| 标题 | 储能用钛酸锂电池研制及系统集成技术研发与应用 |
| 范文 | 摘? 要：凭借钛酸锂电池的高安全、长寿命、强环境适应性的特性，实现了储能设备的高安全化、轻量化、高能效。钛酸锂储能系统助力中国能源战略升级革新、削峰填谷、调频调功、备用电源、没有费电，没有断电，彻底解决能源安全问题，智能管控，让每个家庭永不停电。 关键词：钛酸锂电池;储能系统;新能源产业;研发与应用 中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：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 钛酸锂储能系统，安全控制的关键性突破，具有结构优化以及技术创新的特点，可达到业内领先水平;系统集成技术研发与应用到实际生产中，可淘汰传统能源的环境污染;同时，利用钛酸锂电池循环寿命长、耐宽温、高能效、快速充放电等特点，相比铅酸电池的性价比提高，非常适合用于储能领域，预计到2020年锂电池储能市场规模将增长到500亿元，具有较高的经济效益。 1 钛酸锂电池系统特点 1.1 采用钛酸锂电池技术 钛酸锂电池在充放电时，锂离子嵌入和脱嵌不会造成钛酸锂晶型结构的变化，结构非常稳定，几乎没有影响，钛酸锂电池充放电次数可达3万次，35年循环使用寿命，优势十分明显。 1.2 突破传统石墨负极二维层状结构 钛酸锂材料突破了传统石墨负极二维层状结构的局限，具有稳定的三维晶体结构，被称为“零应变材料”，与石墨负极材料相比，钛酸锂材料几乎不形成稳定性较差的SEI膜，避免了SEI膜在极端条件下分解再生成所导致的失控，极大降低了电池起火、爆炸的隐患。具有耐机械冲击、切割、电钻、跌落、枪击、挤压、振动、翻轉、碰撞，防火、防潮、防腐蚀功能测试后，不出现起火、爆炸、泄漏及破裂等现象。 1.3 解决高倍率充放电、耐宽温问题 钛酸锂材料对锂金属电位更高，避免了电池在过充过程中生成锂枝晶，安全稳定性更好;钛酸锂电池的尖晶石结构具有三维锂离子扩散通道，可10C高倍率充放电;钛酸锂电池在高低温性能上的表现也十分优异、耐宽温性能良好、耐用性强，在-50℃～60℃的超高温范围内实现完全充放电，适用于高寒高热等复杂地区使用，可消除用户的后顾之忧。 1.4 高效热管理技术 钛酸锂电池系统采用热管理技术风冷式PACK设计，风道宽度宽，散热效率高，倍率循环温升15K，具有良好的导热及散热性能，根据温度对电池性能的影响，结合电池的电化学特性与产热机理，不出现热失控现象，保证电池工作在最佳温度区间。 1.5 采用BMS电池管理系统 BMS电池管理系统具备总压采集、单体电压采集、电流采集、绝缘监测、风冷控制、液冷控制、加热控制、主动均衡、远程监控、容量管理、充电管理、配电管理等全方位功能，采用双向主动均衡，高能量单体直接转移到低能量单体，快速均衡容量及电压。电池管理系统可以有效保证单体电池成组后在安全、寿命、放电能力等方面具有优良的性能及一致性，有效保护电池过充、过放、过温、过流等功能，同时可避免长时间、高倍率充放电状况下导致的单体电池不平衡、温度分布不均匀而产生的模块间不平衡等问题，保护动力电池在全生命周期下安全、高效使用，电池使用寿命达到十年免维护。 2 储能系统应用 储能用钛酸锂电池研制及系统集成技术研发与应用，凭借超长的循环寿命和优越的安全性能，公司的储能系统产品在国际上已进入美国、欧盟市场并多年稳定运行，广泛应用于新能源汽车、家庭储能、工业储能、轨道交通、军事储能、机房基站后备电源等场合，在运用于电网调频、稳定风力发电和太阳能发电的同时，还用于港口搬运设备、无轨电车、有轨电车、铁路运输、波浪发电等领域，具有广阔市场前景和应用价值，将项目研究成果推广应用于各个相关联公司及企业，取得了巨大的经济和社会效益。 2.1 铁塔通信基站一体化钛酸锂电池储能系统 通信基站遍布全国，基站负载需要24小时不间断供电，之前大多使用传统铅酸电池作为其备用电源，但由于其循环次数较低，几乎一年更换一次电池，维护成本极高，随着锂电池价格下降，相比铅酸电池的性价比提高，钛酸锂电池在通信基站的应用将逐渐增长。 2.2 交通灯等后备电源储能系统 主要用于交通灯及各移动机房、银行等需要后备电源场合，在市电停电时，系统自动切换电池供电，保证负载用电正常。随着城市建设的飞速发展，交通灯及各移动机房、银行等需要后备电源储能系统市场规模也将快速增长。 2.3 集装箱储能系统 用于电网调频调功、削峰填谷，南方电网863项目2MW钛酸锂储能电站，是中国第一个兆瓦级钛酸锂电池储能站，世界上首个10kV无变压器直挂电网的电池储能系统的示范工程;国网冀北电力有限公司国家风光储输示范工程是另一个集装箱储能系统案例。 3 新能源产业 3.1 国内新能源产业的战略部署 新能源产业的储能行业政府也给予了高度重视，2017年10月，国家发改委、能源局、财政部、科技部、工信部联合下发《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》，该指导性政策确立了我国储能行业从短期到中长期的发展方向，明确提出未来10年内分两个阶段推进相关工作，第一阶段实现储能由研发示范向商业化初期过渡;第二阶段实现商业化初期向规模化发展转变。 3.2 我司新能源储能项目的发展情况 公司的储能模块由锂离子电池配合先进的电源管理系统组合而成;通过优化的模块结构和完善的电池管理软件，可实现现场更换电池单元、高响应速率、高一致性等特点，能够实现多种功率的快速调度、瞬时响应，能够稳定、有效地解决多元化电力系统的功率频率调节控制管理问题和风光电并网的削峰填谷问题，可为家庭、工厂、轨道、通信基站、发电厂、电网公司等解决能源利用问题。 4 总结 钛酸锂材料位于锂离子电池产业链的中上游，其上游环节是钛矿资源开采与二氧化钛的制备，下游环节是钛酸锂电池的研制。随着各种技术的飞速发展，钛酸锂电池也将在多个领域取代传统的铅酸、镍镉、镍氢等蓄电池，其优越的性能优势，可产生巨大的市场份额及盈利空间。 钛酸锂电池储能系统主要由：钛酸锂电池系统、电池管理系统、控制继电器等器件组成，在充放电过程中，BMS实时采集电池单体电压、温度参数、电流等参数，并进行分析记录，当检测到电池过压、欠压、过温、过流等异常情况时，电池管理系统进行报警，必要时切断充放电回路，保护钛酸锂电池系统。 4.1 钛酸锂电池储能-电管理系统 （1）电池管理系统主控单元（BMU）。BMU作为控制中心，负责整个系统的运行过程监控、数据处理、控制策略实现和外界通讯控制，具备以下功能：电流检测：采用全范围、等精度的传感器和高精度芯片，满足电流检测和能量累积的需要。SOC估算：基于电流积分及OCV等算法的SOC估算。容量累积：可记录电池组的累积充放电容量。 CAN通信：提供3路高速CAN通讯接口 充放电管理：充放电过程中，BMS依据电池系统的当前状态，为充电机或控制器实时提供电池系统的最佳充放电电流，以供充电机或控制器合理调度电池组能量，提高系统的整体性能。 （2）电池管理系统采集均衡模块（BSU）。BSU是获取电池状态最直接和最重要的部分，安装在电池箱上，支持采样基准电压在线自校准功能，主要功能如下：单体电池电压检测：BMU可管理不同节数电池，最少不小于12串单体电池的电压检测。根据具体项目需求，可通过参数灵活配置以适应不同的检测通道数量需求。 温度检测：采用NTC探头或者数字温度传感器，可以完成高精度电池温度检测，同时具有温度传感器故障识别功能和故障定位功能。单个检测单元可支持最少3个温度检测点。多点检测利于温度场分析，给冷却系统提供更详实的数据。 均衡控制：高效均衡控制。基于SOC差异均衡或者单体压差过大的均衡策略，在充放电整个工作过程实行有条件的均衡，均衡电流不小于2A。 CAN通信：提供1路高速CAN通讯接口，将采集到的单体电池电压信息、温度信息、均衡状态信息及其它检测板的状态信息发送给主控单元或监控设备。同时，检测单元通过该CAN通讯接口接收主控单元发送过来的控制命令并进行执行。 4.2 钛酸锂电池储能-热管理系统 （1）从理论上充分分析PACK的电、热、机械保护措施，进行有效的电管理、热管理、机械管理，将管理措施贯彻到工作的每一步骤，可大量减少由于PACK系统中电、热、机械管理不当而导致的安全事故，提升电动汽车的安全性和消费者的认可，为电动汽车的普及提供技术支持。（2）设计阶段，就开始电、热、机械管理综合设计，突破传统设计方法中的先采用经典理想模型进行静态整体分析，做出实物后进行验证修改的设计思路，做到产品设计提前预防，减少设计的盲目性，可缩短开发周期50%，降低开发成本30%，减少设计风险50%，产生良好的企业效益。（3）动力电池电、热、机械综合管理平台的建立，大大减少设计工程师的工作量，加快动力电池领域的人才队伍建设，设计者依靠平台的理论进行设计，可从繁重的理论分析中解脱，对产品的思维也非常清晰。（4）动力电池电、热、机械综合管理平台的建立，将为行业的发展提供一个示范作用，加快电池PACK的电、热、机械的有效管理。（5）精确的电、热、机械管理分析，良好的PACK设计，对提高电芯寿命，降低电动汽车能源消耗，提高续航里程有良好的促进作用。 参考文献： [1]中国石油和化学工业联合会.储能科学与技术[M].化学工业出版社，2012. [2]李建林，徐少华，刘超群.储能技术及应用[M].机械工业出版社，2018. [3]王松岑.大規模储能技术及其在电力系统中的应用[M].中国电力出版社，2016. [4]谭晓军.电池管理系统深度理论研究-面向大功率电池组的应用技术[M].中山大学出版社，2014. [5]周德怀.科学技术进步奖申报书-储能用钛酸锂电池研制及系统集成技术研发与应用[C]//2019年度中国可再生能源学会. [6]百度文库[EB/OL].http：//wenku.baidu.com. |
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