儲能系統中電池成組技術及應用現狀

王宇曦，潘均英，胥王斌，翟立強

（深圳昱澤新能源有限公司，廣東深圳 518000）

隨著我國經濟的不斷發展，對電能的需求量也在逐漸增多，鋰電池儲能在電力系統輸發配用中的作用正逐漸凸顯。綜合性儲能系統擁有許多的優質特性，例如，科學技術性、市場營銷規模、操作手段多樣性等，電池儲能在規模化保存儲藏科技中擁有良好的運用前景，國家電網、南方電網等先后建造了兆瓦級電池蓄能發電工廠示范性項目工程，部分能量儲存公司也搭建了千瓦到兆瓦級的電池儲能系統。然而電池成組之后，發生了顯著的性能降低和安全問題，變成了北兆級電池儲能系統應用推廣的短板。

1 鋰電池儲能成組技術

鋰電池的快速發展，依賴于新型能源材料開發及綜合技術的進步。目前力神公司采用的鋰電池經過多年的技術積累，成功掌握了lifeposh4的特性，并采用具有自主知識產權的正極和負極材料，生產到目前為止，無一安全失效事故。功率型鋰電池采用正極磷酸鐵鋰材料。該材料具有比容量高，循環性能好，性能穩定，材料一致性好等材料，從而從原材料角度保證了電池的性能。

電池外殼采用鋁材質，與鋼殼電池相比更加安全和減輕重量，提升了電池能量密度。鋁殼電池表面自然生產的致密的氧化物保護膜，使得電池殼使用年限更長，且耐腐蝕。

2 電池組塊功效的干擾原因

由于電池連接方式的限制以及集成技術的約束，相對于單個電池，電池組的能量、功率等主要參數均達不到單個電池的水平。電池組非常容易發生單個電池的過度充電、過電流和超溫狀況，并有顯著的容量衰減。電池組使用壽命比單獨電池減少了好幾倍甚至十倍以上，單個鋰電池可以循環系統大約2 500次，然而在成組后，即使性能較好的電池組使用次數也只有1 250次左右。

組成電池組的每一個電池在最初的性能上均存有一些差距。舉例來說，在電池使用的過程中，由于充電與放電的完整過程、自身放電情況，導致容量大小不同的單個電池的不一致性趨于惡化。容積小的存在大電流過度充電、過度放電的問題，而容量大的電池存在小電流淺充淺放，時間一長，一部分電池因長期充電不足而鈍化，另一部分電池長期性過多充放電而受到損傷，最終影響到了電池組的運行壽命。

圖1 單電池

3 鋰電池儲能電池選型

鋰電池儲能電池在能量密度、功率密度、響應速度和儲能系統容量規模等方面均具有不同的表現，同時電力系統也對儲能系統的各種應用提出了不同的技術要求。因而必須兼顧各方面需求，選擇合適的鋰電池儲能電池應用于電力系統中。電化學儲能規模目前在不斷擴大中，并且各種電化學儲能均具有北兆級電站運行，在世界各地得到了廣泛的應用，也是本工程的首選。國內電化學儲能廠商較多，市場供應量充足。

就電化學儲能的能量密度，充放電效率、儲能損耗、循環次數、循環效率等方面分析，對于各種電化學儲能，鉛酸電池成本低，技術成熟，但是壽命短，充放電次數低。鈉硫電池目前還處于試運行階段，國內幾乎沒有工程運行實例。而鋰電池能量密度大、可快速充放電，使用壽命長，沒有環境污染。考慮到以上因素，綜合考慮本工程的實際情況，絕定采用鋰電池。

對于鋰電池，目前使用較為廣泛的是磷酸鐵鋰電池，生產磷酸鐵鋰的電池廠家較多，供貨量充足，技術也較為成熟。磷酸鐵鋰電池不同的容量，其標稱電壓和工作電壓范圍大致相同，最大充電倍率和最大放電倍率存在不同，電池容量越小，電芯尺寸越小；同樣，電池容量越大，重量能量密度和體積能量密度越大。目前磷酸鐵鋰電池制造工藝較為成熟，綜合考慮，并結合建設單位意見，目前項目中普遍選擇磷酸鐵鋰電池作為儲能應用。為了保證儲能電站安全可靠、高效、長壽命運行，選用的儲能逆變器主要充分考慮以下原則：響應速度快、調節速率快、調節精度高、雙向調節能力要強、轉換效率高。在品牌方面，要選用國內外知名品牌逆變器。在認證方面，需要有權威機構頒發的認證。在效率方面，要選用高效儲能逆變器，最大效率高達98.5%及以上（無隔離變）。在壽命方面，需要滿足5年的設計使用壽命。充放電轉換時間＜100 ms。

4 儲能系統中電池成組技術相關政策分析

儲能系統中電池成組技術在當下已經得到良好的發展，但我國早在2005年便已經增加對儲能系統中電池成組技術的投入度并關注技術的發展動態，同時按照儲能產業的戰略目標進行謀劃。在此前提下編寫《可再生能源發展指導目錄》，其中主要是對地下熱能儲存系統、鋰電池儲能電池等技術進行分類整理。在幾年的發展中，儲能系統中電池成組技術得到了良好的發展，使儲能行業迅猛發展，儲能系統中電池成組技術也隨著社會發展需求得到各方的重視。而在同年儲能系統中電池成組技術首次出現在法案中，對電網企業應用儲能系統中電池成組技術智能電網給出了相關政策，在相關法律保障措施出現后，為技術在市場中大范圍傳播奠定基石。

2021年儲能系統中電池成組技術更是成為發展議題，并列入《十二五戰略發展》計劃中，為進一步推動儲能系統中電池成組技術發展，在同年推出很多文件，如《可再生能源十二五規劃》以及電力需求側管理方面的文件，在法律保障體系逐漸完善的背景下，為儲能系統中電池成組技術向新的階段發展提供了道路。在“十三五”規劃期間，儲能系統中電池成組技術經過一段時間的積淀已經相對成熟且進入新的領域，向智能電網與軌道交通方向滲透，而國家也在“十三五”規劃期間出臺了促進儲能系統中電池成組技術新產業發展的政策文件以及其他相關文件，由此使儲能系統中電池成組技術得到大范圍應用。在此期間優化儲能結構使儲能系統中電池成組技術逐漸向商業化階段過渡，在提高儲能系統中電池成組技術應用效果同時，還可以帶來良好的經濟效益與社會效益，將儲能系統中電池成組技術與互聯網相互結合，進一步提高儲能系統中電池成組技術應用的便捷性。

2021年是“十四五”規劃的開局之年，在“十四五”時期需要鞏固以往的工作成果，還必須結合當下發展時期，快速發現關于促進儲能系統中電池成組技術與產業發展指導意見文件內容存在的不合時宜之處，需要快速推出修訂版?？紤]到我國儲能系統中電池成組技術在2018年進入商業化模式后已經改變了生產模式，朝著大規模生產的方向推進，為此必須結合超級電容鋰電池、光伏電池等載體，使儲能系統中電池成組技術可以在智能電網軌道交通與其他領域中得到良好的應用，根據各領域的需求不斷地擴大自身應用范圍。在2020年初，國家能源局便根據儲能系統中電池成組技術進行的發展形態，要進一步保證儲能標準化可以可靠、安全地推進，因此出臺各類政策，希望可以使儲能系統中電池成組技術標準化生產，而在此期間也出現很多新興的儲能系統中電池成組技術，在相應管控下使新興技術可以得到標準化應用。國家能源局、國家發改委與教育部在2020年聯合印發了與儲能系統中電池成組技術相關的專業學科發展行動計劃。鼓勵儲能新技術的研發，在相應行動計劃出臺后，及時解決了儲能系統中電池成組技術在發展中遇到的瓶頸問題，使我國儲能系統中電池成組技術相應產業也可以在時下乃至未來的一段時間快速發展。隨著儲能系統中電池成組技術的優化升級，提高技術的應用效果，進一步滿足了各領域的儲能系統中電池成組技術的需求。

鋰電池與儲能系統中電池成組技術關聯密切，因為其具備使用周期長，能量密度高的特征，所以在儲能領域中受到多方的矚目。鋰電池可以應用在軍工供電、備用電源，智慧電源、光伏發電、軌道交通等儲能容器中，鋰電池與儲能系統中電池成組技術屬于相互配合的關系，在雙方協調發展下滿足各個領域對能源的使用需求。

目前，我國市場對鋰電池的應用可以分為鈦酸鋰、磷酸鐵鋰與三元體系等主流類型，在儲能系統中電池成組技術應用中已合理地將鋰電池應用在光伏儲能、電動汽車儲能、不間斷應急儲能電源與便攜式設備中。隨著我國儲能系統中電池成組技術的發展，鋰電池的出貨量也隨之增高。在2019年調查陽光能源、比亞迪等企業出貨鋰電池的數量，發現已超過1 000 MWh。

5 儲能系統中電池成組技術應用分析

目前隨著儲能系統中電池成組技術的高速發展，各領域的儲能工作的需求，儲能系統也不斷調整。儲能可以劃分為化學儲能、電化學儲能、熱儲能、電氣儲能與機械儲能5個類別，其中電化學儲能在近幾年的市場份額占比較大。通過數據進行調查，截至2019年，我國投入使用的電化學儲能已經超過1.9 GW，按照掌握的數據到2020年底，投入市場使用的電化學儲能可達到10 GW，在其后的一段時間中，電化學儲能規模將會出現數量級暴漲的情況。

鋰電池儲能在電化學儲能中占據較重要的位置，基本占領電化學市場超過2/3的份額。鋰電池儲能可以為電動汽車實現長時間續航提供保障，還可以解決傳統風電儲能與光伏儲能間歇式問題。在用戶側儲能領域因為鋰電池的出現，使儲能工作可以應用在家庭儲能、電儲充電站、備用電源等場所。

按照十四五規劃的發展要求，以及儲能系統中電池成組技術當下發展情形，對技術未來發展進行預判，鋰電池將會在儲能產業規?；a的背景下迎來新的發展階段，并朝著標準化、智能化的方向發展。

目前，能源局為了進一步提高儲能系統中電池成組技術發展的平穩性，已經著手建設儲能標準體系，要求各部門參與相關工作，健全儲能標準化技術組織，按照工作要求打造標準儲能工作機制，為我國儲能與國際接軌奠定基礎。另一方面，鋰電池儲能會在當下乃至未來的一段時間，按照能源局的改革號召，相關領域朝著電網與充電設備互動的方向進行研究，希望可以讓充電、儲能、用電連接在一起，實現智能一體化建設目標，打造互聯網體系，使用電具備智能化特性，還會在將來的一段時間中考慮到交通以及其他領域對能源的需求，積極地推進鋰電池智能一體化建設。

6 結束語

融合現階段中國技術現況，現階段儲能系統中電池組技術運用的可行方向是以技術方面積極推動精品工程的示范性運作，為電池儲能系統的進一步技術發展趨勢和基礎理論推進給予充足的測試數據信息和服務平臺使用。將來需主要提升的技術包含：加速大空間單個電池的開發設計、簡單化電池控制模塊的串行通信并行處理連接、控制模塊規范化運用，靈活地電池歸類多余維護和高效率地控制模塊均衡操縱?，F階段電池一致性差別和穩定性情況鑒別較低的限定，數據分析科學研究在各種各樣應用場景和運用情況下電池組常見故障方式和使用壽命、電池組剩余壽命預測以外，電池儲能系統的大量集成化運用離不了儲能系統中電池成組技術電池儲能轉化器、智能管理系統在中間的融洽。因而，變流器和電池配對技術、高效率的控制方法也是儲能系統電池組運用的關鍵。