林霄?李超

摘要：本文針對電網(wǎng)設(shè)備中的貯能電站、移動電站、各種終端電能和啟動電源等的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合國網(wǎng)設(shè)備未來發(fā)展的趨勢和需求，提出用新能源電源替代現(xiàn)有貯能用電和各類用電設(shè)備啟動電源的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);貯能;替代電源;設(shè)計

1 概述

隨著全球清潔、高效、低碳能源技術(shù)的快速發(fā)展，以及存在供電和用電各種場景的不平衡，各種貯能電站、車載移動電源、終端電能替代已逐步在電網(wǎng)中使用。而我國在貯能電站、移動電站、各種用電終端設(shè)備使用貯能和啟動電源等方面均大量配備了電容器、蓄電池和小型移動電站，這類貯能和移動電站在運行時存在能耗大、噪音高等問題，不滿足系統(tǒng)運行成本和安全問題等使用要求。為此，本文依據(jù)國網(wǎng)設(shè)備在貯能電站、移動電站、各種用電終端設(shè)備啟動電源等方面實際使用情況，提出了新能源電池組的設(shè)計方法。通過對不同的電池進行選取和組合設(shè)計，可以實現(xiàn)替換不同的貯能電站、移動電站和各種使用終端替代電源，為今后深入開展新能源電池在國家電網(wǎng)設(shè)備中的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

隨著新能源電池技術(shù)的發(fā)展，各種有關(guān)新能源電池技術(shù)的報道也層出不窮，如氫能源電池技術(shù)、太陽能電池技術(shù)、石墨稀電池技術(shù)、鋰電池技術(shù)等。公開資料顯示英國AEA， SAFT America將鋰離子電池應(yīng)用于通訊衛(wèi)星和航空電池，日本的日產(chǎn)、富士等整車廠商都將鋰電池作為電動汽車的首選動力源。

3 新能源電池的設(shè)計與實現(xiàn)

通過比較和選型，本文重點針對技術(shù)和工藝相對成熟的某一型鋰離子電池技術(shù)進行應(yīng)用設(shè)計分析和探討。

3.1 鋰離子電池的組成和工作原理

3.1.1 鋰離子電池的組成。本文研究的鋰離子電池主要由LiFePO4正極材料、MCMB中間相碳微球負極材料、高離子導(dǎo)電性電解質(zhì)，PP/PE/PP三層結(jié)構(gòu)隔膜和其它材料及零部件等構(gòu)成。

3.1.2 鋰離子電池的工作原理。鋰離子電池充電工作原理：正極被氧化，所含的Li離子脫出，電解液中的Li離子向負極移動，并在負極表面得到電子，形成鋰碳（嵌鋰）化合物。

鋰離子電池放電工作原理：鑲嵌在負極碳素材料中的Li失去電子，被氧化成Li+，進入電解液，電解液內(nèi)的Li+向正極移動，正極材料被還原，電解液中的鋰離子進入正極。

3.2 鋰離子電池的選取與設(shè)計

3.2.1 鋰離子電池的選取。大容量的鋰離子電池的設(shè)計一假都是首先選取合適的單體鋰電池，然后通過串數(shù)及容量沒計，最終實現(xiàn)設(shè)計指標。

3.2.2 鋰離子電池組的設(shè)計。針對不同的替代對象，或是電壓，放電量等技術(shù)指標要求，通過計算，選擇多個單體電池串聯(lián)或并聯(lián)，以達到替代電源的各項技術(shù)指標要求。

以某一貯能電站或移動電站特定替代電源設(shè)計為例：直流供電電壓為220V土10V，連續(xù)工作1小時，負載功率為12KW。

我們選擇磷酸鐵鋰單只標稱電壓為3.2V的電池作為本體;取69個串聯(lián)本體比較合適。這樣電壓范圍為220V±10V左右，然后進行容量推算：假設(shè)負載實際所需容量CO，負載要求容量C1，可得出以下推算公式：

C0=C1/K1×K2×K3

其中，K1——大電流放電系數(shù);K2——溫度系數(shù);K3——壽命曲線系數(shù);

如果選擇用成熟的通過UL安全認證的40A/h的單體電池來組合，選擇69個本體串聯(lián)4組并聯(lián)能夠滿足貯能和移動電站用電需要。此時電池容量為160A/h。69個本體串聯(lián)電池組可分成4個電池模塊。不同的用電源可用不同電池的串并聯(lián)來實現(xiàn)。

3.2.3 鋰離子電池組電氣性能設(shè)計

a）電芯均衡電路設(shè)計

每個電池模塊電芯頂部放置電芯均衡電路，當電池在長期擱置后，通過多次充放電后電池的最大容量能恢復(fù)到擱置前電池的最大容量均衡起動點為3.6V，均衡電流約50mA。

b）過充過放保護功能設(shè)計

1）過放電保護：當多節(jié)電池中有一節(jié)達到1.5±0.05V達到1秒以上，電池的放電回路切斷，過故電保護解除通過充電來解除

2）過充電保護：當多節(jié)電池中有一節(jié)達到3.65±0.05V達到0.1秒以上，電池的放電回路切斷，過充電保護解除只要電壓降低到3.5±0.05V解除。

4 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計實現(xiàn)

4.1 采用新型鐵鋰正極材料使電池安全性和使用壽命得到大幅提高

通過對幾種目前常用的鋰電池正極材料經(jīng)過研究對比，不是充放電性能差，就是壽命短，不能滿足市場化的使用需要。采用新型磷酸鐵鋰正極材料能使鋰離子電池使用安全和壽命更長。

4.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用新材料，使低溫高倍率放電得到大幅提高

國家電網(wǎng)分布東西南北，跨度大、溫差高。用電設(shè)備對高，低溫條件下的使用要求較高。因此，解決低溫條件下的鋰離子電池的高倍率放電是關(guān)鍵難點之一。一是在工藝上采用先進的疊層結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)卷繞結(jié)構(gòu)比較具有熱分布更均勻、散熱性更好的特點：而且疊層極片是獨立多層組成，所以內(nèi)阻更低，放電倍率更高，在使用過程中也就更安全：二是采用了低溫條件下不凝固的電解液，并添加納米管作為導(dǎo)電劑，不僅保證了鋰離子電池的低溫放電性能，而且大大提高了正極材料的電導(dǎo)率：三是單體電池間及電池模塊間的連接采用多層紫銅片壓接方式，通過集膚效應(yīng)達到過大電流能力。通過優(yōu)化設(shè)計和采用新材料，使電池能可靠地在一45℃低溫條件下進行3C以上電流放電。

4.3 經(jīng)過大量的試驗驗證，解決了充放電效率和荷電保持的難題

高性能SEI膜是電池壽命、安全、倍率特性和低溫性能的關(guān)鍵.采用新的環(huán)狀碳酸酯——碳酸乙烯亞乙酯（VEC），比以往鋰離子電池上使用的碳酸亞乙烯酯（VC）更穩(wěn)定，更不容易發(fā)生聚合，因而，較大的提高了鋰離子電池的充放電效率和循環(huán)特性。

鑒于磷酸鐵電池微量鐵雜質(zhì)對SEI有催化分解作用，經(jīng)過大量試驗證明，選用了VC+VEC復(fù)合SEI成膜劑，并經(jīng)試驗驗證，使電池具有優(yōu)良的荷電保持能力。

5 結(jié)論與啟示

5.1 選準目標，獲取經(jīng)驗，逐步推廣

本文中我們對電網(wǎng)設(shè)備中的貯能電站、移動電站、各種用電設(shè)備終端的替代電源等方面進行了深入的設(shè)計分析研究，并結(jié)合國內(nèi)新能源電池的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和實現(xiàn)的難易程度，我們認為應(yīng)先易后難，在獲取貯能電站、移動電站、各種用電設(shè)備終端等應(yīng)用的實際經(jīng)驗后，然后再視情逐步推廣。先選擇小型功率的貯能電站、移動電站、各種用電設(shè)備終端進行替代能源設(shè)計，再進行大功率的貯能電站、移動電站等電源的替代，便于新能源電池的設(shè)計實現(xiàn)。

5.2 降低成本，跟蹤發(fā)展，配套使用

目前，新能源鋰離子電池在一次性購置費用上同相同容量的傳統(tǒng)貯能電容器及移動電站相比存在著明顯的價格偏高現(xiàn)象，這將直接影響新能源鋰離子電池的推廣便用范圍。在使用成熟新能源電池技術(shù)的同時，努力跟蹤新能源電池技術(shù)的發(fā)展趨勢，要下大力提升電池的單位體積容量等基本使用性能，不斷研制和采用新型材料，發(fā)展新型電池技術(shù)，特別是全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)，使現(xiàn)有電池能量密度從200-300WV/h快速提高到400-500WV/h能量密度的水平，并大幅降低電池生產(chǎn)成本。只有這樣，才能提高產(chǎn)品的性價比，才能促進新能源電池在電網(wǎng)設(shè)備領(lǐng)域里大幅推廣。

（作者單位：國網(wǎng)電子商務(wù)有限公司（國網(wǎng)金融科技集團）雙創(chuàng)中心）