儲能用鈦酸鋰電池研制及系統(tǒng)集成技術研發(fā)與應用

摘? 要：憑借鈦酸鋰電池的高安全、長壽命、強環(huán)境適應性的特性，實現(xiàn)了儲能設備的高安全化、輕量化、高能效。鈦酸鋰儲能系統(tǒng)助力中國能源戰(zhàn)略升級革新、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)功、備用電源、沒有費電，沒有斷電，徹底解決能源安全問題，智能管控，讓每個家庭永不停電。

關鍵詞：鈦酸鋰電池;儲能系統(tǒng);新能源產(chǎn)業(yè);研發(fā)與應用

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0152-02

Abstract： Relying on the characteristics of high safety， long life and strong environmental adaptability of LTO batteries， high safety， light weight and high energy efficiency of energy storage equipment have been achieved. LTO energy storage system helps China's energy strategy upgrade and innovation and cut the peak filling valleys， frequency and power modulation， backup power， no electricity consumption， no power outage， completely solve the problem of energy security， intelligent management and control， so that each family will never lose power.

Keywords： LTO battery; energy storage system; new energy industry; R & D and application

前言

鈦酸鋰儲能系統(tǒng)，安全控制的關鍵性突破，具有結構優(yōu)化以及技術創(chuàng)新的特點，可達到業(yè)內(nèi)領先水平;系統(tǒng)集成技術研發(fā)與應用到實際生產(chǎn)中，可淘汰傳統(tǒng)能源的環(huán)境污染;同時，利用鈦酸鋰電池循環(huán)壽命長、耐寬溫、高能效、快速充放電等特點，相比鉛酸電池的性價比提高，非常適合用于儲能領域，預計到2020年鋰電池儲能市場規(guī)模將增長到500億元，具有較高的經(jīng)濟效益。

1 鈦酸鋰電池系統(tǒng)特點

1.1 采用鈦酸鋰電池技術

鈦酸鋰電池在充放電時，鋰離子嵌入和脫嵌不會造成鈦酸鋰晶型結構的變化，結構非常穩(wěn)定，幾乎沒有影響，鈦酸鋰電池充放電次數(shù)可達3萬次，35年循環(huán)使用壽命，優(yōu)勢十分明顯。

1.2 突破傳統(tǒng)石墨負極二維層狀結構

鈦酸鋰材料突破了傳統(tǒng)石墨負極二維層狀結構的局限，具有穩(wěn)定的三維晶體結構，被稱為“零應變材料”，與石墨負極材料相比，鈦酸鋰材料幾乎不形成穩(wěn)定性較差的SEI膜，避免了SEI膜在極端條件下分解再生成所導致的失控，極大降低了電池起火、爆炸的隱患。具有耐機械沖擊、切割、電鉆、跌落、槍擊、擠壓、振動、翻轉、碰撞，防火、防潮、防腐蝕功能測試后，不出現(xiàn)起火、爆炸、泄漏及破裂等現(xiàn)象。

1.3 解決高倍率充放電、耐寬溫問題

鈦酸鋰材料對鋰金屬電位更高，避免了電池在過充過程中生成鋰枝晶，安全穩(wěn)定性更好;鈦酸鋰電池的尖晶石結構具有三維鋰離子擴散通道，可10C高倍率充放電;鈦酸鋰電池在高低溫性能上的表現(xiàn)也十分優(yōu)異、耐寬溫性能良好、耐用性強，在-50℃～60℃的超高溫范圍內(nèi)實現(xiàn)完全充放電，適用于高寒高熱等復雜地區(qū)使用，可消除用戶的后顧之憂。

1.4 高效熱管理技術

鈦酸鋰電池系統(tǒng)采用熱管理技術風冷式PACK設計，風道寬度寬，散熱效率高，倍率循環(huán)溫升15K，具有良好的導熱及散熱性能，根據(jù)溫度對電池性能的影響，結合電池的電化學特性與產(chǎn)熱機理，不出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，保證電池工作在最佳溫度區(qū)間。

1.5 采用BMS電池管理系統(tǒng)

BMS電池管理系統(tǒng)具備總壓采集、單體電壓采集、電流采集、絕緣監(jiān)測、風冷控制、液冷控制、加熱控制、主動均衡、遠程監(jiān)控、容量管理、充電管理、配電管理等全方位功能，采用雙向主動均衡，高能量單體直接轉移到低能量單體，快速均衡容量及電壓。電池管理系統(tǒng)可以有效保證單體電池成組后在安全、壽命、放電能力等方面具有優(yōu)良的性能及一致性，有效保護電池過充、過放、過溫、過流等功能，同時可避免長時間、高倍率充放電狀況下導致的單體電池不平衡、溫度分布不均勻而產(chǎn)生的模塊間不平衡等問題，保護動力電池在全生命周期下安全、高效使用，電池使用壽命達到十年免維護。

2 儲能系統(tǒng)應用

儲能用鈦酸鋰電池研制及系統(tǒng)集成技術研發(fā)與應用，憑借超長的循環(huán)壽命和優(yōu)越的安全性能，公司的儲能系統(tǒng)產(chǎn)品在國際上已進入美國、歐盟市場并多年穩(wěn)定運行，廣泛應用于新能源汽車、家庭儲能、工業(yè)儲能、軌道交通、軍事儲能、機房基站后備電源等場合，在運用于電網(wǎng)調(diào)頻、穩(wěn)定風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的同時，還用于港口搬運設備、無軌電車、有軌電車、鐵路運輸、波浪發(fā)電等領域，具有廣闊市場前景和應用價值，將項目研究成果推廣應用于各個相關聯(lián)公司及企業(yè)，取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

2.1 鐵塔通信基站一體化鈦酸鋰電池儲能系統(tǒng)

通信基站遍布全國，基站負載需要24小時不間斷供電，之前大多使用傳統(tǒng)鉛酸電池作為其備用電源，但由于其循環(huán)次數(shù)較低，幾乎一年更換一次電池，維護成本極高，隨著鋰電池價格下降，相比鉛酸電池的性價比提高，鈦酸鋰電池在通信基站的應用將逐漸增長。

2.2 交通燈等后備電源儲能系統(tǒng)

主要用于交通燈及各移動機房、銀行等需要后備電源場合，在市電停電時，系統(tǒng)自動切換電池供電，保證負載用電正常。隨著城市建設的飛速發(fā)展，交通燈及各移動機房、銀行等需要后備電源儲能系統(tǒng)市場規(guī)模也將快速增長。

2.3 集裝箱儲能系統(tǒng)

用于電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)功、削峰填谷，南方電網(wǎng)863項目2MW鈦酸鋰儲能電站，是中國第一個兆瓦級鈦酸鋰電池儲能站，世界上首個10kV無變壓器直掛電網(wǎng)的電池儲能系統(tǒng)的示范工程;國網(wǎng)冀北電力有限公司國家風光儲輸示范工程是另一個集裝箱儲能系統(tǒng)案例。

3 新能源產(chǎn)業(yè)

3.1 國內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略部署

新能源產(chǎn)業(yè)的儲能行業(yè)政府也給予了高度重視，2017年10月，國家發(fā)改委、能源局、財政部、科技部、工信部聯(lián)合下發(fā)《關于促進我國儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，該指導性政策確立了我國儲能行業(yè)從短期到中長期的發(fā)展方向，明確提出未來10年內(nèi)分兩個階段推進相關工作，第一階段實現(xiàn)儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡;第二階段實現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉變。

3.2 我司新能源儲能項目的發(fā)展情況

公司的儲能模塊由鋰離子電池配合先進的電源管理系統(tǒng)組合而成;通過優(yōu)化的模塊結構和完善的電池管理軟件，可實現(xiàn)現(xiàn)場更換電池單元、高響應速率、高一致性等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功率的快速調(diào)度、瞬時響應，能夠穩(wěn)定、有效地解決多元化電力系統(tǒng)的功率頻率調(diào)節(jié)控制管理問題和風光電并網(wǎng)的削峰填谷問題，可為家庭、工廠、軌道、通信基站、發(fā)電廠、電網(wǎng)公司等解決能源利用問題。

4 總結

鈦酸鋰材料位于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的中上游，其上游環(huán)節(jié)是鈦礦資源開采與二氧化鈦的制備，下游環(huán)節(jié)是鈦酸鋰電池的研制。隨著各種技術的飛速發(fā)展，鈦酸鋰電池也將在多個領域取代傳統(tǒng)的鉛酸、鎳鎘、鎳氫等蓄電池，其優(yōu)越的性能優(yōu)勢，可產(chǎn)生巨大的市場份額及盈利空間。

鈦酸鋰電池儲能系統(tǒng)主要由：鈦酸鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、控制繼電器等器件組成，在充放電過程中，BMS實時采集電池單體電壓、溫度參數(shù)、電流等參數(shù)，并進行分析記錄，當檢測到電池過壓、欠壓、過溫、過流等異常情況時，電池管理系統(tǒng)進行報警，必要時切斷充放電回路，保護鈦酸鋰電池系統(tǒng)。

4.1 鈦酸鋰電池儲能-電管理系統(tǒng)

（1）電池管理系統(tǒng)主控單元（BMU）。BMU作為控制中心，負責整個系統(tǒng)的運行過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、控制策略實現(xiàn)和外界通訊控制，具備以下功能：電流檢測：采用全范圍、等精度的傳感器和高精度芯片，滿足電流檢測和能量累積的需要。SOC估算：基于電流積分及OCV等算法的SOC估算。容量累積：可記錄電池組的累積充放電容量。

CAN通信：提供3路高速CAN通訊接口

充放電管理：充放電過程中，BMS依據(jù)電池系統(tǒng)的當前狀態(tài)，為充電機或控制器實時提供電池系統(tǒng)的最佳充放電電流，以供充電機或控制器合理調(diào)度電池組能量，提高系統(tǒng)的整體性能。

（2）電池管理系統(tǒng)采集均衡模塊（BSU）。BSU是獲取電池狀態(tài)最直接和最重要的部分，安裝在電池箱上，支持采樣基準電壓在線自校準功能，主要功能如下：單體電池電壓檢測：BMU可管理不同節(jié)數(shù)電池，最少不小于12串單體電池的電壓檢測。根據(jù)具體項目需求，可通過參數(shù)靈活配置以適應不同的檢測通道數(shù)量需求。

溫度檢測：采用NTC探頭或者數(shù)字溫度傳感器，可以完成高精度電池溫度檢測，同時具有溫度傳感器故障識別功能和故障定位功能。單個檢測單元可支持最少3個溫度檢測點。多點檢測利于溫度場分析，給冷卻系統(tǒng)提供更詳實的數(shù)據(jù)。

均衡控制：高效均衡控制?；赟OC差異均衡或者單體壓差過大的均衡策略，在充放電整個工作過程實行有條件的均衡，均衡電流不小于2A。

CAN通信：提供1路高速CAN通訊接口，將采集到的單體電池電壓信息、溫度信息、均衡狀態(tài)信息及其它檢測板的狀態(tài)信息發(fā)送給主控單元或監(jiān)控設備。同時，檢測單元通過該CAN通訊接口接收主控單元發(fā)送過來的控制命令并進行執(zhí)行。

4.2 鈦酸鋰電池儲能-熱管理系統(tǒng)

（1）從理論上充分分析PACK的電、熱、機械保護措施，進行有效的電管理、熱管理、機械管理，將管理措施貫徹到工作的每一步驟，可大量減少由于PACK系統(tǒng)中電、熱、機械管理不當而導致的安全事故，提升電動汽車的安全性和消費者的認可，為電動汽車的普及提供技術支持。（2）設計階段，就開始電、熱、機械管理綜合設計，突破傳統(tǒng)設計方法中的先采用經(jīng)典理想模型進行靜態(tài)整體分析，做出實物后進行驗證修改的設計思路，做到產(chǎn)品設計提前預防，減少設計的盲目性，可縮短開發(fā)周期50%，降低開發(fā)成本30%，減少設計風險50%，產(chǎn)生良好的企業(yè)效益。（3）動力電池電、熱、機械綜合管理平臺的建立，大大減少設計工程師的工作量，加快動力電池領域的人才隊伍建設，設計者依靠平臺的理論進行設計，可從繁重的理論分析中解脫，對產(chǎn)品的思維也非常清晰。（4）動力電池電、熱、機械綜合管理平臺的建立，將為行業(yè)的發(fā)展提供一個示范作用，加快電池PACK的電、熱、機械的有效管理。（5）精確的電、熱、機械管理分析，良好的PACK設計，對提高電芯壽命，降低電動汽車能源消耗，提高續(xù)航里程有良好的促進作用。

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