三維設(shè)計(jì)在國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用

楊先進(jìn)，邱 凌，徐慶鋒

(杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310014)

隨著國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站技術(shù)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)能電站在空間布局、能源利用效率等方面的要求也逐漸提高。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，空間感較弱，往往在設(shè)計(jì)和后續(xù)維護(hù)過程中，有考慮不周的地方，三維(3D)設(shè)計(jì)則可以有效彌補(bǔ)二維設(shè)計(jì)的不足，在當(dāng)前的工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站等的設(shè)計(jì)及后續(xù)管理、維護(hù)中，也得到了一定的應(yīng)用。

1 三維設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

三維設(shè)計(jì)是在二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在第3個(gè)維度進(jìn)行空間設(shè)計(jì)、尺寸規(guī)劃的設(shè)計(jì)方法，通常會(huì)依托一些智能化、數(shù)字化的設(shè)計(jì)工具，如計(jì)算機(jī)3D設(shè)計(jì)軟件，將二維設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為可視性更強(qiáng)、更加直觀的立體模型，目前已成為工業(yè)行業(yè)較為常用的一種設(shè)計(jì)方法。在二維平面設(shè)計(jì)中，通常采用浮動(dòng)和相對(duì)定位的方法進(jìn)行平面布局，從而使各個(gè)模塊處于同一平面內(nèi)，但通常為了照顧到視野和使用需要，在進(jìn)行平面布局時(shí)，很容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的視覺“bug”，干擾技術(shù)人員判斷，使得設(shè)計(jì)效率大打折扣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新進(jìn)步，工業(yè)對(duì)于設(shè)計(jì)的要求越來越高，二維設(shè)計(jì)已逐漸難以滿足更高的設(shè)計(jì)要求，最終將轉(zhuǎn)化為成熟的三維設(shè)計(jì)技術(shù)。相較于二維設(shè)計(jì)技術(shù)，三維設(shè)計(jì)更加直觀、具體、形象，且能夠規(guī)避二維視覺帶來的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。從原理上來看，三維設(shè)計(jì)以二維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，由二維空間多層疊加形成，但無論多么復(fù)雜的二維空間反饋，在三維設(shè)計(jì)中均表現(xiàn)為多個(gè)層的疊加，通過調(diào)整各層的顯示邏輯，即可實(shí)現(xiàn)三維布局的重構(gòu)，達(dá)到觀察實(shí)物的效果。目前常用的三維設(shè)計(jì)軟件有：PRO/E、UG、3Dmapx和solidworks等。不同軟件所側(cè)重的方向和人群有所不同，工業(yè)設(shè)計(jì)中使用較多的為solidworks和PRO/E。

2 三維設(shè)計(jì)在一般電池設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 三維電池的理論模擬

三維電池的理論模擬主要圍繞電極的電流分布、充放電狀態(tài)和結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行分析，主要工具為有限元模擬，主要研究對(duì)象包括叉指結(jié)構(gòu)、同心結(jié)構(gòu)和非周期性多孔結(jié)構(gòu)的三維電池。

叉指結(jié)構(gòu)利用正負(fù)極相互交錯(cuò)的平板或者棒狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。電極中電流密度分布不均是其存在的固有問題，由此導(dǎo)致的局部極化以及電極邊緣的副反應(yīng)，可能是影響電池能量提升的關(guān)鍵。理論模擬結(jié)果指出，調(diào)節(jié)電極形狀、改變電極高度以及提高電極和電解液的電導(dǎo)率等方式，可以改善叉指結(jié)構(gòu)電池的電流分布問題。

正負(fù)極的同心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及薄電解質(zhì)層，在某種程度上增加了電池本身的能量密度。同心結(jié)構(gòu)可以較大程度地降低正負(fù)極之間的距離，加快電荷轉(zhuǎn)移的速率，提升電池的倍率性能。理論模擬表明，調(diào)整同心結(jié)構(gòu)間的距離與電極的高度，可以實(shí)現(xiàn)電池材料的充分利用。

非周期性多孔結(jié)構(gòu)電池由于具有獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)，可以為電子和離子提供多個(gè)傳輸通道，有助于高性能電池的進(jìn)一步開發(fā)。在非周期性多孔結(jié)構(gòu)電池中，孔隙率是影響電極電流分布和電極材料利用率的關(guān)鍵因素。研究人員可以通過分析理論模擬的結(jié)果，更有針對(duì)性地調(diào)整電極的孔隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電極優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述，理論模擬為電池結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和優(yōu)化提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，為三維結(jié)構(gòu)電池的發(fā)展提供了理論支撐。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者能夠建立更符合電極實(shí)際狀態(tài)、更準(zhǔn)確表現(xiàn)電極在電化學(xué)過程中演變和更為通用的理論模型，為三維結(jié)構(gòu)電池的進(jìn)一步發(fā)展“保駕護(hù)航”。

2.2 電池PACK三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在電池設(shè)計(jì)中，目前較為常見的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用是電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指電池組合設(shè)計(jì)，即通過電池的零部件或者單獨(dú)的子電池，根據(jù)能量輸出需要、體積控制需要等指標(biāo)，共同組成PACK。隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，鋰離子電池的電池PACK技術(shù)大大提高。電池PACK一般由專門的企業(yè)來做，主要集中在鋰離子電池PACK工廠，擁有自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)方案和生產(chǎn)車間。PACK工廠按照車企的要求將電池組裝成需要的形狀和大小，在自己的PACK車間進(jìn)行規(guī)?；膭?dòng)力電池加工和生產(chǎn)，品質(zhì)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品就會(huì)供應(yīng)給相應(yīng)的車企，完成裝配。其中的組裝過程，就使用到電池PACK三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過事先對(duì)組裝后電池的體積、容量、尺寸等主要參數(shù)進(jìn)行限定，用三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，來設(shè)計(jì)出符合各項(xiàng)參數(shù)要求的電池組合。

2.3 3D打印技術(shù)在電池設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)真正滿足了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電池設(shè)計(jì)中的個(gè)性化要求，優(yōu)點(diǎn)主要有：①根據(jù)數(shù)字模型直接得到成型樣件，中間過程無需人工處理，產(chǎn)品制作周期短；②可以根據(jù)需要制造設(shè)計(jì)的孔隙結(jié)構(gòu)或任何復(fù)雜幾何形狀；③支持建設(shè)柔性生產(chǎn)線，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，制造不同尺寸和形狀的電極；④可降低電池產(chǎn)線的投入和運(yùn)營成本，如設(shè)備、人工、能耗和維護(hù)等；⑤降低電池制造、電池研發(fā)試錯(cuò)成本，減少電池非活性材料的用量，如銅箔、鋁箔、隔膜等；⑥解放設(shè)計(jì)思維、自由創(chuàng)造、所想即所得，支持新型電池的研發(fā)與制造。

與傳統(tǒng)的涂覆疊片技術(shù)相比，3D打印讓電池制造流程更加快速簡(jiǎn)單，成本低廉、可定制、更智能，能夠以最少的材料浪費(fèi)，一步完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備，具有對(duì)環(huán)境無污染、能耗低等優(yōu)勢(shì)。

3 三維設(shè)計(jì)在電化學(xué)儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用

3.1 儲(chǔ)能電站

儲(chǔ)能電站是利用各類設(shè)施進(jìn)行電能靜態(tài)存儲(chǔ)或循環(huán)存儲(chǔ)的專用設(shè)施，在功能上與“電池”類似，能夠存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、釋放電網(wǎng)中的電能，在用電低峰大量存儲(chǔ)電能，在用電高峰釋放電能，確保電網(wǎng)中電能的穩(wěn)定供給，實(shí)現(xiàn)國家電網(wǎng)運(yùn)營的穩(wěn)定和城市供電穩(wěn)定、用電安全。在我國，以抽水儲(chǔ)能電站和超大型電池組最為普遍。抽水儲(chǔ)能在我國應(yīng)用的時(shí)間較長，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟；超大型電池組尚處于試驗(yàn)階段，主要與新能源發(fā)電的逐漸普及有關(guān)。隨著新能源的廣泛應(yīng)用，超大容量電池組一類的儲(chǔ)能電站會(huì)越來越多。

3.2 三維設(shè)計(jì)在鋰離子儲(chǔ)能電池中的應(yīng)用

在各種電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備中，鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛。一般來說，鋰離子電池包括正極、負(fù)極、液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)、聚合物微孔隔膜和一對(duì)電極集流體等。目前，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)制備的鋰離子電池電極，絕大部分采用傳統(tǒng)的金屬箔作為集流體，配以粉狀的活性材料，加上炭黑和聚合物黏結(jié)劑所混合而成的漿料，加以表面涂覆。這種技術(shù)簡(jiǎn)便易行、成本低廉，但是在平整金屬箔上涂覆漿料的方式具有比表面積低、活性材料容易積聚、長時(shí)間循環(huán)后容易脫落等缺點(diǎn)。為解決這些問題，近年來，采用三維多孔層狀集流體來替代傳統(tǒng)平整金屬箔集流體的設(shè)計(jì)思路，開始逐步嘗試應(yīng)用到鋰離子電池的研究中。三維設(shè)計(jì)及其數(shù)字化、自動(dòng)化應(yīng)用，是當(dāng)前工業(yè)行業(yè)的趨勢(shì)，再結(jié)合使用無黏結(jié)劑的活性材料沉積生長等方式，鋰離子電池的電化學(xué)性能將得到較大幅度的提升。

這種三維設(shè)計(jì)在鋰離子儲(chǔ)能電池中應(yīng)用的思路主要有以下幾點(diǎn)：①應(yīng)采用高導(dǎo)電性和低密度的材料(如石墨烯、微納米結(jié)構(gòu)碳纖維)，以提升電池總體的比容量；②應(yīng)使用沉積生長等無黏結(jié)劑的方式來負(fù)載活性材料，有利于維持多孔結(jié)構(gòu)和長循環(huán)穩(wěn)定性；③不宜使用具有無規(guī)則孔徑形狀和尺寸分布的泡沫狀多孔材料；④應(yīng)具有孔徑大小適中、孔徑方向平行且三維正交的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

3.3 三維設(shè)計(jì)在國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用

如果說將三維設(shè)計(jì)應(yīng)用于儲(chǔ)能鋰離子電池中的三維多孔層狀集流體設(shè)計(jì)，屬于微觀層面的應(yīng)用，那么目前將三維設(shè)計(jì)應(yīng)用于國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站，則屬于宏觀層面的應(yīng)用。三維設(shè)計(jì)在國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用，主要是指通過三維設(shè)計(jì)軟件，將國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電池搭建成一整套符合功率要求、能量輸出要求和體積要求的儲(chǔ)能電站設(shè)備。這種搭建，一方面需要滿足參數(shù)的要求；另一方面，應(yīng)考慮后續(xù)的維修是否方便，電池更換成本如何，儲(chǔ)能站整體的散熱性及安全性是否符合要求等問題。同時(shí)，三維設(shè)計(jì)還被應(yīng)用于后期的國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電池站的維護(hù)和管理，比如在三維設(shè)計(jì)軟件中對(duì)各只電池進(jìn)行編號(hào)，便于后續(xù)快速查找故障電池；也可以根據(jù)客戶需要，進(jìn)行局部的再設(shè)計(jì)等；依托三維設(shè)計(jì)軟件，建立對(duì)儲(chǔ)能電池站的三維監(jiān)控系統(tǒng)，保障儲(chǔ)能電池的正常工作等。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著技術(shù)的逐漸成熟，三維設(shè)計(jì)在國網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的應(yīng)用也逐漸深入，除了設(shè)計(jì)外，在后期管理、故障排查、安全維護(hù)等領(lǐng)域，將發(fā)揮越來越重要的作用。三維設(shè)計(jì)技術(shù)，也逐漸與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相結(jié)合，以更加智能化的方式，不斷服務(wù)于工業(yè)發(fā)展。