ， 2019 ， 43 （ 10 ）： 1626 - 1629 .

范刘洋，汪可友，张宝群，等 . 考虑电池组不一致性的储能系统建模及仿真［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 3 ）： 110 - 115 .

FAN Liuyang ， WANG Keyou ， ZHANG Baoqun ， et al . Modeling and simulation of battery energy storage system considering intrinsic inconsistency ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 3 ）： 110 - 115 .

张维戈，时玮，姜久春，等 . 动力锂离子电池串并联仿真技术研究［J］. 电网技术， 2012 ， 36 （ 10 ）： 70 - 75 .

ZHANG Weige ， SHI Wei ， JIANG Jiuchun ， et al . Numerical simulation technique of series-parallel power lithium ion battery ［J］. Power System Technology ， 2012 ， 36 （ 10 ）： 70 - 75 .

CAI Y P ， CANCIAN M ， D'ARPINO M ， et al . A generalized equivalent circuit model for large-scale battery packs with cell-to-cell variation ［C］// 2019 IEEE National Aerospace and Electronics Conference （NAECON）， July 15-19 ， 2019 ， Dayton， USA ： 24 - 30 .

WANG L M ， CHENG Y ， ZHAO X L . A LiFePO 4 battery pack capacity estimation approach considering in-parallel cell safety in electric vehicles ［J］. Applied Energy ， 2015 ， 142 ： 293 - 302 .

BERNARDI D ， PAWLIKOWSKI E ， NEWMAN J . A general energy balance for battery systems ［J］. Journal of the Electrochemical Society ， 1985 ， 132 （ 1 ）： 5 - 12 .

李勇，王丽芳，廖承林 . 电动车锂离子电池健康状态模型研究进展［J］. 电源技术， 2013 ， 37 （ 5 ）： 863 - 866 .

LI Yong ， WANG Lifang ， LIAO Chenglin . Advances of state of health modeling of lithium-ion battery for electric vehicles ［J］. Chinese Journal of Power Sources ， 2013 ， 37 （ 5 ）： 863 - 866 .

SONG Y C ， LIU D T ， PENG Y . Series-connected lithium-ion battery pack health modeling with cell inconsistency evaluation ［C］// 2019 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference （I2MTC）， May 20-23 ， 2019 ， Auckland， New Zealand .

LEE J ， AHN J H ， LEE B K . A novel li-ion battery pack modeling considerging single cell information and capacity variation ［C］// 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， October 1-5 ， 2017 ， Cincinnati， USA ： 5242 - 5247 .

刘红锐，张开翔，郭奕旋，等 . 一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器及其控制方法［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （增刊2 ）： 652 - 660 .

LIU Hongrui ， ZHANG Kaixiang ， GUO Yixuan ， et al . A multi-state energy equalizer and control methods for series battery system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ Supplement 2 ）： 652 - 660 .

张彩萍，姜久春，张维戈，等 . 梯次利用锂离子电池电化学阻抗模型及特性参数分析［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 1 ）： 54 - 58 .

ZHANG Caiping ， JIANG Jiuchun ， ZHANG Weige ， et al . Characterization of electrochemical impedance equivalent model and parameters for Li-ion batteries echelon use ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 1 ）： 54 - 58 .

李相俊，王上行，惠东 . 电池储能系统运行控制与应用方法综述及展望［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 10 ）： 3315 - 3325 .

LI Xiangjun ， WANG Shangxing ， HUI Dong . Summary and prospect of operation control and application method for battery energy storage systems ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 10 ）： 3315 - 3325 .

虞临波，寇鹏，冯玉涛，等 . 风储联合发电系统参与频率响应的模型预测控制策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 12 ）： 36 - 43 .

YU Linbo ， KOU Peng ， FENG Yutao ， et al . Model predictive control strategy for combined wind-storage system to participate in frequency response ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 12 ）： 36 - 43 .

李建林，牛萌，王上行，等 . 江苏电网侧百兆瓦级电池储能电站运行与控制分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 2 ）： 28 - 35 .

LI Jianlin ， NIU Meng ， WANG Shangxing ， et al . Operation and control analysis of 100 MW class battery energy storage station on grid side in Jiangsu power grid of China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 2 ）： 28 - 35 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

用于大规模新能源架空线路送出的储能型柔性直流输电系统

Optimal Configuration of Siting and Sizing for Grid-forming Battery Energy Storage Station Based on Multi-timescale Regulation

Multi-objective Optimal Scheduling Strategy for Energy Storage System Based on Improved Multi-agent Deep Deterministic Policy Gradient Algorithm

Robust Optimization Configuration for Energy Storage System Capacity Considering Uncertainty of Disturbance

Operation Strategy for Active Distribution Networks with Energy Storage Considering Energy-Reserve Joint Market Transaction

Related Author

XIAO Huangqing

ZHU Qionghai

HUANG Ying

ZHANG Lidong

ZHOU Baorong

LI Yan

YANG Tianxin

HUANG Yunhui

Related Institution

State Key Laboratory of Maritime Technology and Safety (Wuhan University of Technology)

School of Automation, Wuhan University of Technology

College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power

Academy of Intelligent Innovation, Shandong University

⁰