發布時間：所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 伴隨電化學儲能成本迅速下降，在可再生能源發展需求下，電化學儲能技術將迎來快速發展。首先梳理了電化學儲能本體技術原理與概況，其次闡述了電化學儲能的控制技術，再次闡述了其應用中所需的管理技術，最后根據上述描述內容，給出了相關建議和展望。 隨著全球可再生能
伴隨電化學儲能成本迅速下降，在可再生能源發展需求下，電化學儲能技術將迎來快速發展。首先梳理了電化學儲能本體技術原理與概況，其次闡述了電化學儲能的控制技術，再次闡述了其應用中所需的管理技術，最后根據上述描述內容，給出了相關建議和展望。
隨著全球可再生能源的應用越來越普及、電動汽車產業以及智能電網的迅速發展，儲能技術成為促進能源發展的關鍵要素。當前，可再生能源包括風能、太陽能和潮汐能等，為了應對不可預測和多變特性，有效緩解電網劇烈波動，保證電網的可靠性，需要在新能源中配置適當的儲能系統使得新能源變得盡可能可控。當前在儲能領域中，電化學儲能技術更具優勢。2020年底累計裝機規模高達2.83 GW，同比增長49.7%，意味著中國電化學儲能產業已進入高速發展階段。我國電化學儲能產業起步相對較晚，經過十多年發展，目前正由小規模研究示范向商業化初期過渡發展。與其他儲能技術相比，電化學儲能技術具有設備機動性好、響應速度快、能量密度高和循環壽命長等優勢，是當前國內外儲能研究的熱點。
電化學儲能技術在電力系統中應用廣泛，應用在發電、輸電、配電和送電四個環節。在發電側可提高發電的穩定性和發電質量;在輸電環節，可降低輸電的成本;在配電環節，可以緩解企業和用戶用電壓力，促使電網的升級擴容;在送電環節，可通過峰谷差套利，進而減少企業和用戶用電成本。
綜上，電化學儲能技術不僅是解決能源難題的最有效途徑，而且其對電力系統起著非常重要的作用，因而引起新興市場和科研領域的廣泛關切。本文首先梳理了電化學儲能本體技術，歸納了不同種類型的儲能電池相關技術;其次對電化學儲能中電池的控制技術進行了闡述;然后分析了電化學儲能的管理技術;最后對電化學儲能技術的應用前景進行了分析，旨在為廣大相關研究人員提供參考借鑒。
電化學儲能本體技術
目前，電化學儲能本體技術是儲能行業中一大熱點，其種類較多，且各有其特點。下面將具體論述不同類型電池的儲能本體技術工作原理。
1. 鋰離子電池
鋰離子電池具有充放電速度快、能量密度大、無記憶效應、使用壽命長和自放電小等優點，被稱為“綠色電池”。鉛炭電池、鈉硫電池、液流電池、磷酸鐵鋰電池和錳/鈷酸鋰為正極的鋰離子電池的比較見表1。可以得出，鉛炭電池的不足在于使用壽命較短，鈉硫電池不適宜工作在溫度較高的環境，液流電池的能量密度很低，而磷酸鐵鋰電池和以錳/鈷酸鋰為正極的鋰離子電池則有著綜合的性能優勢。
由于受到外部電場影響，鋰電池在充電時正極材料釋放鋰元素，變為正電荷鋰離子(Li+)。電場力作用使得鋰離子從正極向負極移動，并與負極碳原子發生化學反應后嵌入至負極石墨層狀結構中。從正極向負極移動的鋰離子越多，電池能夠存儲的能量就越多。放電時，內部電場受力與充電時電場受力方向相反，Li+從負極脫離，沿電場方向移動到正極。從負極移動至正極的鋰離子越多，電池能夠釋放的能量越多。作為一種電能運輸載體，鋰離子(Li+)在每次充放電循環過程中都會從正極→負極→正極往復移動，與正負極材料發生化學反應，進而實現電能和化學能相互轉換。由于鋰電池中隔離膜和電解質等都對電子絕緣，所以在循環過程中電子不會在正負極之間來回移動，它們只參與電極的化學反應。鋰離子電池工作是以鋰離子在正負極嵌入或脫出、在正負極之間來回做往返運動而實現充放電過程，原理簡單且無電解液消耗。鋰離子電池工作原理示意圖如圖1所示。圖1 鋰離子電池工作原理示意圖
2. 液流電池
液流電池體系繁多，全釩、鋅溴是主流。液流電池循環性能好，容量和功率可獨立調節，適合規模化儲能。在液流電池系統中，作為電池發生電化學反應的場所，電極板的面積是單體電池功率的主要影響因素;電池化學能主要存儲在電解質溶液里，所以電解液的濃度和體積是電池系統儲能容量的主要影響因素;液流電池可在常溫常壓下工作，無潛在的爆炸或著火風險，安全性好。但其能量轉換效率較低，占地面積偏大，相對其他電池儲能系統，液流電池系統増加了管道、閥等輔助器件，結構相對復雜，對系統可靠性有一定的影響。未來可對先進液流電池電解液和輔助器件集成技術進行更加深入的研究，應用于更大規模的電化學儲能系統中。
相關知識推薦：電化學領域有哪些sci期刊
如圖2所示，液流電池的兩個儲罐中分別裝有電池正極和負極電解液，通過磁力泵和管道使電解液通過電荷轉移。在電堆內部，正負極電解液用離子交換膜隔開，電池外接負載和電源。液流電池技術通過反應活性物質的價態變化實現電能與化學能相互轉換與能量存儲。在液流電池中，活性物質儲存于電解液中，具有流動性，可實現電化學反應場所與儲能活性物質在空間上的分離，電池功率與容量獨立設計，適合大規模蓄電儲能需求。
3. 鈉硫電池
如圖3所示，鈉硫電池正極為液態(熔融)的硫，負極為(熔融)的鈉，正負極通過固態氧化鋁陶瓷隔開，固體電解質只允許正鈉離子通過和硫結合形成多硫化物。放電時，帶正電的鈉離子通過電解質，同時電子通過外部電路流動產生大約2 V的電壓;充電時過程相反，多硫化鈉釋放鈉離子后反向通過固體電解質重新形成鈉元素。
鈉硫電池技術難點在于固體電解質陶瓷管的制備，目前國際上在高質量陶瓷管的批量化生產方面有很大進展，但其成本仍需進一步優化。鈉硫電池技術另一個重要瓶頸在于電池組件的密封，目前國際上已開始研發與陶瓷熱系數相適應的玻璃陶瓷材料作為密封材料。由于硫和硫化物均具有強腐蝕性，低成本的抗腐蝕電極材料研發也是單電池技術的研究焦點之一，目前已成功開發一些可用于電極材料的抗腐蝕沉積層如在廉價襯底上沉積碳化物。
在鈉硫電池儲能系統規模化方面，其主要研究集中于系統的連接結構、電池單元可靠性、溫度管理及系統安全性，以上問題相互關聯，共同影響著鈉硫電池儲能系統規模化應用的性能。
4. 鉛炭電池
如圖4所示，鉛炭電池是將鉛酸電池和超級電容器采用內并聯方式兩個合一的混合物，性價比優勢顯著，市場前景看好。正負極鉛膏采用特有配方和優質固化工藝，提升了正極活性物質抗軟化能力和負極鉛膏抗硫化能力，針對電池的抗腐蝕性問題，正極板隔膜采用新型特制合金進行合理的結構設計;為了使電池的析氫、析氧過電位高，電池不易失水，電解液中采用新型添加劑。電池在頻繁瞬時大電流充放電工作時主要由擁有電容特性的炭材料釋放或接收電流，從而抑制鉛酸電池的“負極硫酸鹽化”，有效地延長電池使用壽命;電池處于長時間小電流工作時主要由海綿鉛負極工作，用以持續提供能量。
鉛炭電池綜合了鉛酸電池成本低、安全性好和自身發揮的充電倍率高等優勢，未來還可將鉛炭電池本體技術做出更多的嘗試，從而提升其現有的性能。
電化學儲能管理與控制技術
除了電池本體技術，電化學儲能中的管理與控制技術同樣重要。電化學儲能系統在電網側、發電側和用戶側供電時需要運用合理的管理和控制技術才可維持穩定的能量供應，創造更多的經濟和社會效益。下面從電化學儲能系統的管理和控制兩方面進行具體分析。
1. 電化學儲能管理技術
(1)能量管理技術
儲能電站的電池管理系統主要用于儲能電站的能量管理，如圖5 所示。
電池管理系統主要有能量管理主控制器、儲能電池PACK和電池數據采集部分。主控制器主要通過判斷電池的荷電狀態(SOC)進行下一步指令，其獲得外部監控系統得到的數據后，根據電池數據采集部分得到的數據計算電池組SOC的差異，通過計算結果判別是否報警，若判斷系統正常，則主控單元發出驅動信號控制整個電路的運行;否則發出報警信號。SOC是電池在實際應用中的一個重要參數，其估算越準確，越能實時地獲取儲能電站的電能使用情況，為儲能電站的穩定運行提供可靠的保障。作為電池管理系統的重要參數之一，準確的 SOC估計可避免電池過充電或過放電，延長電池的剩余使用壽命，因此對SOC的估算是不可或缺的。有研究項目通過二階等效RC電路模型，提出了一種無跡卡爾曼濾波算法，使得SOC的估算準確度可控制在2%以內;有研究項目結合粒子群算法與最小二乘支持向量機，避免單一算法存在陷入局部最優的問題，提高SOC的估算準確度。系統可根據實時估計出的SOC值進行分區處理，將儲能電站各個電池簇按照以分成的工作區進行功率分配，使電池簇之間出力更加合理，提高整個電站運行效率。
(2)通信管理技術
電池管理系統(BMS)將收集到的電池信息狀態數據送往BMS主控芯片進行估算，再將芯片處理的結果通過CAN總線發送給其他的模塊進行共享使用，儲能系統通信結構圖如圖6所示。通過這種方式，電池管理系統能夠將信息實時有效地顯示在上位機上，這種顯示模塊使得工作及維修人員可對整個電站級的運行狀態信息有清晰的把控和判斷，對于之后電站維護和保養以及狀態數據的采集都有重要的意義。
2. 電化學儲能控制技術
(1)均衡控制技術
1)基于壓差和容量一致的均衡策略。壓差均衡策略通過單體電壓與電池模組平均電壓之間的聯系將電壓較高的電芯進行放電。為獲取精確開路電壓，需暫停均衡一段時間，然后再重新將電壓數據進行采樣;容量均衡策略通過得到的每個電芯最大可用容量求得每個電芯所需均衡容量。受電池容量一致性及容量衰減問題影響，對電池最大可用容量進行在線評估比較困難。有研究項目通過一段充放電時間電壓差值評判電池單體不一致性，并依據計算獲得電池容量差，然后通過容量差計算均衡時間，這種策略的收斂準確度受到計算得到的容量差準確度影響，而且要使得均衡電流在可控范圍內。這種策略以電池間容量一致為均衡目標，所以在電池最大可用容量衰減差異較大時無法取得較好的均衡效果。有研究項目根據電池剩余容量計算將電池劃分三類，依據電池狀態分配每類電池能量，提升了電池的容量利用率。這種策略考慮了能量利用效率，能夠減小均衡過程能量的損失。
2)基于S O C一致的均衡策略。SOC一致均衡策略要識別電池模組內部中每個單體電池SOC，將單體電壓波動和電壓跌落等影響弱化，在電池最大可用容量衰減差異較大時也可取得較好的均衡效果。有研究項目通過K-means聚類算法以SOC 為數值特征設計三種均衡控制指令，提升了電池的可用容量。這種策略的實現需配備準確的測量電路，既滿足電站離線均衡及電池維護，也可實現電站在線均衡。有研究項目通過對均衡電流大小和均衡器開關進行控制使得電池組能量均勻分布，提高了電池組的能量轉移效率，同時實現單體電池控流均衡。
(2)儲能系統逆變控制技術
儲能系統處于充放電工作狀態時會將交、直流電往復轉換，以達到削峰填谷、平滑不穩定電力輸出的目的。為此，儲能系統需通過功率變換裝置(如儲能變流器)，及時進行有功/無功功率吞吐，保持系統內部各部分功率的平衡。目前，常用逆變電源并聯控制主要有集中控制、主從控制兩種策略。
1)集中控制。并聯逆變電路集中控制系統中，集中控制器可均勻分配輸出電壓反饋量和負載電流，每個逆變電源側跟蹤集中控制器輸出電流指令，儲能系統集中控制框圖如圖7所示。
2)主從控制。逆變電路主從控制系統中，逆變電源為電壓型逆變電源，其余均為電流型逆變電源;電壓型逆變電源控制并達到輸出電壓反饋，剩下的電流型逆變電源跟隨電壓型逆變電源輸出電流，進而均勻分配負載電流，儲能系統主從控制框圖如圖8所示。
電化學儲能安全防護技術
從應用角度來看，電化學儲能最重要的技術為安全防護技術，其保障了儲能電站的安全運行，減少不必要的事故發生，主要包含電池熱管理和故障診斷技術，本文從這兩個方面展開分析。
1. 電池熱管理技術
溫度過高或過低會嚴重影響儲能電站的性能和使用壽命，并可能造成電池系統的安全事故發生，且電池箱內溫度場不均勻分布會造成各電池模塊、單體間性能不均衡，因此電池系統熱管理方面對于電池系統而言是必須的。
目前研究較多的電池熱管理系統有風冷和液冷兩種方式。強制風冷和液冷式管理需依靠風扇和循環泵等輔助設備，風冷式電池熱管理系統分為自然風冷和強制風冷兩種方式。自然風冷通過空氣本身與電池表面的溫度差產生熱對流，使得電池產生的熱量轉移到空氣中，實現電池模組及電池箱的散熱，但由于空氣的換熱系數較低，自然對流散熱難以滿足電池的散熱需求;強制風冷需要額外安裝風機、風扇等外部電力輔助設備，使得外部空氣通過風道進入電池模組內，循環流動對電池進行冷卻。強制風冷散熱效果比自然風冷方式要好一些，但會消耗大量電能，且為了安裝外部輔助設備需要擴大使用空間。
除了控制風的流量，在散熱空間方面可分為串行和并行兩種通風方式，通風方式如圖9所示。
串行通風方式空氣左進右出，但由于左側距離風口較近，所以左側部分的儲能電池組冷卻效果要優于右側部分;并行通風方式能夠將冷風均勻地送入到儲能電池組之間的間隙中，進而維持儲能電池箱中溫度的一致性。
與風冷式散熱原理基本相同，液冷式電池熱管理系統也利用對流換熱的方式進行散熱，兩者差異性體現在換熱介質和換熱系數。液冷散熱方式利用液體流動轉移電池工作產生的熱量，對電池組或電池箱進行散熱，但液冷方式由于設備昂貴導致成本較高。
2. 電池故障診斷技術
電化學儲能故障診斷技術在應用中具有相當重要的作用，已有大量學者和相關科研人員對此展開研究，目前實際中基于模型和數據驅動的方法較多，下面進行具體展開。
(1)基于模型的故障診斷方法
基于模型的故障診斷方法是將實際與模型之間產生的誤差進行處理和決策的方法，其工作流程如圖10所示。
現行基于模型的故障診斷方法主要分為電化學阻抗譜和等效電路模型法。電化學阻抗譜利用不同頻率的小幅度正弦波電壓擾動所測系統得到勵磁阻抗響應，進而得到頻率響應的變化數據，通過變化值推斷電池組性能衰退情況;等效電路模型法將整個系統參數化表示，把系統內部發生的電化學反應等效為由多種電力電子器件構成的電路，通過模擬觀察電路中電力電子器件中參數的變化來尋求系統是否故障。
(2)基于數據驅動的故障診斷方法
數據驅動的診斷方法通過歷史信息獲取診斷需要涉及的物性參數，再經過特征工程步驟挑選出最能表征參數特征的數據作為故障分類的初始化數據，最后利用數據驅動方法判別決策方式，具體診斷決策流程如圖11所示。——論文作者：李 峰 耿天翔 王 哲 李雅欣 李建林
