儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

王宇曦，潘均英，胥王斌，翟立強(qiáng)

（深圳昱澤新能源有限公司，廣東深圳 518000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)電能的需求量也在逐漸增多，鋰電池儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)輸發(fā)配用中的作用正逐漸凸顯。綜合性?xún)?chǔ)能系統(tǒng)擁有許多的優(yōu)質(zhì)特性，例如，科學(xué)技術(shù)性、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)規(guī)模、操作手段多樣性等，電池儲(chǔ)能在規(guī)?；４鎯?chǔ)藏科技中擁有良好的運(yùn)用前景，國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等先后建造了兆瓦級(jí)電池蓄能發(fā)電工廠示范性項(xiàng)目工程，部分能量?jī)?chǔ)存公司也搭建了千瓦到兆瓦級(jí)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而電池成組之后，發(fā)生了顯著的性能降低和安全問(wèn)題，變成了北兆級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用推廣的短板。

1 鋰電池儲(chǔ)能成組技術(shù)

鋰電池的快速發(fā)展，依賴(lài)于新型能源材料開(kāi)發(fā)及綜合技術(shù)的進(jìn)步。目前力神公司采用的鋰電池經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，成功掌握了lifeposh4的特性，并采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的正極和負(fù)極材料，生產(chǎn)到目前為止，無(wú)一安全失效事故。功率型鋰電池采用正極磷酸鐵鋰材料。該材料具有比容量高，循環(huán)性能好，性能穩(wěn)定，材料一致性好等材料，從而從原材料角度保證了電池的性能。

電池外殼采用鋁材質(zhì)，與鋼殼電池相比更加安全和減輕重量，提升了電池能量密度。鋁殼電池表面自然生產(chǎn)的致密的氧化物保護(hù)膜，使得電池殼使用年限更長(zhǎng)，且耐腐蝕。

2 電池組塊功效的干擾原因

由于電池連接方式的限制以及集成技術(shù)的約束，相對(duì)于單個(gè)電池，電池組的能量、功率等主要參數(shù)均達(dá)不到單個(gè)電池的水平。電池組非常容易發(fā)生單個(gè)電池的過(guò)度充電、過(guò)電流和超溫狀況，并有顯著的容量衰減。電池組使用壽命比單獨(dú)電池減少了好幾倍甚至十倍以上，單個(gè)鋰電池可以循環(huán)系統(tǒng)大約2 500次，然而在成組后，即使性能較好的電池組使用次數(shù)也只有1 250次左右。

組成電池組的每一個(gè)電池在最初的性能上均存有一些差距。舉例來(lái)說(shuō)，在電池使用的過(guò)程中，由于充電與放電的完整過(guò)程、自身放電情況，導(dǎo)致容量大小不同的單個(gè)電池的不一致性趨于惡化。容積小的存在大電流過(guò)度充電、過(guò)度放電的問(wèn)題，而容量大的電池存在小電流淺充淺放，時(shí)間一長(zhǎng)，一部分電池因長(zhǎng)期充電不足而鈍化，另一部分電池長(zhǎng)期性過(guò)多充放電而受到損傷，最終影響到了電池組的運(yùn)行壽命。

圖1 單電池

3 鋰電池儲(chǔ)能電池選型

鋰電池儲(chǔ)能電池在能量密度、功率密度、響應(yīng)速度和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)模等方面均具有不同的表現(xiàn)，同時(shí)電力系統(tǒng)也對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的各種應(yīng)用提出了不同的技術(shù)要求。因而必須兼顧各方面需求，選擇合適的鋰電池儲(chǔ)能電池應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模目前在不斷擴(kuò)大中，并且各種電化學(xué)儲(chǔ)能均具有北兆級(jí)電站運(yùn)行，在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用，也是本工程的首選。國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能廠商較多，市場(chǎng)供應(yīng)量充足。

就電化學(xué)儲(chǔ)能的能量密度，充放電效率、儲(chǔ)能損耗、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)效率等方面分析，對(duì)于各種電化學(xué)儲(chǔ)能，鉛酸電池成本低，技術(shù)成熟，但是壽命短，充放電次數(shù)低。鈉硫電池目前還處于試運(yùn)行階段，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有工程運(yùn)行實(shí)例。而鋰電池能量密度大、可快速充放電，使用壽命長(zhǎng)，沒(méi)有環(huán)境污染。考慮到以上因素，綜合考慮本工程的實(shí)際情況，絕定采用鋰電池。

對(duì)于鋰電池，目前使用較為廣泛的是磷酸鐵鋰電池，生產(chǎn)磷酸鐵鋰的電池廠家較多，供貨量充足，技術(shù)也較為成熟。磷酸鐵鋰電池不同的容量，其標(biāo)稱(chēng)電壓和工作電壓范圍大致相同，最大充電倍率和最大放電倍率存在不同，電池容量越小，電芯尺寸越小；同樣，電池容量越大，重量能量密度和體積能量密度越大。目前磷酸鐵鋰電池制造工藝較為成熟，綜合考慮，并結(jié)合建設(shè)單位意見(jiàn)，目前項(xiàng)目中普遍選擇磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能應(yīng)用。為了保證儲(chǔ)能電站安全可靠、高效、長(zhǎng)壽命運(yùn)行，選用的儲(chǔ)能逆變器主要充分考慮以下原則：響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)精度高、雙向調(diào)節(jié)能力要強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率高。在品牌方面，要選用國(guó)內(nèi)外知名品牌逆變器。在認(rèn)證方面，需要有權(quán)威機(jī)構(gòu)頒發(fā)的認(rèn)證。在效率方面，要選用高效儲(chǔ)能逆變器，最大效率高達(dá)98.5%及以上（無(wú)隔離變）。在壽命方面，需要滿足5年的設(shè)計(jì)使用壽命。充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間＜100 ms。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)相關(guān)政策分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)在當(dāng)下已經(jīng)得到良好的發(fā)展，但我國(guó)早在2005年便已經(jīng)增加對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)的投入度并關(guān)注技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)按照儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行謀劃。在此前提下編寫(xiě)《可再生能源發(fā)展指導(dǎo)目錄》，其中主要是對(duì)地下熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)、鋰電池儲(chǔ)能電池等技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)整理。在幾年的發(fā)展中，儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)得到了良好的發(fā)展，使儲(chǔ)能行業(yè)迅猛發(fā)展，儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)也隨著社會(huì)發(fā)展需求得到各方的重視。而在同年儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)首次出現(xiàn)在法案中，對(duì)電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)智能電網(wǎng)給出了相關(guān)政策，在相關(guān)法律保障措施出現(xiàn)后，為技術(shù)在市場(chǎng)中大范圍傳播奠定基石。

2021年儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)更是成為發(fā)展議題，并列入《十二五戰(zhàn)略發(fā)展》計(jì)劃中，為進(jìn)一步推動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)發(fā)展，在同年推出很多文件，如《可再生能源十二五規(guī)劃》以及電力需求側(cè)管理方面的文件，在法律保障體系逐漸完善的背景下，為儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)向新的階段發(fā)展提供了道路。在“十三五”規(guī)劃期間，儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積淀已經(jīng)相對(duì)成熟且進(jìn)入新的領(lǐng)域，向智能電網(wǎng)與軌道交通方向滲透，而國(guó)家也在“十三五”規(guī)劃期間出臺(tái)了促進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策文件以及其他相關(guān)文件，由此使儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)得到大范圍應(yīng)用。在此期間優(yōu)化儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)使儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)逐漸向商業(yè)化階段過(guò)渡，在提高儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)應(yīng)用效果同時(shí)，還可以帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，將儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相互結(jié)合，進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)應(yīng)用的便捷性。

2021年是“十四五”規(guī)劃的開(kāi)局之年，在“十四五”時(shí)期需要鞏固以往的工作成果，還必須結(jié)合當(dāng)下發(fā)展時(shí)期，快速發(fā)現(xiàn)關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)文件內(nèi)容存在的不合時(shí)宜之處，需要快速推出修訂版。考慮到我國(guó)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)在2018年進(jìn)入商業(yè)化模式后已經(jīng)改變了生產(chǎn)模式，朝著大規(guī)模生產(chǎn)的方向推進(jìn)，為此必須結(jié)合超級(jí)電容鋰電池、光伏電池等載體，使儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)可以在智能電網(wǎng)軌道交通與其他領(lǐng)域中得到良好的應(yīng)用，根據(jù)各領(lǐng)域的需求不斷地?cái)U(kuò)大自身應(yīng)用范圍。在2020年初，國(guó)家能源局便根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)進(jìn)行的發(fā)展形態(tài)，要進(jìn)一步保證儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化可以可靠、安全地推進(jìn)，因此出臺(tái)各類(lèi)政策，希望可以使儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，而在此期間也出現(xiàn)很多新興的儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)，在相應(yīng)管控下使新興技術(shù)可以得到標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。國(guó)家能源局、國(guó)家發(fā)改委與教育部在2020年聯(lián)合印發(fā)了與儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)學(xué)科發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃。鼓勵(lì)儲(chǔ)能新技術(shù)的研發(fā)，在相應(yīng)行動(dòng)計(jì)劃出臺(tái)后，及時(shí)解決了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)在發(fā)展中遇到的瓶頸問(wèn)題，使我國(guó)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)相應(yīng)產(chǎn)業(yè)也可以在時(shí)下乃至未來(lái)的一段時(shí)間快速發(fā)展。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)，提高技術(shù)的應(yīng)用效果，進(jìn)一步滿足了各領(lǐng)域的儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)的需求。

鋰電池與儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)關(guān)聯(lián)密切，因?yàn)槠渚邆涫褂弥芷陂L(zhǎng)，能量密度高的特征，所以在儲(chǔ)能領(lǐng)域中受到多方的矚目。鋰電池可以應(yīng)用在軍工供電、備用電源，智慧電源、光伏發(fā)電、軌道交通等儲(chǔ)能容器中，鋰電池與儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)屬于相互配合的關(guān)系，在雙方協(xié)調(diào)發(fā)展下滿足各個(gè)領(lǐng)域?qū)δ茉吹氖褂眯枨蟆?/p>

目前，我國(guó)市場(chǎng)對(duì)鋰電池的應(yīng)用可以分為鈦酸鋰、磷酸鐵鋰與三元體系等主流類(lèi)型，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)應(yīng)用中已合理地將鋰電池應(yīng)用在光伏儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能、不間斷應(yīng)急儲(chǔ)能電源與便攜式設(shè)備中。隨著我國(guó)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)的發(fā)展，鋰電池的出貨量也隨之增高。在2019年調(diào)查陽(yáng)光能源、比亞迪等企業(yè)出貨鋰電池的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)已超過(guò)1 000 MWh。

5 儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)應(yīng)用分析

目前隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)的高速發(fā)展，各領(lǐng)域的儲(chǔ)能工作的需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)也不斷調(diào)整。儲(chǔ)能可以劃分為化學(xué)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能與機(jī)械儲(chǔ)能5個(gè)類(lèi)別，其中電化學(xué)儲(chǔ)能在近幾年的市場(chǎng)份額占比較大。通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，截至2019年，我國(guó)投入使用的電化學(xué)儲(chǔ)能已經(jīng)超過(guò)1.9 GW，按照掌握的數(shù)據(jù)到2020年底，投入市場(chǎng)使用的電化學(xué)儲(chǔ)能可達(dá)到10 GW，在其后的一段時(shí)間中，電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模將會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)暴漲的情況。

鋰電池儲(chǔ)能在電化學(xué)儲(chǔ)能中占據(jù)較重要的位置，基本占領(lǐng)電化學(xué)市場(chǎng)超過(guò)2/3的份額。鋰電池儲(chǔ)能可以為電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航提供保障，還可以解決傳統(tǒng)風(fēng)電儲(chǔ)能與光伏儲(chǔ)能間歇式問(wèn)題。在用戶側(cè)儲(chǔ)能領(lǐng)域因?yàn)殇囯姵氐某霈F(xiàn)，使儲(chǔ)能工作可以應(yīng)用在家庭儲(chǔ)能、電儲(chǔ)充電站、備用電源等場(chǎng)所。

按照十四五規(guī)劃的發(fā)展要求，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)當(dāng)下發(fā)展情形，對(duì)技術(shù)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行預(yù)判，鋰電池將會(huì)在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的背景下迎來(lái)新的發(fā)展階段，并朝著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的方向發(fā)展。

目前，能源局為了進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)發(fā)展的平穩(wěn)性，已經(jīng)著手建設(shè)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系，要求各部門(mén)參與相關(guān)工作，健全儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織，按照工作要求打造標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能工作機(jī)制，為我國(guó)儲(chǔ)能與國(guó)際接軌奠定基礎(chǔ)。另一方面，鋰電池儲(chǔ)能會(huì)在當(dāng)下乃至未來(lái)的一段時(shí)間，按照能源局的改革號(hào)召，相關(guān)領(lǐng)域朝著電網(wǎng)與充電設(shè)備互動(dòng)的方向進(jìn)行研究，希望可以讓充電、儲(chǔ)能、用電連接在一起，實(shí)現(xiàn)智能一體化建設(shè)目標(biāo)，打造互聯(lián)網(wǎng)體系，使用電具備智能化特性，還會(huì)在將來(lái)的一段時(shí)間中考慮到交通以及其他領(lǐng)域?qū)δ茉吹男枨?，積極地推進(jìn)鋰電池智能一體化建設(shè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

融合現(xiàn)階段中國(guó)技術(shù)現(xiàn)況，現(xiàn)階段儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池組技術(shù)運(yùn)用的可行方向是以技術(shù)方面積極推動(dòng)精品工程的示范性運(yùn)作，為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和基礎(chǔ)理論推進(jìn)給予充足的測(cè)試數(shù)據(jù)信息和服務(wù)平臺(tái)使用。將來(lái)需主要提升的技術(shù)包含：加速大空間單個(gè)電池的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單化電池控制模塊的串行通信并行處理連接、控制模塊規(guī)范化運(yùn)用，靈活地電池歸類(lèi)多余維護(hù)和高效率地控制模塊均衡操縱?，F(xiàn)階段電池一致性差別和穩(wěn)定性情況鑒別較低的限定，數(shù)據(jù)分析科學(xué)研究在各種各樣應(yīng)用場(chǎng)景和運(yùn)用情況下電池組常見(jiàn)故障方式和使用壽命、電池組剩余壽命預(yù)測(cè)以外，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的大量集成化運(yùn)用離不了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)電池儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化器、智能管理系統(tǒng)在中間的融洽。因而，變流器和電池配對(duì)技術(shù)、高效率的控制方法也是儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組運(yùn)用的關(guān)鍵。