電網(wǎng)貯能和移動(dòng)電站替代電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林霄?李超

摘要：本文針對(duì)電網(wǎng)設(shè)備中的貯能電站、移動(dòng)電站、各種終端電能和啟動(dòng)電源等的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)網(wǎng)設(shè)備未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)和需求，提出用新能源電源替代現(xiàn)有貯能用電和各類(lèi)用電設(shè)備啟動(dòng)電源的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);貯能;替代電源;設(shè)計(jì)

1 概述

隨著全球清潔、高效、低碳能源技術(shù)的快速發(fā)展，以及存在供電和用電各種場(chǎng)景的不平衡，各種貯能電站、車(chē)載移動(dòng)電源、終端電能替代已逐步在電網(wǎng)中使用。而我國(guó)在貯能電站、移動(dòng)電站、各種用電終端設(shè)備使用貯能和啟動(dòng)電源等方面均大量配備了電容器、蓄電池和小型移動(dòng)電站，這類(lèi)貯能和移動(dòng)電站在運(yùn)行時(shí)存在能耗大、噪音高等問(wèn)題，不滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行成本和安全問(wèn)題等使用要求。為此，本文依據(jù)國(guó)網(wǎng)設(shè)備在貯能電站、移動(dòng)電站、各種用電終端設(shè)備啟動(dòng)電源等方面實(shí)際使用情況，提出了新能源電池組的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)不同的電池進(jìn)行選取和組合設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)替換不同的貯能電站、移動(dòng)電站和各種使用終端替代電源，為今后深入開(kāi)展新能源電池在國(guó)家電網(wǎng)設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

隨著新能源電池技術(shù)的發(fā)展，各種有關(guān)新能源電池技術(shù)的報(bào)道也層出不窮，如氫能源電池技術(shù)、太陽(yáng)能電池技術(shù)、石墨稀電池技術(shù)、鋰電池技術(shù)等。公開(kāi)資料顯示英國(guó)AEA， SAFT America將鋰離子電池應(yīng)用于通訊衛(wèi)星和航空電池，日本的日產(chǎn)、富士等整車(chē)廠商都將鋰電池作為電動(dòng)汽車(chē)的首選動(dòng)力源。

3 新能源電池的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)比較和選型，本文重點(diǎn)針對(duì)技術(shù)和工藝相對(duì)成熟的某一型鋰離子電池技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)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(fù)極材料、高離子導(dǎo)電性電解質(zhì)，PP/PE/PP三層結(jié)構(gòu)隔膜和其它材料及零部件等構(gòu)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(fù)極移動(dòng)，并在負(fù)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(fù)極碳素材料中的Li失去電子，被氧化成Li+，進(jìn)入電解液，電解液內(nèi)的Li+向正極移動(dòng)，正極材料被還原，電解液中的鋰離子進(jìn)入正極。

3.2 鋰離子電池的選取與設(shè)計(jì)

3.2.1 鋰離子電池的選取。大容量的鋰離子電池的設(shè)計(jì)一假都是首先選取合適的單體鋰電池，然后通過(guò)串?dāng)?shù)及容量沒(méi)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.2.2 鋰離子電池組的設(shè)計(jì)。針對(duì)不同的替代對(duì)象，或是電壓，放電量等技術(shù)指標(biāo)要求，通過(guò)計(jì)算，選擇多個(gè)單體電池串聯(lián)或并聯(lián)，以達(dá)到替代電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

以某一貯能電站或移動(dòng)電站特定替代電源設(shè)計(jì)為例：直流供電電壓為220V土10V，連續(xù)工作1小時(shí)，負(fù)載功率為12KW。

我們選擇磷酸鐵鋰單只標(biāo)稱(chēng)電壓為3.2V的電池作為本體;取69個(gè)串聯(lián)本體比較合適。這樣電壓范圍為220V±10V左右，然后進(jìn)行容量推算：假設(shè)負(fù)載實(shí)際所需容量CO，負(fù)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(shù);K2——溫度系數(shù);K3——壽命曲線系數(shù);

如果選擇用成熟的通過(guò)UL安全認(rèn)證的40A/h的單體電池來(lái)組合，選擇69個(gè)本體串聯(lián)4組并聯(lián)能夠滿(mǎn)足貯能和移動(dòng)電站用電需要。此時(shí)電池容量為160A/h。69個(gè)本體串聯(lián)電池組可分成4個(gè)電池模塊。不同的用電源可用不同電池的串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 鋰離子電池組電氣性能設(shè)計(jì)

a）電芯均衡電路設(shè)計(jì)

每個(gè)電池模塊電芯頂部放置電芯均衡電路，當(dāng)電池在長(zhǎng)期擱置后，通過(guò)多次充放電后電池的最大容量能恢復(fù)到擱置前電池的最大容量均衡起動(dòng)點(diǎn)為3.6V，均衡電流約50mA。

b）過(guò)充過(guò)放保護(hù)功能設(shè)計(jì)

1）過(guò)放電保護(hù)：當(dāng)多節(jié)電池中有一節(jié)達(dá)到1.5±0.05V達(dá)到1秒以上，電池的放電回路切斷，過(guò)故電保護(hù)解除通過(guò)充電來(lái)解除

2）過(guò)充電保護(hù)：當(dāng)多節(jié)電池中有一節(jié)達(dá)到3.65±0.05V達(dá)到0.1秒以上，電池的放電回路切斷，過(guò)充電保護(hù)解除只要電壓降低到3.5±0.05V解除。

4 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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(guò)對(duì)幾種目前常用的鋰電池正極材料經(jīng)過(guò)研究對(duì)比，不是充放電性能差，就是壽命短，不能滿(mǎn)足市場(chǎng)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(zhǎng)。

4.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用新材料，使低溫高倍率放電得到大幅提高

國(guó)家電網(wǎng)分布東西南北，跨度大、溫差高。用電設(shè)備對(duì)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(guān)鍵難點(diǎn)之一。一是在工藝上采用先進(jìn)的疊層結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)卷繞結(jié)構(gòu)比較具有熱分布更均勻、散熱性更好的特點(diǎn)：而且疊層極片是獨(dú)立多層組成，所以?xún)?nèi)阻更低，放電倍率更高，在使用過(guò)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(dǎo)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(dǎo)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(guò)集膚效應(yīng)達(dá)到過(guò)大電流能力。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和采用新材料，使電池能可靠地在一45℃低溫條件下進(jìn)行3C以上電流放電。

4.3 經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)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(guān)鍵.采用新的環(huán)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(wěn)定，更不容易發(fā)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(huán)特性。

鑒于磷酸鐵電池微量鐵雜質(zhì)對(duì)SEI有催化分解作用，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)證明，選用了VC+VEC復(fù)合SEI成膜劑，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，使電池具有優(yōu)良的荷電保持能力。

5 結(jié)論與啟示

5.1 選準(zhǔn)目標(biāo)，獲取經(jīng)驗(yàn)，逐步推廣

本文中我們對(duì)電網(wǎng)設(shè)備中的貯能電站、移動(dòng)電站、各種用電設(shè)備終端的替代電源等方面進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)分析研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)新能源電池的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)現(xiàn)的難易程度，我們認(rèn)為應(yīng)先易后難，在獲取貯能電站、移動(dòng)電站、各種用電設(shè)備終端等應(yīng)用的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)后，然后再視情逐步推廣。先選擇小型功率的貯能電站、移動(dòng)電站、各種用電設(shè)備終端進(jìn)行替代能源設(shè)計(jì)，再進(jìn)行大功率的貯能電站、移動(dòng)電站等電源的替代，便于新能源電池的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

5.2 降低成本，跟蹤發(fā)展，配套使用

目前，新能源鋰離子電池在一次性購(gòu)置費(fèi)用上同相同容量的傳統(tǒng)貯能電容器及移動(dòng)電站相比存在著明顯的價(jià)格偏高現(xiàn)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(shù)的同時(shí)，努力跟蹤新能源電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，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(fā)展新型電池技術(shù)，特別是全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)，使現(xiàn)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(chǎn)成本。只有這樣，才能提高產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比，才能促進(jìn)新能源電池在電網(wǎng)設(shè)備領(lǐng)域里大幅推廣。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)電子商務(wù)有限公司（國(guó)網(wǎng)金融科技集團(tuán)）雙創(chuàng)中心）