三維設計在國網電化學儲能電站中的應用

楊先進，邱 凌，徐慶鋒

(杭州市電力設計院有限公司，浙江 杭州 310014)

隨著國網電化學儲能電站技術的不斷發展，儲能電站在空間布局、能源利用效率等方面的要求也逐漸提高。傳統的二維設計，空間感較弱，往往在設計和后續維護過程中，有考慮不周的地方，三維(3D)設計則可以有效彌補二維設計的不足，在當前的工業設計等領域的應用越來越廣泛，在國網電化學儲能電站等的設計及后續管理、維護中，也得到了一定的應用。

1 三維設計簡介

三維設計是在二維設計的基礎上，在第3個維度進行空間設計、尺寸規劃的設計方法，通常會依托一些智能化、數字化的設計工具，如計算機3D設計軟件，將二維設計圖紙轉化為可視性更強、更加直觀的立體模型，目前已成為工業行業較為常用的一種設計方法。在二維平面設計中，通常采用浮動和相對定位的方法進行平面布局，從而使各個模塊處于同一平面內，但通常為了照顧到視野和使用需要，在進行平面布局時，很容易產生結構上的視覺“bug”，干擾技術人員判斷，使得設計效率大打折扣。隨著計算機技術的不斷更新進步，工業對于設計的要求越來越高，二維設計已逐漸難以滿足更高的設計要求，最終將轉化為成熟的三維設計技術。相較于二維設計技術，三維設計更加直觀、具體、形象，且能夠規避二維視覺帶來的負面影響，實現更加精準的設計。從原理上來看，三維設計以二維設計為基礎，由二維空間多層疊加形成，但無論多么復雜的二維空間反饋，在三維設計中均表現為多個層的疊加，通過調整各層的顯示邏輯，即可實現三維布局的重構，達到觀察實物的效果。目前常用的三維設計軟件有：PRO/E、UG、3Dmapx和solidworks等。不同軟件所側重的方向和人群有所不同，工業設計中使用較多的為solidworks和PRO/E。

2 三維設計在一般電池設計中的應用

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、充放電狀態和結構演變進行分析，主要工具為有限元模擬，主要研究對象包括叉指結構、同心結構和非周期性多孔結構的三維電池。

叉指結構利用正負極相互交錯的平板或者棒狀結構實現。電極中電流密度分布不均是其存在的固有問題，由此導致的局部極化以及電極邊緣的副反應，可能是影響電池能量提升的關鍵。理論模擬結果指出，調節電極形狀、改變電極高度以及提高電極和電解液的電導率等方式，可以改善叉指結構電池的電流分布問題。

正負極的同心結構設計以及薄電解質層，在某種程度上增加了電池本身的能量密度。同心結構可以較大程度地降低正負極之間的距離，加快電荷轉移的速率，提升電池的倍率性能。理論模擬表明，調整同心結構間的距離與電極的高度，可以實現電池材料的充分利用。

非周期性多孔結構電池由于具有獨特的孔結構，可以為電子和離子提供多個傳輸通道，有助于高性能電池的進一步開發。在非周期性多孔結構電池中，孔隙率是影響電極電流分布和電極材料利用率的關鍵因素。研究人員可以通過分析理論模擬的結果，更有針對性地調整電極的孔隙結構，實現電極優化設計。

綜上所述，理論模擬為電池結構的構建和優化提供了參考標準，為三維結構電池的發展提供了理論支撐。隨著數值仿真技術的不斷發展，研究者能夠建立更符合電極實際狀態、更準確表現電極在電化學過程中演變和更為通用的理論模型，為三維結構電池的進一步發展“保駕護航”。

2.2 電池PACK三維結構設計的應用

在電池設計中，目前較為常見的三維結構設計應用是電池PACK結構設計。電池PACK結構設計是指電池組合設計，即通過電池的零部件或者單獨的子電池，根據能量輸出需要、體積控制需要等指標，共同組成PACK。隨著電動汽車的迅速發展，鋰離子電池的電池PACK技術大大提高。電池PACK一般由專門的企業來做，主要集中在鋰離子電池PACK工廠，擁有自己的結構設計、電子設計方案和生產車間。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車間進行規?；膭恿﹄姵丶庸ず蜕a，品質檢驗合格的產品就會供應給相應的車企，完成裝配。其中的組裝過程，就使用到電池PACK三維結構設計，通過事先對組裝后電池的體積、容量、尺寸等主要參數進行限定，用三維結構設計軟件，來設計出符合各項參數要求的電池組合。

2.3 3D打印技術在電池設計中的應用

3D打印技術真正滿足了三維結構設計在電池設計中的個性化要求，優點主要有：①根據數字模型直接得到成型樣件，中間過程無需人工處理，產品制作周期短；②可以根據需要制造設計的孔隙結構或任何復雜幾何形狀；③支持建設柔性生產線，能夠根據設計數據，制造不同尺寸和形狀的電極；④可降低電池產線的投入和運營成本，如設備、人工、能耗和維護等；⑤降低電池制造、電池研發試錯成本，減少電池非活性材料的用量，如銅箔、鋁箔、隔膜等；⑥解放設計思維、自由創造、所想即所得，支持新型電池的研發與制造。

與傳統的涂覆疊片技術相比，3D打印讓電池制造流程更加快速簡單，成本低廉、可定制、更智能，能夠以最少的材料浪費，一步完成復雜結構的制備，具有對環境無污染、能耗低等優勢。

3 三維設計在電化學儲能電站中的應用

3.1 儲能電站

儲能電站是利用各類設施進行電能靜態存儲或循環存儲的專用設施，在功能上與“電池”類似，能夠存儲、轉換、釋放電網中的電能，在用電低峰大量存儲電能，在用電高峰釋放電能，確保電網中電能的穩定供給，實現國家電網運營的穩定和城市供電穩定、用電安全。在我國，以抽水儲能電站和超大型電池組最為普遍。抽水儲能在我國應用的時間較長，技術已經相對成熟；超大型電池組尚處于試驗階段，主要與新能源發電的逐漸普及有關。隨著新能源的廣泛應用，超大容量電池組一類的儲能電站會越來越多。

3.2 三維設計在鋰離子儲能電池中的應用

在各種電化學儲能設備中，鋰離子電池的應用領域最廣泛。一般來說，鋰離子電池包括正極、負極、液態有機電解質、聚合物微孔隔膜和一對電極集流體等。目前，實驗室和工業制備的鋰離子電池電極，絕大部分采用傳統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劑所混合而成的漿料，加以表面涂覆。這種技術簡便易行、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、長時間循環后容易脫落等缺點。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平整金屬箔集流體的設計思路，開始逐步嘗試應用到鋰離子電池的研究中。三維設計及其數字化、自動化應用，是當前工業行業的趨勢，再結合使用無黏結劑的活性材料沉積生長等方式，鋰離子電池的電化學性能將得到較大幅度的提升。

這種三維設計在鋰離子儲能電池中應用的思路主要有以下幾點：①應采用高導電性和低密度的材料(如石墨烯、微納米結構碳纖維)，以提升電池總體的比容量；②應使用沉積生長等無黏結劑的方式來負載活性材料，有利于維持多孔結構和長循環穩定性；③不宜使用具有無規則孔徑形狀和尺寸分布的泡沫狀多孔材料；④應具有孔徑大小適中、孔徑方向平行且三維正交的結構特點。

3.3 三維設計在國網電化學儲能電站中的應用

如果說將三維設計應用于儲能鋰離子電池中的三維多孔層狀集流體設計，屬于微觀層面的應用，那么目前將三維設計應用于國網電化學儲能電站，則屬于宏觀層面的應用。三維設計在國網電化學儲能電站中的應用，主要是指通過三維設計軟件，將國網電化學儲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能電站設備。這種搭建，一方面需要滿足參數的要求；另一方面，應考慮后續的維修是否方便，電池更換成本如何，儲能站整體的散熱性及安全性是否符合要求等問題。同時，三維設計還被應用于后期的國網電化學儲能電池站的維護和管理，比如在三維設計軟件中對各只電池進行編號，便于后續快速查找故障電池；也可以根據客戶需要，進行局部的再設計等；依托三維設計軟件，建立對儲能電池站的三維監控系統，保障儲能電池的正常工作等。

4 結語

綜上所述，隨著技術的逐漸成熟，三維設計在國網電化學儲能電站的應用也逐漸深入，除了設計外，在后期管理、故障排查、安全維護等領域，將發揮越來越重要的作用。三維設計技術，也逐漸與物聯網、人工智能等相結合，以更加智能化的方式，不斷服務于工業發展。