摘要：為提升儲(chǔ)能電池單元可靠性，首先分析了影響儲(chǔ)能充電站可靠運(yùn)行的內(nèi)外因素；然后從應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸及工業(yè)生產(chǎn)等三個(gè)方面闡述了儲(chǔ)能技術(shù)的具體應(yīng)用情況，并針對(duì)儲(chǔ)能電池單元可靠性的提升進(jìn)行了分析；最后對(duì)工業(yè)儲(chǔ)能電源系統(tǒng)集成技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù)；電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)；能源管理

中圖分類號(hào)：U473.4 收稿日期：2024-07-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.024

1 前言

在現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展背景下，能源需求量發(fā)生了很大的改變。然而，能源生產(chǎn)與使用間的不匹配性矛盾是客觀存在的，因此有必要為儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展創(chuàng)造一定的條件。儲(chǔ)能技術(shù)是指能量以其他方式出現(xiàn)的整個(gè)過程，如有能量需求，可在短時(shí)間得到恢復(fù)［1］。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)行業(yè)，特別是電網(wǎng)調(diào)度、可再生能源、智能家居及電動(dòng)車等相關(guān)領(lǐng)域。

2 儲(chǔ)能充電站運(yùn)行可靠性的影響因素

2.1 外部影響因素

a.電力供應(yīng)。只有保障持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)電力能源，充電站方可為電動(dòng)汽車穩(wěn)定提供充電服務(wù)，假若電力供應(yīng)存在很大的波動(dòng)，充電站將無法正常充電抑或充電太慢等現(xiàn)象。

b.環(huán)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(yùn)行的可靠性，充電設(shè)備及穩(wěn)定供應(yīng)電力能源受到一定的干擾［2］。

2.2 內(nèi)部相關(guān)影響因素

a.充電設(shè)備。常用設(shè)備包含充電樁及充電槍等，需定期維檢以保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

b.充電網(wǎng)絡(luò)。日常運(yùn)行過程中，它與電動(dòng)汽車、電網(wǎng)等之間存在通信聯(lián)系，為充電服務(wù)提供保障。

c.安全管理?？煽康陌踩芾砜蔀橛脩籼峁┌踩Ｕ稀?/p>

d.檢測(cè)維修。充電站必須做好氫氣檢測(cè)維修，創(chuàng)造良好條件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

e.人員自身素質(zhì)。相關(guān)從業(yè)人員要具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)及操作技能，促使電站更加可靠地傳送電力能源［3］。

3 工業(yè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域儲(chǔ)能技術(shù)具體應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于電力系統(tǒng)

a.借助電力儲(chǔ)能技術(shù)，平衡電力負(fù)荷數(shù)值。在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，電力負(fù)荷隨著用電量的不同而不斷變化。應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)時(shí)可在低谷時(shí)期做好電能儲(chǔ)存，在進(jìn)入高峰時(shí)期將其充分釋放，以此促使電力負(fù)荷達(dá)到平衡。這樣就大大節(jié)省了運(yùn)行成本，從而實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)用能源。

b.應(yīng)用該技術(shù)可保障電力系統(tǒng)更加穩(wěn)定與可靠的運(yùn)行。如果出現(xiàn)電網(wǎng)故障或惡劣天氣等異常情況，將直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。使用該技術(shù)，備用能源可短時(shí)間內(nèi)向電力系統(tǒng)傳送所需能源，為系統(tǒng)可靠運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

c.電力儲(chǔ)能技術(shù)可使系統(tǒng)有更高的運(yùn)行效率。電力系統(tǒng)運(yùn)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(huì)出現(xiàn)損耗。應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)為輸電線路安裝相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備，可提高儲(chǔ)存效率，減少損耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.2 應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)也是非常重要的，尤以電動(dòng)汽車、油氣混合動(dòng)力車以及公共交通系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用最為明顯。當(dāng)前，世界各國(guó)非常重視環(huán)境保護(hù)，新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，為交通行業(yè)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)造了良好的條件，其中電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用是非常典型的。電動(dòng)汽車加工制造中電池技術(shù)是核心之一。借助充電系統(tǒng)為車輛電池完成儲(chǔ)能操作，再借助電機(jī)將其轉(zhuǎn)換成所需要的機(jī)械能，為車輛前行提供驅(qū)動(dòng)力。

相較之傳統(tǒng)燃油汽車，零排放、噪音小且高效應(yīng)用的能源等是電動(dòng)汽車的顯著優(yōu)勢(shì)，與此同時(shí)也存在一些客觀性問題，如較短的續(xù)航里程、充電時(shí)間太長(zhǎng)等，這些對(duì)車輛運(yùn)行帶來了一定的影響。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，可很好地緩解這些問題［4］。

另外，混合動(dòng)力車也是儲(chǔ)能技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，此類車輛驅(qū)動(dòng)力來自多個(gè)動(dòng)力源。利用儲(chǔ)能技術(shù)電動(dòng)機(jī)完成電能儲(chǔ)存，高效應(yīng)用內(nèi)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(tǒng)燃油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，還可通過電力能源驅(qū)動(dòng)，高效應(yīng)用傳統(tǒng)能源與新能源，這是混合動(dòng)力車的顯著優(yōu)勢(shì)。

儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于公共交通領(lǐng)域也是不容忽視的。我國(guó)加快城鎮(zhèn)化建設(shè)，很大程度上提高了公共交通需求量，因此儲(chǔ)能技術(shù)可以更為廣泛地應(yīng)用在這一領(lǐng)域中。儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于有軌電車、電動(dòng)公共汽車等公共交通工具，大大地降低了車輛運(yùn)行成本，提升了能源利用效率，起到了環(huán)境保護(hù)的作用，保障了健康綠色出行。

3.3 儲(chǔ)能技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用備受關(guān)注，實(shí)際生產(chǎn)中此項(xiàng)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)負(fù)載有很好的平衡效果［5］。尤其是制造行業(yè)，應(yīng)用該技術(shù)可保障產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，大幅度提升實(shí)際生產(chǎn)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(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以很好地平衡用電高峰與低谷的電力負(fù)荷值，有效避免由于用電量突然增加而導(dǎo)致的能源浪費(fèi)。另一方面，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用大大地降低了機(jī)器停機(jī)時(shí)間，保證了生產(chǎn)效率，提升了生產(chǎn)質(zhì)量。假若設(shè)備能源供應(yīng)有較高密度的能量，則儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可借助高效供能方式促使設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定。

此外，企業(yè)能獲得持續(xù)性能源，以供應(yīng)保障穩(wěn)定生產(chǎn)。部分工業(yè)企業(yè)對(duì)太陽能與風(fēng)能等可再生能源需求量大，通過儲(chǔ)能技術(shù)，促使企業(yè)順利推進(jìn)各項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)。儲(chǔ)能技術(shù)使得電網(wǎng)負(fù)載得以平衡，能源利用率得以大幅提升。

在新時(shí)期，未來將有新的儲(chǔ)能技術(shù)及設(shè)備涌現(xiàn)出來并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，可充分滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需求。此部分新型技術(shù)與設(shè)備可幫助有效制訂能源問題解決方案，提高工業(yè)生產(chǎn)效率，充分保護(hù)生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［6］。

4 儲(chǔ)能電池單元可靠性提升分析

4.1 儲(chǔ)能電池單元可靠性

a.儲(chǔ)能系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)。對(duì)于儲(chǔ)能電池而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包含儲(chǔ)能電池、PCS變流器、EMS能量以及BMS電池管理系統(tǒng)等。儲(chǔ)能電池單元?jiǎng)t包含電池、線束及相關(guān)電池包管理單元等部分，日常工作中要參考項(xiàng)目的具體要求，合理配置各系統(tǒng)裝置板塊。

b.絕緣耐壓一級(jí)局部放電。對(duì)于電力企業(yè)而言，在電工設(shè)備靠運(yùn)行中，可通過檢測(cè)絕緣耐壓性來客觀評(píng)估其自身絕緣耐受電壓值。絕緣結(jié)構(gòu)中任何部位受到損傷，設(shè)備整體絕緣性會(huì)直接消失。所以，通常情況下借助耐受多高電壓試驗(yàn)表示整個(gè)設(shè)備絕緣性。局部放電則是指充足電場(chǎng)狀態(tài)下絕緣設(shè)備出現(xiàn)局部放電問題。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，此種現(xiàn)象是引起高壓電氣設(shè)備形成絕緣擊穿的關(guān)鍵因素，表明設(shè)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(shè)備如電纜、套管與GIS等不完整引起的。局部放電會(huì)嚴(yán)重破壞設(shè)備絕緣性，而且其破壞性也會(huì)不斷增大，直到相關(guān)設(shè)備最終失去效果。因此，需要參考電池及結(jié)構(gòu)、管理單元與線束等參數(shù)，利用試驗(yàn)驗(yàn)證其絕緣與耐壓性，進(jìn)一步探究線束局部絕緣缺陷產(chǎn)生的影響。

4.2 試驗(yàn)原理與相關(guān)方案

a.主要試驗(yàn)原理。電氣原理一致性是絕緣及耐壓性的共同點(diǎn)，但其評(píng)判指標(biāo)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)電壓有一定的差異。前者以某一電壓試驗(yàn)狀態(tài)下絕緣電阻為評(píng)判指標(biāo)，后者則以某一電壓試驗(yàn)狀態(tài)下漏電流為指標(biāo)。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(chǔ)能電池技術(shù)屬于直流電源，所以選用直流電壓進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。雖然兩者電氣原理相互統(tǒng)一，但因考核指標(biāo)不同，所以分別進(jìn)行試驗(yàn)考核。

b.試驗(yàn)方案。電池主體、二次采集線纜與耐壓能力是儲(chǔ)能電池模塊的重要構(gòu)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(guān)。通過分層解耦與逐層疊加方式檢測(cè)儲(chǔ)能電池模塊的絕緣與耐壓性能［8］。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

a.電勢(shì)疊加問題的驗(yàn)證。測(cè)試對(duì)象選擇完整的儲(chǔ)能電池單元，同時(shí)準(zhǔn)備好相關(guān)絕緣測(cè)試設(shè)備、防護(hù)工具及萬用表等儀器的準(zhǔn)備［9］。設(shè)置500 V的電壓，對(duì)負(fù)極絕緣性進(jìn)行有效檢測(cè)，電池模塊負(fù)極形成500 V的對(duì)地電壓，然后對(duì)第一個(gè)電芯檢測(cè)其對(duì)地絕緣電壓，如相同，再檢測(cè)電芯a與負(fù)極有一定距離的電壓為665 V，彼此電勢(shì)差約為a-1個(gè)電芯間的電壓差之和。檢測(cè)正極對(duì)地絕緣電壓，電池模塊正極有500 V的對(duì)地電壓，對(duì)第一個(gè)電芯電壓進(jìn)行測(cè)試達(dá)到500 V，同時(shí)檢測(cè)第a個(gè)電芯遠(yuǎn)離正極的有335 V的對(duì)地電壓，雙方電勢(shì)差約等于a-1個(gè)電芯自身電壓差之和。由此表明，儲(chǔ)能電池單元進(jìn)行絕緣或耐壓試驗(yàn)時(shí)，電勢(shì)疊加現(xiàn)象是客觀存在的。

b.可靠性研究。儲(chǔ)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shù)等相關(guān)參數(shù)的改變，對(duì)影響檢測(cè)對(duì)象放電因素與電池單元可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

c.各類工況條件下，利用絕緣檢測(cè)設(shè)備將直流電壓逐級(jí)施加到產(chǎn)品，當(dāng)擊穿與閃絡(luò)現(xiàn)象出現(xiàn)后方可停止，此時(shí)認(rèn)真記錄電壓具體邊界值。此過程中可以發(fā)現(xiàn)，如果線束絕緣性能完好無損，檢測(cè)設(shè)備允許情況下其絕緣性能在5 kV以上，即技術(shù)應(yīng)用時(shí)電勢(shì)疊加現(xiàn)象無法避免，檢測(cè)對(duì)象達(dá)到絕緣國(guó)標(biāo)及電壓裕度要求。假若高壓線束絕緣性能存在缺陷，將會(huì)引起局部放電問題，越靠近另一側(cè)導(dǎo)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?xí)茐腂MU結(jié)構(gòu)。

d.耐壓性。具體工況狀態(tài)下，借助耐壓檢測(cè)設(shè)備為產(chǎn)品施加并緩慢抬升直流電壓，當(dāng)擊穿及閃爍問題出現(xiàn)后立即停止，并及時(shí)記錄電壓邊界值。由此表明，如果線束絕緣性能比較好，測(cè)試設(shè)備符合要求，其絕緣性能不低于7.4 kV，儲(chǔ)能電池單元對(duì)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(huán)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(hù)線束絕緣性能，如通過包裹絕緣膠帶等，可保障產(chǎn)品有更好的耐壓性能。

5 工業(yè)儲(chǔ)能電源系統(tǒng)集成技術(shù)趨勢(shì)

現(xiàn)階段，世界各國(guó)能源需求量快速增長(zhǎng)，由此形成了新儲(chǔ)能技術(shù)更大的應(yīng)用需求。相關(guān)研究預(yù)測(cè)，到2030年全世界儲(chǔ)能市場(chǎng)會(huì)達(dá)到660億美元的規(guī)模。當(dāng)前，新型可再生能源如太陽能與風(fēng)能應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，很大程度上擴(kuò)大了儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用范圍。電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展，很大程度上推動(dòng)著此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。未來，大規(guī)模及高效能等將是其發(fā)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(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是商用儲(chǔ)能技術(shù)首要選擇，但此類技術(shù)也有一定的局限，尤以能量密度、成本、安全與循環(huán)壽命等最為明顯。所以在未來發(fā)展中，要深入研發(fā)電容器，以及重力、氫氣及壓縮空氣等多元化儲(chǔ)能技術(shù)［9］。近年來，相關(guān)行業(yè)非常關(guān)注氫氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，它作為一種可再生能源，優(yōu)勢(shì)明顯，如能量密度高、環(huán)保性強(qiáng)以及儲(chǔ)存時(shí)間等，使其成為儲(chǔ)能行業(yè)未來重要發(fā)展方向。

未來發(fā)展中，儲(chǔ)能技術(shù)有以下主要方向：

a.持續(xù)節(jié)省成本，增強(qiáng)可靠性與可承受性，逐步擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模并加快推進(jìn)市場(chǎng)化發(fā)展。

b.深入提升技術(shù)能量密度與效率，充分滿足具體場(chǎng)景應(yīng)用要求。

c.融合儲(chǔ)能及其他領(lǐng)域技術(shù)，延展深化產(chǎn)業(yè)鏈。儲(chǔ)能技術(shù)在智能電網(wǎng)、可再生能源系統(tǒng)中應(yīng)用，大幅提升了系統(tǒng)性能。

d.增強(qiáng)技術(shù)安全，保障設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行。儲(chǔ)能技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展有著極為廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。在今后的發(fā)展中，技術(shù)創(chuàng)新使得技術(shù)安全性能逐漸提升，因此設(shè)備運(yùn)行也就更為穩(wěn)定，能夠進(jìn)一步保障工業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)健康穩(wěn)定的發(fā)展。

6 結(jié)語

儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)際應(yīng)用過程中，電力企業(yè)應(yīng)重視設(shè)備效能的發(fā)揮，綜合考慮鋰電池具體應(yīng)用情況深入研究工業(yè)儲(chǔ)能電源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，實(shí)事求是保障儲(chǔ)能電池單元的安全與經(jīng)濟(jì)性，促使電力企業(yè)持續(xù)為各行業(yè)領(lǐng)域供應(yīng)可靠的電力能源。

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