電網貯能和移動電站替代電源的設計與實現

林霄?李超

摘要：本文針對電網設備中的貯能電站、移動電站、各種終端電能和啟動電源等的應用現狀，結合國網設備未來發展的趨勢和需求，提出用新能源電源替代現有貯能用電和各類用電設備啟動電源的應用技術。

關鍵詞：電網;貯能;替代電源;設計

1 概述

隨著全球清潔、高效、低碳能源技術的快速發展，以及存在供電和用電各種場景的不平衡，各種貯能電站、車載移動電源、終端電能替代已逐步在電網中使用。而我國在貯能電站、移動電站、各種用電終端設備使用貯能和啟動電源等方面均大量配備了電容器、蓄電池和小型移動電站，這類貯能和移動電站在運行時存在能耗大、噪音高等問題，不滿足系統運行成本和安全問題等使用要求。為此，本文依據國網設備在貯能電站、移動電站、各種用電終端設備啟動電源等方面實際使用情況，提出了新能源電池組的設計方法。通過對不同的電池進行選取和組合設計，可以實現替換不同的貯能電站、移動電站和各種使用終端替代電源，為今后深入開展新能源電池在國家電網設備中的實際應用提供技術支持。

2 國內外現狀分析

隨著新能源電池技術的發展，各種有關新能源電池技術的報道也層出不窮，如氫能源電池技術、太陽能電池技術、石墨稀電池技術、鋰電池技術等。公開資料顯示英國AEA， SAFT America將鋰離子電池應用于通訊衛星和航空電池，日本的日產、富士等整車廠商都將鋰電池作為電動汽車的首選動力源。

3 新能源電池的設計與實現

通過比較和選型，本文重點針對技術和工藝相對成熟的某一型鋰離子電池技術進行應用設計分析和探討。

3.1 鋰離子電池的組成和工作原理

3.1.1 鋰離子電池的組成。本文研究的鋰離子電池主要由LiFePO4正極材料、MCMB中間相碳微球負極材料、高離子導電性電解質，PP/PE/PP三層結構隔膜和其它材料及零部件等構成。

3.1.2 鋰離子電池的工作原理。鋰離子電池充電工作原理：正極被氧化，所含的Li離子脫出，電解液中的Li離子向負極移動，并在負極表面得到電子，形成鋰碳（嵌鋰）化合物。

鋰離子電池放電工作原理：鑲嵌在負極碳素材料中的Li失去電子，被氧化成Li+，進入電解液，電解液內的Li+向正極移動，正極材料被還原，電解液中的鋰離子進入正極。

3.2 鋰離子電池的選取與設計

3.2.1 鋰離子電池的選取。大容量的鋰離子電池的設計一假都是首先選取合適的單體鋰電池，然后通過串數及容量沒計，最終實現設計指標。

3.2.2 鋰離子電池組的設計。針對不同的替代對象，或是電壓，放電量等技術指標要求，通過計算，選擇多個單體電池串聯或并聯，以達到替代電源的各項技術指標要求。

以某一貯能電站或移動電站特定替代電源設計為例：直流供電電壓為220V土10V，連續工作1小時，負載功率為12KW。

我們選擇磷酸鐵鋰單只標稱電壓為3.2V的電池作為本體;取69個串聯本體比較合適。這樣電壓范圍為220V±10V左右，然后進行容量推算：假設負載實際所需容量CO，負載要求容量C1，可得出以下推算公式：

C0=C1/K1×K2×K3

其中，K1——大電流放電系數;K2——溫度系數;K3——壽命曲線系數;

如果選擇用成熟的通過UL安全認證的40A/h的單體電池來組合，選擇69個本體串聯4組并聯能夠滿足貯能和移動電站用電需要。此時電池容量為160A/h。69個本體串聯電池組可分成4個電池模塊。不同的用電源可用不同電池的串并聯來實現。

3.2.3 鋰離子電池組電氣性能設計

a）電芯均衡電路設計

每個電池模塊電芯頂部放置電芯均衡電路，當電池在長期擱置后，通過多次充放電后電池的最大容量能恢復到擱置前電池的最大容量均衡起動點為3.6V，均衡電流約50mA。

b）過充過放保護功能設計

1）過放電保護：當多節電池中有一節達到1.5±0.05V達到1秒以上，電池的放電回路切斷，過故電保護解除通過充電來解除

2）過充電保護：當多節電池中有一節達到3.65±0.05V達到0.1秒以上，電池的放電回路切斷，過充電保護解除只要電壓降低到3.5±0.05V解除。

4 關鍵技術的設計實現

4.1 采用新型鐵鋰正極材料使電池安全性和使用壽命得到大幅提高

通過對幾種目前常用的鋰電池正極材料經過研究對比，不是充放電性能差，就是壽命短，不能滿足市場化的使用需要。采用新型磷酸鐵鋰正極材料能使鋰離子電池使用安全和壽命更長。

4.2 優化結構設計，采用新材料，使低溫高倍率放電得到大幅提高

國家電網分布東西南北，跨度大、溫差高。用電設備對高，低溫條件下的使用要求較高。因此，解決低溫條件下的鋰離子電池的高倍率放電是關鍵難點之一。一是在工藝上采用先進的疊層結構，與傳統卷繞結構比較具有熱分布更均勻、散熱性更好的特點：而且疊層極片是獨立多層組成，所以內阻更低，放電倍率更高，在使用過程中也就更安全：二是采用了低溫條件下不凝固的電解液，并添加納米管作為導電劑，不僅保證了鋰離子電池的低溫放電性能，而且大大提高了正極材料的電導率：三是單體電池間及電池模塊間的連接采用多層紫銅片壓接方式，通過集膚效應達到過大電流能力。通過優化設計和采用新材料，使電池能可靠地在一45℃低溫條件下進行3C以上電流放電。

4.3 經過大量的試驗驗證，解決了充放電效率和荷電保持的難題

高性能SEI膜是電池壽命、安全、倍率特性和低溫性能的關鍵.采用新的環狀碳酸酯——碳酸乙烯亞乙酯（VEC），比以往鋰離子電池上使用的碳酸亞乙烯酯（VC）更穩定，更不容易發生聚合，因而，較大的提高了鋰離子電池的充放電效率和循環特性。

鑒于磷酸鐵電池微量鐵雜質對SEI有催化分解作用，經過大量試驗證明，選用了VC+VEC復合SEI成膜劑，并經試驗驗證，使電池具有優良的荷電保持能力。

5 結論與啟示

5.1 選準目標，獲取經驗，逐步推廣

本文中我們對電網設備中的貯能電站、移動電站、各種用電設備終端的替代電源等方面進行了深入的設計分析研究，并結合國內新能源電池的技術發展現狀和實現的難易程度，我們認為應先易后難，在獲取貯能電站、移動電站、各種用電設備終端等應用的實際經驗后，然后再視情逐步推廣。先選擇小型功率的貯能電站、移動電站、各種用電設備終端進行替代能源設計，再進行大功率的貯能電站、移動電站等電源的替代，便于新能源電池的設計實現。

5.2 降低成本，跟蹤發展，配套使用

目前，新能源鋰離子電池在一次性購置費用上同相同容量的傳統貯能電容器及移動電站相比存在著明顯的價格偏高現象，這將直接影響新能源鋰離子電池的推廣便用范圍。在使用成熟新能源電池技術的同時，努力跟蹤新能源電池技術的發展趨勢，要下大力提升電池的單位體積容量等基本使用性能，不斷研制和采用新型材料，發展新型電池技術，特別是全固態鋰離子電池技術，使現有電池能量密度從200-300WV/h快速提高到400-500WV/h能量密度的水平，并大幅降低電池生產成本。只有這樣，才能提高產品的性價比，才能促進新能源電池在電網設備領域里大幅推廣。

（作者單位：國網電子商務有限公司（國網金融科技集團）雙創中心）