儲能用鈦酸鋰電池研制及系統集成技術研發與應用

摘? 要：憑借鈦酸鋰電池的高安全、長壽命、強環境適應性的特性，實現了儲能設備的高安全化、輕量化、高能效。鈦酸鋰儲能系統助力中國能源戰略升級革新、削峰填谷、調頻調功、備用電源、沒有費電，沒有斷電，徹底解決能源安全問題，智能管控，讓每個家庭永不停電。

關鍵詞：鈦酸鋰電池;儲能系統;新能源產業;研發與應用

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0152-02

Abstract： Relying on the characteristics of high safety， long life and strong environmental adaptability of LTO batteries， high safety， light weight and high energy efficiency of energy storage equipment have been achieved. LTO energy storage system helps China's energy strategy upgrade and innovation and cut the peak filling valleys， frequency and power modulation， backup power， no electricity consumption， no power outage， completely solve the problem of energy security， intelligent management and control， so that each family will never lose power.

Keywords： LTO battery; energy storage system; new energy industry; R & D and application

前言

鈦酸鋰儲能系統，安全控制的關鍵性突破，具有結構優化以及技術創新的特點，可達到業內領先水平;系統集成技術研發與應用到實際生產中，可淘汰傳統能源的環境污染;同時，利用鈦酸鋰電池循環壽命長、耐寬溫、高能效、快速充放電等特點，相比鉛酸電池的性價比提高，非常適合用于儲能領域，預計到2020年鋰電池儲能市場規模將增長到500億元，具有較高的經濟效益。

1 鈦酸鋰電池系統特點

1.1 采用鈦酸鋰電池技術

鈦酸鋰電池在充放電時，鋰離子嵌入和脫嵌不會造成鈦酸鋰晶型結構的變化，結構非常穩定，幾乎沒有影響，鈦酸鋰電池充放電次數可達3萬次，35年循環使用壽命，優勢十分明顯。

1.2 突破傳統石墨負極二維層狀結構

鈦酸鋰材料突破了傳統石墨負極二維層狀結構的局限，具有穩定的三維晶體結構，被稱為“零應變材料”，與石墨負極材料相比，鈦酸鋰材料幾乎不形成穩定性較差的SEI膜，避免了SEI膜在極端條件下分解再生成所導致的失控，極大降低了電池起火、爆炸的隱患。具有耐機械沖擊、切割、電鉆、跌落、槍擊、擠壓、振動、翻轉、碰撞，防火、防潮、防腐蝕功能測試后，不出現起火、爆炸、泄漏及破裂等現象。

1.3 解決高倍率充放電、耐寬溫問題

鈦酸鋰材料對鋰金屬電位更高，避免了電池在過充過程中生成鋰枝晶，安全穩定性更好;鈦酸鋰電池的尖晶石結構具有三維鋰離子擴散通道，可10C高倍率充放電;鈦酸鋰電池在高低溫性能上的表現也十分優異、耐寬溫性能良好、耐用性強，在-50℃～60℃的超高溫范圍內實現完全充放電，適用于高寒高熱等復雜地區使用，可消除用戶的后顧之憂。

1.4 高效熱管理技術

鈦酸鋰電池系統采用熱管理技術風冷式PACK設計，風道寬度寬，散熱效率高，倍率循環溫升15K，具有良好的導熱及散熱性能，根據溫度對電池性能的影響，結合電池的電化學特性與產熱機理，不出現熱失控現象，保證電池工作在最佳溫度區間。

1.5 采用BMS電池管理系統

BMS電池管理系統具備總壓采集、單體電壓采集、電流采集、絕緣監測、風冷控制、液冷控制、加熱控制、主動均衡、遠程監控、容量管理、充電管理、配電管理等全方位功能，采用雙向主動均衡，高能量單體直接轉移到低能量單體，快速均衡容量及電壓。電池管理系統可以有效保證單體電池成組后在安全、壽命、放電能力等方面具有優良的性能及一致性，有效保護電池過充、過放、過溫、過流等功能，同時可避免長時間、高倍率充放電狀況下導致的單體電池不平衡、溫度分布不均勻而產生的模塊間不平衡等問題，保護動力電池在全生命周期下安全、高效使用，電池使用壽命達到十年免維護。

2 儲能系統應用

儲能用鈦酸鋰電池研制及系統集成技術研發與應用，憑借超長的循環壽命和優越的安全性能，公司的儲能系統產品在國際上已進入美國、歐盟市場并多年穩定運行，廣泛應用于新能源汽車、家庭儲能、工業儲能、軌道交通、軍事儲能、機房基站后備電源等場合，在運用于電網調頻、穩定風力發電和太陽能發電的同時，還用于港口搬運設備、無軌電車、有軌電車、鐵路運輸、波浪發電等領域，具有廣闊市場前景和應用價值，將項目研究成果推廣應用于各個相關聯公司及企業，取得了巨大的經濟和社會效益。

2.1 鐵塔通信基站一體化鈦酸鋰電池儲能系統

通信基站遍布全國，基站負載需要24小時不間斷供電，之前大多使用傳統鉛酸電池作為其備用電源，但由于其循環次數較低，幾乎一年更換一次電池，維護成本極高，隨著鋰電池價格下降，相比鉛酸電池的性價比提高，鈦酸鋰電池在通信基站的應用將逐漸增長。

2.2 交通燈等后備電源儲能系統

主要用于交通燈及各移動機房、銀行等需要后備電源場合，在市電停電時，系統自動切換電池供電，保證負載用電正常。隨著城市建設的飛速發展，交通燈及各移動機房、銀行等需要后備電源儲能系統市場規模也將快速增長。

2.3 集裝箱儲能系統

用于電網調頻調功、削峰填谷，南方電網863項目2MW鈦酸鋰儲能電站，是中國第一個兆瓦級鈦酸鋰電池儲能站，世界上首個10kV無變壓器直掛電網的電池儲能系統的示范工程;國網冀北電力有限公司國家風光儲輸示范工程是另一個集裝箱儲能系統案例。

3 新能源產業

3.1 國內新能源產業的戰略部署

新能源產業的儲能行業政府也給予了高度重視，2017年10月，國家發改委、能源局、財政部、科技部、工信部聯合下發《關于促進我國儲能技術與產業發展的指導意見》，該指導性政策確立了我國儲能行業從短期到中長期的發展方向，明確提出未來10年內分兩個階段推進相關工作，第一階段實現儲能由研發示范向商業化初期過渡;第二階段實現商業化初期向規模化發展轉變。

3.2 我司新能源儲能項目的發展情況

公司的儲能模塊由鋰離子電池配合先進的電源管理系統組合而成;通過優化的模塊結構和完善的電池管理軟件，可實現現場更換電池單元、高響應速率、高一致性等特點，能夠實現多種功率的快速調度、瞬時響應，能夠穩定、有效地解決多元化電力系統的功率頻率調節控制管理問題和風光電并網的削峰填谷問題，可為家庭、工廠、軌道、通信基站、發電廠、電網公司等解決能源利用問題。

4 總結

鈦酸鋰材料位于鋰離子電池產業鏈的中上游，其上游環節是鈦礦資源開采與二氧化鈦的制備，下游環節是鈦酸鋰電池的研制。隨著各種技術的飛速發展，鈦酸鋰電池也將在多個領域取代傳統的鉛酸、鎳鎘、鎳氫等蓄電池，其優越的性能優勢，可產生巨大的市場份額及盈利空間。

鈦酸鋰電池儲能系統主要由：鈦酸鋰電池系統、電池管理系統、控制繼電器等器件組成，在充放電過程中，BMS實時采集電池單體電壓、溫度參數、電流等參數，并進行分析記錄，當檢測到電池過壓、欠壓、過溫、過流等異常情況時，電池管理系統進行報警，必要時切斷充放電回路，保護鈦酸鋰電池系統。

4.1 鈦酸鋰電池儲能-電管理系統

（1）電池管理系統主控單元（BMU）。BMU作為控制中心，負責整個系統的運行過程監控、數據處理、控制策略實現和外界通訊控制，具備以下功能：電流檢測：采用全范圍、等精度的傳感器和高精度芯片，滿足電流檢測和能量累積的需要。SOC估算：基于電流積分及OCV等算法的SOC估算。容量累積：可記錄電池組的累積充放電容量。

CAN通信：提供3路高速CAN通訊接口

充放電管理：充放電過程中，BMS依據電池系統的當前狀態，為充電機或控制器實時提供電池系統的最佳充放電電流，以供充電機或控制器合理調度電池組能量，提高系統的整體性能。

（2）電池管理系統采集均衡模塊（BSU）。BSU是獲取電池狀態最直接和最重要的部分，安裝在電池箱上，支持采樣基準電壓在線自校準功能，主要功能如下：單體電池電壓檢測：BMU可管理不同節數電池，最少不小于12串單體電池的電壓檢測。根據具體項目需求，可通過參數靈活配置以適應不同的檢測通道數量需求。

溫度檢測：采用NTC探頭或者數字溫度傳感器，可以完成高精度電池溫度檢測，同時具有溫度傳感器故障識別功能和故障定位功能。單個檢測單元可支持最少3個溫度檢測點。多點檢測利于溫度場分析，給冷卻系統提供更詳實的數據。

均衡控制：高效均衡控制。基于SOC差異均衡或者單體壓差過大的均衡策略，在充放電整個工作過程實行有條件的均衡，均衡電流不小于2A。

CAN通信：提供1路高速CAN通訊接口，將采集到的單體電池電壓信息、溫度信息、均衡狀態信息及其它檢測板的狀態信息發送給主控單元或監控設備。同時，檢測單元通過該CAN通訊接口接收主控單元發送過來的控制命令并進行執行。

4.2 鈦酸鋰電池儲能-熱管理系統

（1）從理論上充分分析PACK的電、熱、機械保護措施，進行有效的電管理、熱管理、機械管理，將管理措施貫徹到工作的每一步驟，可大量減少由于PACK系統中電、熱、機械管理不當而導致的安全事故，提升電動汽車的安全性和消費者的認可，為電動汽車的普及提供技術支持。（2）設計階段，就開始電、熱、機械管理綜合設計，突破傳統設計方法中的先采用經典理想模型進行靜態整體分析，做出實物后進行驗證修改的設計思路，做到產品設計提前預防，減少設計的盲目性，可縮短開發周期50%，降低開發成本30%，減少設計風險50%，產生良好的企業效益。（3）動力電池電、熱、機械綜合管理平臺的建立，大大減少設計工程師的工作量，加快動力電池領域的人才隊伍建設，設計者依靠平臺的理論進行設計，可從繁重的理論分析中解脫，對產品的思維也非常清晰。（4）動力電池電、熱、機械綜合管理平臺的建立，將為行業的發展提供一個示范作用，加快電池PACK的電、熱、機械的有效管理。（5）精確的電、熱、機械管理分析，良好的PACK設計，對提高電芯壽命，降低電動汽車能源消耗，提高續航里程有良好的促進作用。

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