摘? 要：憑借鈦酸鋰電池的高安全、長(zhǎng)壽命、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的特性，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能設(shè)備的高安全化、輕量化、高能效。鈦酸鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)助力中國(guó)能源戰(zhàn)略升級(jí)革新、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)功、備用電源、沒(méi)有費(fèi)電，沒(méi)有斷電，徹底解決能源安全問(wèn)題，智能管控，讓每個(gè)家庭永不停電。

關(guān)鍵詞：鈦酸鋰電池;儲(chǔ)能系統(tǒng);新能源產(chǎn)業(yè);研發(fā)與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(chǔ)能系統(tǒng)，安全控制的關(guān)鍵性突破，具有結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及技術(shù)創(chuàng)新的特點(diǎn)，可達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平;系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，可淘汰傳統(tǒng)能源的環(huán)境污染;同時(shí)，利用鈦酸鋰電池循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐寬溫、高能效、快速充放電等特點(diǎn)，相比鉛酸電池的性價(jià)比提高，非常適合用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，預(yù)計(jì)到2020年鋰電池儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)到500億元，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鈦酸鋰電池系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 采用鈦酸鋰電池技術(shù)

鈦酸鋰電池在充放電時(shí)，鋰離子嵌入和脫嵌不會(huì)造成鈦酸鋰晶型結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有影響，鈦酸鋰電池充放電次數(shù)可達(dá)3萬(wàn)次，35年循環(huán)使用壽命，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

1.2 突破傳統(tǒng)石墨負(fù)極二維層狀結(jié)構(gòu)

鈦酸鋰材料突破了傳統(tǒng)石墨負(fù)極二維層狀結(jié)構(gòu)的局限，具有穩(wěn)定的三維晶體結(jié)構(gòu)，被稱為“零應(yīng)變材料”，與石墨負(fù)極材料相比，鈦酸鋰材料幾乎不形成穩(wěn)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(dǎo)致的失控，極大降低了電池起火、爆炸的隱患。具有耐機(jī)械沖擊、切割、電鉆、跌落、槍擊、擠壓、振動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、碰撞，防火、防潮、防腐蝕功能測(cè)試后，不出現(xiàn)起火、爆炸、泄漏及破裂等現(xiàn)象。

1.3 解決高倍率充放電、耐寬溫問(wèn)題

鈦酸鋰材料對(duì)鋰金屬電位更高，避免了電池在過(guò)充過(guò)程中生成鋰枝晶，安全穩(wěn)定性更好;鈦酸鋰電池的尖晶石結(jié)構(gòu)具有三維鋰離子擴(kuò)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(xiàn)也十分優(yōu)異、耐寬溫性能良好、耐用性強(qiáng)，在-50℃～60℃的超高溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全充放電，適用于高寒高熱等復(fù)雜地區(qū)使用，可消除用戶的后顧之憂。

1.4 高效熱管理技術(shù)

鈦酸鋰電池系統(tǒng)采用熱管理技術(shù)風(fēng)冷式PACK設(shè)計(jì)，風(fēng)道寬度寬，散熱效率高，倍率循環(huán)溫升15K，具有良好的導(dǎo)熱及散熱性能，根據(jù)溫度對(duì)電池性能的影響，結(jié)合電池的電化學(xué)特性與產(chǎn)熱機(jī)理，不出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，保證電池工作在最佳溫度區(qū)間。

1.5 采用BMS電池管理系統(tǒng)

BMS電池管理系統(tǒng)具備總壓采集、單體電壓采集、電流采集、絕緣監(jiān)測(cè)、風(fēng)冷控制、液冷控制、加熱控制、主動(dòng)均衡、遠(yuǎn)程監(jiān)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(dòng)均衡，高能量單體直接轉(zhuǎn)移到低能量單體，快速均衡容量及電壓。電池管理系統(tǒng)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(yōu)良的性能及一致性，有效保護(hù)電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫、過(guò)流等功能，同時(shí)可避免長(zhǎng)時(shí)間、高倍率充放電狀況下導(dǎo)致的單體電池不平衡、溫度分布不均勻而產(chǎn)生的模塊間不平衡等問(wèn)題，保護(hù)動(dòng)力電池在全生命周期下安全、高效使用，電池使用壽命達(dá)到十年免維護(hù)。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用

儲(chǔ)能用鈦酸鋰電池研制及系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，憑借超長(zhǎng)的循環(huán)壽命和優(yōu)越的安全性能，公司的儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品在國(guó)際上已進(jìn)入美國(guó)、歐盟市場(chǎng)并多年穩(wěn)定運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、家庭儲(chǔ)能、工業(yè)儲(chǔ)能、軌道交通、軍事儲(chǔ)能、機(jī)房基站后備電源等場(chǎng)合，在運(yùn)用于電網(wǎng)調(diào)頻、穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的同時(shí)，還用于港口搬運(yùn)設(shè)備、無(wú)軌電車、有軌電車、鐵路運(yùn)輸、波浪發(fā)電等領(lǐng)域，具有廣闊市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值，將項(xiàng)目研究成果推廣應(yīng)用于各個(gè)相關(guān)聯(lián)公司及企業(yè)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.1 鐵塔通信基站一體化鈦酸鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

通信基站遍布全國(guó)，基站負(fù)載需要24小時(shí)不間斷供電，之前大多使用傳統(tǒng)鉛酸電池作為其備用電源，但由于其循環(huán)次數(shù)較低，幾乎一年更換一次電池，維護(hù)成本極高，隨著鋰電池價(jià)格下降，相比鉛酸電池的性價(jià)比提高，鈦酸鋰電池在通信基站的應(yīng)用將逐漸增長(zhǎng)。

2.2 交通燈等后備電源儲(chǔ)能系統(tǒng)

主要用于交通燈及各移動(dòng)機(jī)房、銀行等需要后備電源場(chǎng)合，在市電停電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換電池供電，保證負(fù)載用電正常。隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，交通燈及各移動(dòng)機(jī)房、銀行等需要后備電源儲(chǔ)能系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模也將快速增長(zhǎng)。

2.3 集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)

用于電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)功、削峰填谷，南方電網(wǎng)863項(xiàng)目2MW鈦酸鋰儲(chǔ)能電站，是中國(guó)第一個(gè)兆瓦級(jí)鈦酸鋰電池儲(chǔ)能站，世界上首個(gè)10kV無(wú)變壓器直掛電網(wǎng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范工程;國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程是另一個(gè)集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)案例。

3 新能源產(chǎn)業(yè)

3.1 國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略部署

新能源產(chǎn)業(yè)的儲(chǔ)能行業(yè)政府也給予了高度重視，2017年10月，國(guó)家發(fā)改委、能源局、財(cái)政部、科技部、工信部聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，該指導(dǎo)性政策確立了我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)從短期到中長(zhǎng)期的發(fā)展方向，明確提出未來(lái)10年內(nèi)分兩個(gè)階段推進(jìn)相關(guān)工作，第一階段實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過(guò)渡;第二階段實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。

3.2 我司新能源儲(chǔ)能項(xiàng)目的發(fā)展情況

公司的儲(chǔ)能模塊由鋰離子電池配合先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)組合而成;通過(guò)優(yōu)化的模塊結(jié)構(gòu)和完善的電池管理軟件，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)更換電池單元、高響應(yīng)速率、高一致性等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功率的快速調(diào)度、瞬時(shí)響應(yīng)，能夠穩(wěn)定、有效地解決多元化電力系統(tǒng)的功率頻率調(diào)節(jié)控制管理問(wèn)題和風(fēng)光電并網(wǎng)的削峰填谷問(wèn)題，可為家庭、工廠、軌道、通信基站、發(fā)電廠、電網(wǎng)公司等解決能源利用問(wèn)題。

4 總結(jié)

鈦酸鋰材料位于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的中上游，其上游環(huán)節(jié)是鈦礦資源開(kāi)采與二氧化鈦的制備，下游環(huán)節(jié)是鈦酸鋰電池的研制。隨著各種技術(shù)的飛速發(fā)展，鈦酸鋰電池也將在多個(gè)領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的鉛酸、鎳鎘、鎳氫等蓄電池，其優(yōu)越的性能優(yōu)勢(shì)，可產(chǎn)生巨大的市場(chǎng)份額及盈利空間。

鈦酸鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由：鈦酸鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、控制繼電器等器件組成，在充放電過(guò)程中，BMS實(shí)時(shí)采集電池單體電壓、溫度參數(shù)、電流等參數(shù)，并進(jìn)行分析記錄，當(dāng)檢測(cè)到電池過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、過(guò)流等異常情況時(shí)，電池管理系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，必要時(shí)切斷充放電回路，保護(hù)鈦酸鋰電池系統(tǒng)。

4.1 鈦酸鋰電池儲(chǔ)能-電管理系統(tǒng)

（1）電池管理系統(tǒng)主控單元（BMU）。BMU作為控制中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、控制策略實(shí)現(xiàn)和外界通訊控制，具備以下功能：電流檢測(cè)：采用全范圍、等精度的傳感器和高精度芯片，滿足電流檢測(cè)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(guò)程中，BMS依據(jù)電池系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，為充電機(jī)或控制器實(shí)時(shí)提供電池系統(tǒng)的最佳充放電電流，以供充電機(jī)或控制器合理調(diào)度電池組能量，提高系統(tǒng)的整體性能。

（2）電池管理系統(tǒng)采集均衡模塊（BSU）。BSU是獲取電池狀態(tài)最直接和最重要的部分，安裝在電池箱上，支持采樣基準(zhǔn)電壓在線自校準(zhǔn)功能，主要功能如下：?jiǎn)误w電池電壓檢測(cè)：BMU可管理不同節(jié)數(shù)電池，最少不小于12串單體電池的電壓檢測(cè)。根據(jù)具體項(xiàng)目需求，可通過(guò)參數(shù)靈活配置以適應(yīng)不同的檢測(cè)通道數(shù)量需求。

溫度檢測(cè)：采用NTC探頭或者數(shù)字溫度傳感器，可以完成高精度電池溫度檢測(cè)，同時(shí)具有溫度傳感器故障識(shí)別功能和故障定位功能。單個(gè)檢測(cè)單元可支持最少3個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)。多點(diǎn)檢測(cè)利于溫度場(chǎng)分析，給冷卻系統(tǒng)提供更詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

均衡控制：高效均衡控制?；赟OC差異均衡或者單體壓差過(guò)大的均衡策略，在充放電整個(gè)工作過(guò)程實(shí)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(tài)信息及其它檢測(cè)板的狀態(tài)信息發(fā)送給主控單元或監(jiān)控設(shè)備。同時(shí)，檢測(cè)單元通過(guò)該CAN通訊接口接收主控單元發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令并進(jìn)行執(zhí)行。

4.2 鈦酸鋰電池儲(chǔ)能-熱管理系統(tǒng)

（1）從理論上充分分析PACK的電、熱、機(jī)械保護(hù)措施，進(jìn)行有效的電管理、熱管理、機(jī)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(tǒng)中電、熱、機(jī)械管理不當(dāng)而導(dǎo)致的安全事故，提升電動(dòng)汽車的安全性和消費(fèi)者的認(rèn)可，為電動(dòng)汽車的普及提供技術(shù)支持。（2）設(shè)計(jì)階段，就開(kāi)始電、熱、機(jī)械管理綜合設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的先采用經(jīng)典理想模型進(jìn)行靜態(tài)整體分析，做出實(shí)物后進(jìn)行驗(yàn)證修改的設(shè)計(jì)思路，做到產(chǎn)品設(shè)計(jì)提前預(yù)防，減少設(shè)計(jì)的盲目性，可縮短開(kāi)發(fā)周期50%，降低開(kāi)發(fā)成本30%，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)50%，產(chǎn)生良好的企業(yè)效益。（3）動(dòng)力電池電、熱、機(jī)械綜合管理平臺(tái)的建立，大大減少設(shè)計(jì)工程師的工作量，加快動(dòng)力電池領(lǐng)域的人才隊(duì)伍建設(shè)，設(shè)計(jì)者依靠平臺(tái)的理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，可從繁重的理論分析中解脫，對(duì)產(chǎn)品的思維也非常清晰。（4）動(dòng)力電池電、熱、機(jī)械綜合管理平臺(tái)的建立，將為行業(yè)的發(fā)展提供一個(gè)示范作用，加快電池PACK的電、熱、機(jī)械的有效管理。（5）精確的電、熱、機(jī)械管理分析，良好的PACK設(shè)計(jì)，對(duì)提高電芯壽命，降低電動(dòng)汽車能源消耗，提高續(xù)航里程有良好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì).儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]李建林，徐少華，劉超群.儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3]王松岑.大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].中國(guó)電力出版社，2016.

[4]譚曉軍.電池管理系統(tǒng)深度理論研究-面向大功率電池組的應(yīng)用技術(shù)[M].中山大學(xué)出版社，2014.

[5]周德懷.科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)申報(bào)書(shū)-儲(chǔ)能用鈦酸鋰電池研制及系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用[C]//2019年度中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì).

[6]百度文庫(kù)[EB/OL].http：//wenku.baidu.com.