儲能電池可靠性分析及儲能技術應用實踐

2024-10-28 00:00:00李忠坡

專用汽車 2024年9期

摘要：為提升儲能電池單元可靠性，首先分析了影響儲能充電站可靠運行的內外因素；然后從應用于電力系統、交通運輸及工業生產等三個方面闡述了儲能技術的具體應用情況，并針對儲能電池單元可靠性的提升進行了分析；最后對工業儲能電源系統集成技術趨勢進行了展望。

關鍵詞：儲能技術；電網平衡調節；能源管理

中圖分類號：U473.4 收稿日期：2024-07-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.024

1 前言

在現代工業經濟快速發展背景下，能源需求量發生了很大的改變。然而，能源生產與使用間的不匹配性矛盾是客觀存在的，因此有必要為儲能技術發展創造一定的條件。儲能技術是指能量以其他方式出現的整個過程，如有能量需求，可在短時間得到恢復［1］。該技術廣泛應用于現代工業經濟行業，特別是電網調度、可再生能源、智能家居及電動車等相關領域。

2 儲能充電站運行可靠性的影響因素

2.1 外部影響因素

a.電力供應。只有保障持續穩定地供應電力能源，充電站方可為電動汽車穩定提供充電服務，假若電力供應存在很大的波動，充電站將無法正常充電抑或充電太慢等現象。

b.環境與天氣，其中高低溫、潮濕或者干燥等不同天氣條件都將直接影響充電站運行的可靠性，充電設備及穩定供應電力能源受到一定的干擾［2］。

2.2 內部相關影響因素

a.充電設備。常用設備包含充電樁及充電槍等，需定期維檢以保障設備穩定運行。

b.充電網絡。日常運行過程中，它與電動汽車、電網等之間存在通信聯系，為充電服務提供保障。

c.安全管理。可靠的安全管理可為用戶提供安全保障。

d.檢測維修。充電站必須做好氫氣檢測維修，創造良好條件實現穩定運行。

e.人員自身素質。相關從業人員要具備扎實的專業知識及操作技能，促使電站更加可靠地傳送電力能源［3］。

3 工業經濟領域儲能技術具體應用

3.1 應用于電力系統

a.借助電力儲能技術，平衡電力負荷數值。在實際電力系統運行中，電力負荷隨著用電量的不同而不斷變化。應用此項技術時可在低谷時期做好電能儲存，在進入高峰時期將其充分釋放，以此促使電力負荷達到平衡。這樣就大大節省了運行成本，從而實現高效應用能源。

b.應用該技術可保障電力系統更加穩定與可靠的運行。如果出現電網故障或惡劣天氣等異常情況，將直接影響整個電力系統的穩定運行。使用該技術，備用能源可短時間內向電力系統傳送所需能源，為系統可靠運行奠定基礎。

c.電力儲能技術可使系統有更高的運行效率。電力系統運行中借助輸電電路完成能源傳送，但輸電線路中的電阻是客觀存在的，這使得部分電力能源會出現損耗。應用此項技術為輸電線路安裝相應的儲能設備，可提高儲存效率，減少損耗，提高整個系統的運行效率。

3.2 應用于交通運輸行業

儲能技術的應用，對交通運輸行業也是非常重要的，尤以電動汽車、油氣混合動力車以及公共交通系統等領域的應用最為明顯。當前，世界各國非常重視環境保護，新能源汽車市場規模逐步擴大，為交通行業應用儲能技術創造了良好的條件，其中電動汽車領域的應用是非常典型的。電動汽車加工制造中電池技術是核心之一。借助充電系統為車輛電池完成儲能操作，再借助電機將其轉換成所需要的機械能，為車輛前行提供驅動力。

相較之傳統燃油汽車，零排放、噪音小且高效應用的能源等是電動汽車的顯著優勢，與此同時也存在一些客觀性問題，如較短的續航里程、充電時間太長等，這些對車輛運行帶來了一定的影響。儲能技術的應用，可很好地緩解這些問題［4］。

另外，混合動力車也是儲能技術的重要應用領域之一，此類車輛驅動力來自多個動力源。利用儲能技術電動機完成電能儲存，高效應用內部燃油，以此減少能源損耗，降低污染排放量。該車能夠借助傳統燃油進行驅動，還可通過電力能源驅動，高效應用傳統能源與新能源，這是混合動力車的顯著優勢。

儲能技術應用于公共交通領域也是不容忽視的。我國加快城鎮化建設，很大程度上提高了公共交通需求量，因此儲能技術可以更為廣泛地應用在這一領域中。儲能技術應用于有軌電車、電動公共汽車等公共交通工具，大大地降低了車輛運行成本，提升了能源利用效率，起到了環境保護的作用，保障了健康綠色出行。

3.3 儲能技術在工業生產中的應用

工業生產中儲能技術的應用備受關注，實際生產中此項技術對電網負載有很好的平衡效果［5］。尤其是制造行業，應用該技術可保障產品生產質量，大幅度提升實際生產效率，使得能源成本得到大幅度降低，污染排放量也得到極大緩解。

一方面，儲能技術的應用可以很好地平衡用電高峰與低谷的電力負荷值，有效避免由于用電量突然增加而導致的能源浪費。另一方面，儲能技術的應用大大地降低了機器停機時間，保證了生產效率，提升了生產質量。假若設備能源供應有較高密度的能量，則儲能技術的應用可借助高效供能方式促使設備運行更加穩定。

此外，企業能獲得持續性能源，以供應保障穩定生產。部分工業企業對太陽能與風能等可再生能源需求量大，通過儲能技術，促使企業順利推進各項生產任務。儲能技術使得電網負載得以平衡，能源利用率得以大幅提升。

在新時期，未來將有新的儲能技術及設備涌現出來并應用于實際生產，可充分滿足工業生產發展需求。此部分新型技術與設備可幫助有效制訂能源問題解決方案，提高工業生產效率，充分保護生態環境，增強企業市場競爭力［6］。

4 儲能電池單元可靠性提升分析

4.1 儲能電池單元可靠性

a.儲能系統及結構。對于儲能電池而言，儲能系統主要包含儲能電池、PCS變流器、EMS能量以及BMS電池管理系統等。儲能電池單元則包含電池、線束及相關電池包管理單元等部分，日常工作中要參考項目的具體要求，合理配置各系統裝置板塊。

b.絕緣耐壓一級局部放電。對于電力企業而言，在電工設備靠運行中，可通過檢測絕緣耐壓性來客觀評估其自身絕緣耐受電壓值。絕緣結構中任何部位受到損傷，設備整體絕緣性會直接消失。所以，通常情況下借助耐受多高電壓試驗表示整個設備絕緣性。局部放電則是指充足電場狀態下絕緣設備出現局部放電問題。相關統計表明，此種現象是引起高壓電氣設備形成絕緣擊穿的關鍵因素，表明設備絕緣劣化［7］。

一般，局部放電涉及電暈、電弧、表面及氣隙等幾種放電模式，其中氣隙放電主要是因各類固體絕緣設備如電纜、套管與GIS等不完整引起的。局部放電會嚴重破壞設備絕緣性，而且其破壞性也會不斷增大，直到相關設備最終失去效果。因此，需要參考電池及結構、管理單元與線束等參數，利用試驗驗證其絕緣與耐壓性，進一步探究線束局部絕緣缺陷產生的影響。

4.2 試驗原理與相關方案

a.主要試驗原理。電氣原理一致性是絕緣及耐壓性的共同點，但其評判指標及相關實驗電壓有一定的差異。前者以某一電壓試驗狀態下絕緣電阻為評判指標，后者則以某一電壓試驗狀態下漏電流為指標。日常工作中，工頻交流及直流電壓是操作電壓的主要類型，因儲能電池技術屬于直流電源，所以選用直流電壓進行試驗檢測。雖然兩者電氣原理相互統一，但因考核指標不同，所以分別進行試驗考核。

b.試驗方案。電池主體、二次采集線纜與耐壓能力是儲能電池模塊的重要構成，彼此間最低絕緣耐壓值與電池模塊最高絕緣耐壓息息相關。通過分層解耦與逐層疊加方式檢測儲能電池模塊的絕緣與耐壓性能［8］。

4.3 試驗結果及分析

a.電勢疊加問題的驗證。測試對象選擇完整的儲能電池單元，同時準備好相關絕緣測試設備、防護工具及萬用表等儀器的準備［9］。設置500 V的電壓，對負極絕緣性進行有效檢測，電池模塊負極形成500 V的對地電壓，然后對第一個電芯檢測其對地絕緣電壓，如相同，再檢測電芯a與負極有一定距離的電壓為665 V，彼此電勢差約為a-1個電芯間的電壓差之和。檢測正極對地絕緣電壓，電池模塊正極有500 V的對地電壓，對第一個電芯電壓進行測試達到500 V，同時檢測第a個電芯遠離正極的有335 V的對地電壓，雙方電勢差約等于a-1個電芯自身電壓差之和。由此表明，儲能電池單元進行絕緣或耐壓試驗時，電勢疊加現象是客觀存在的。

b.可靠性研究。儲能電池模塊包含電池主體、線束與BMU等部分，彼此間最低絕緣耐壓水平直接影響著電池模塊最高絕緣耐壓值。首先，線束結構簡單，借助其與電池框架間距、是否有尖端的存在或絕緣包裹層數等相關參數的改變，對影響檢測對象放電因素與電池單元可靠性進行驗證。

c.各類工況條件下，利用絕緣檢測設備將直流電壓逐級施加到產品，當擊穿與閃絡現象出現后方可停止，此時認真記錄電壓具體邊界值。此過程中可以發現，如果線束絕緣性能完好無損，檢測設備允許情況下其絕緣性能在5 kV以上，即技術應用時電勢疊加現象無法避免，檢測對象達到絕緣國標及電壓裕度要求。假若高壓線束絕緣性能存在缺陷，將會引起局部放電問題，越靠近另一側導體放電概率越高，這削弱了電池模塊與BMU的絕緣耐壓性能，甚至會破壞BMU結構。

d.耐壓性。具體工況狀態下，借助耐壓檢測設備為產品施加并緩慢抬升直流電壓，當擊穿及閃爍問題出現后立即停止，并及時記錄電壓邊界值。由此表明，如果線束絕緣性能比較好，測試設備符合要求，其絕緣性能不低于7.4 kV，儲能電池單元對DC3.8 kV電壓有一定的耐受力。反之假若絕緣性能有缺陷，此種環境下高壓線束將引起局部放電問題，直接降低了電池模塊與BMU的絕緣耐壓性能。日常工作中，要有效保護線束絕緣性能，如通過包裹絕緣膠帶等，可保障產品有更好的耐壓性能。

5 工業儲能電源系統集成技術趨勢

現階段，世界各國能源需求量快速增長，由此形成了新儲能技術更大的應用需求。相關研究預測，到2030年全世界儲能市場會達到660億美元的規模。當前，新型可再生能源如太陽能與風能應用范圍不斷擴大，很大程度上擴大了儲能技術應用范圍。電動汽車行業快速發展，很大程度上推動著此項技術進一步發展。未來，大規模及高效能等將是其發展的重要方向。

目前，以鈉硫、鋰離子與液流等各類電池為核心的化學儲能技術是商用儲能技術首要選擇，但此類技術也有一定的局限，尤以能量密度、成本、安全與循環壽命等最為明顯。所以在未來發展中，要深入研發電容器，以及重力、氫氣及壓縮空氣等多元化儲能技術［9］。近年來，相關行業非常關注氫氣儲能技術發展，它作為一種可再生能源，優勢明顯，如能量密度高、環保性強以及儲存時間等，使其成為儲能行業未來重要發展方向。

未來發展中，儲能技術有以下主要方向：

a.持續節省成本，增強可靠性與可承受性，逐步擴大應用規模并加快推進市場化發展。

b.深入提升技術能量密度與效率，充分滿足具體場景應用要求。

c.融合儲能及其他領域技術，延展深化產業鏈。儲能技術在智能電網、可再生能源系統中應用，大幅提升了系統性能。

d.增強技術安全，保障設備安全穩定地運行。儲能技術在工業領域的發展有著極為廣闊的應用場景。在今后的發展中，技術創新使得技術安全性能逐漸提升，因此設備運行也就更為穩定，能夠進一步保障工業經濟實現健康穩定的發展。

6 結語

儲能設備實際應用過程中，電力企業應重視設備效能的發揮，綜合考慮鋰電池具體應用情況深入研究工業儲能電源系統技術發展，實事求是保障儲能電池單元的安全與經濟性，促使電力企業持續為各行業領域供應可靠的電力能源。

參考文獻：

[1]胡琪浩，齊蓓，胡文博，等.考慮需求響應和電池儲能系統協調的5G基站SoC區間優化[J].控制工程，2019（6）：21-23.

[2]葉偉.儲能全生命周期安全亟待提升[N].中國高新技術產業導報，2024-06-03（012）.

[3]李卓昊，楊添強，石瓊林，等.儲能電池建模與狀態估計研究進展[J].新型電力系統，2024，2（2）：140-161.

[4]孟國棟，李雨珮，唐佳，等.鋰離子電池儲能電站的熱失控狀態檢測與安全防控技術研究進展[J].高電壓技術，2021（9）：81-83.