电网贮能和移动电站替代电源的设计与实现

林霄?李超

摘要：本文针对电网設备中的贮能电站、移动电站、各种终端电能和启动电源等的应用现状，结合国网设备未来发展的趋势和需求，提出用新能源电源替代现有贮能用电和各类用电设备启动电源的应用技术。

关键词：电网;贮能;替代电源;设计

1 概述

随着全球清洁、高效、低碳能源技术的快速发展，以及存在供电和用电各种场景的不平衡，各种贮能电站、车载移动电源、终端电能替代已逐步在电网中使用。而我国在贮能电站、移动电站、各种用电终端设备使用贮能和启动电源等方面均大量配备了电容器、蓄电池和小型移动电站，这类贮能和移动电站在运行时存在能耗大、噪音高等问题，不满足系统运行成本和安全问题等使用要求。为此，本文依据国网设备在贮能电站、移动电站、各种用电终端设备启动电源等方面实际使用情况，提出了新能源电池组的设计方法。通过对不同的电池进行选取和组合设计，可以实现替换不同的贮能电站、移动电站和各种使用终端替代电源，为今后深入开展新能源电池在国家电网设备中的实际应用提供技术支持。

2 国内外现状分析

随着新能源电池技术的发展，各种有关新能源电池技术的报道也层出不穷，如氢能源电池技术、太阳能电池技术、石墨稀电池技术、锂电池技术等。公开资料显示英国AEA， SAFT America将锂离子电池应用于通讯卫星和航空电池，日本的日产、富士等整车厂商都将锂电池作为电动汽车的首选动力源。

3 新能源电池的设计与实现

通过比较和选型，本文重点针对技术和工艺相对成熟的某一型锂离子电池技术进行应用设计分析和探讨。

3.1 锂离子电池的组成和工作原理

3.1.1 锂离子电池的组成。本文研究的锂离子电池主要由LiFePO4正极材料、MCMB中间相碳微球负极材料、高离子导电性电解质，PP/PE/PP三层结构隔膜和其它材料及零部件等构成。

3.1.2 锂离子电池的工作原理。锂离子电池充电工作原理：正极被氧化，所含的Li离子脱出，电解液中的Li离子向负极移动，并在负极表面得到电子，形成锂碳（嵌锂）化合物。

锂离子电池放电工作原理：镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，被氧化成Li+，进入电解液，电解液内的Li+向正极移动，正极材料被还原，电解液中的锂离子进入正极。

3.2 锂离子电池的选取与设计

3.2.1 锂离子电池的选取。大容量的锂离子电池的设计一假都是首先选取合适的单体锂电池，然后通过串数及容量没计，最终实现设计指标。

3.2.2 锂离子电池组的设计。针对不同的替代对象，或是电压，放电量等技术指标要求，通过计算，选择多个单体电池串联或并联，以达到替代电源的各项技术指标要求。

以某一贮能电站或移动电站特定替代电源设计为例：直流供电电压为220V土10V，连续工作1小时，负载功率为12KW。

我们选择磷酸铁锂单只标称电压为3.2V的电池作为本体;取69个串联本体比较合适。这样电压范围为220V±10V左右，然后进行容量推算：假设负载实际所需容量CO，负载要求容量C1，可得出以下推算公式：

C0=C1/K1×K2×K3

其中，K1——大电流放电系数;K2——温度系数;K3——寿命曲线系数;

如果选择用成熟的通过UL安全认证的40A/h的单体电池来组合，选择69个本体串联4组并联能够满足贮能和移动电站用电需要。此时电池容量为160A/h。69个本体串联电池组可分成4个电池模块。不同的用电源可用不同电池的串并联来实现。

3.2.3 锂离子电池组电气性能设计

a）电芯均衡电路设计

每个电池模块电芯顶部放置电芯均衡电路，当电池在长期搁置后，通过多次充放电后电池的最大容量能恢复到搁置前电池的最大容量均衡起动点为3.6V，均衡电流约50mA。

b）过充过放保护功能设计

1）过放电保护：当多节电池中有一节达到1.5±0.05V达到1秒以上，电池的放电回路切断，过故电保护解除通过充电来解除

2）过充电保护：当多节电池中有一节达到3.65±0.05V达到0.1秒以上，电池的放电回路切断，过充电保护解除只要电压降低到3.5±0.05V解除。

4 关键技术的设计实现

4.1 采用新型铁锂正极材料使电池安全性和使用寿命得到大幅提高

通过对几种目前常用的锂电池正极材料经过研究对比，不是充放电性能差，就是寿命短，不能满足市场化的使用需要。采用新型磷酸铁锂正极材料能使锂离子电池使用安全和寿命更长。

4.2 优化结构设计，采用新材料，使低温高倍率放电得到大幅提高

国家电网分布东西南北，跨度大、温差高。用电设备对高，低温条件下的使用要求较高。因此，解决低温条件下的锂离子电池的高倍率放电是关键难点之一。一是在工艺上采用先进的叠层结构，与传统卷绕结构比较具有热分布更均匀、散热性更好的特点：而且叠层极片是独立多层组成，所以内阻更低，放电倍率更高，在使用过程中也就更安全：二是采用了低温条件下不凝固的电解液，并添加纳米管作为导电剂，不仅保证了锂离子电池的低温放电性能，而且大大提高了正极材料的电导率：三是单体电池间及电池模块间的连接采用多层紫铜片压接方式，通过集肤效应达到过大电流能力。通过优化设计和采用新材料，使电池能可靠地在一45℃低温条件下进行3C以上电流放电。

4.3 经过大量的试验验证，解决了充放电效率和荷电保持的难题

高性能SEI膜是电池寿命、安全、倍率特性和低温性能的关键.采用新的环状碳酸酯——碳酸乙烯亚乙酯（VEC），比以往锂离子电池上使用的碳酸亚乙烯酯（VC）更稳定，更不容易发生聚合，因而，较大的提高了锂离子电池的充放电效率和循环特性。

鉴于磷酸铁电池微量铁杂质对SEI有催化分解作用，经过大量试验证明，选用了VC+VEC复合SEI成膜剂，并经试验验证，使电池具有优良的荷电保持能力。

5 结论与启示

5.1 选准目标，获取经验，逐步推广

本文中我们对电网设备中的贮能电站、移动电站、各种用电设备终端的替代电源等方面进行了深入的设计分析研究，并结合国内新能源电池的技术发展现状和实现的难易程度，我们认为应先易后难，在获取贮能电站、移动电站、各种用电设备终端等应用的实际经验后，然后再视情逐步推广。先选择小型功率的贮能电站、移动电站、各种用电设备终端进行替代能源设计，再进行大功率的贮能电站、移动电站等电源的替代，便于新能源电池的设计实现。

5.2 降低成本，跟踪发展，配套使用

目前，新能源锂离子电池在一次性购置费用上同相同容量的传统贮能电容器及移动电站相比存在着明显的价格偏高现象，这将直接影响新能源锂离子电池的推广便用范围。在使用成熟新能源电池技术的同时，努力跟踪新能源电池技术的发展趋势，要下大力提升电池的单位体积容量等基本使用性能，不断研制和采用新型材料，发展新型电池技术，特别是全固态锂离子电池技术，使现有电池能量密度从200-300WV/h快速提高到400-500WV/h能量密度的水平，并大幅降低电池生产成本。只有这样，才能提高产品的性价比，才能促进新能源电池在电网设备领域里大幅推广。

（作者单位：国网电子商务有限公司（国网金融科技集团）双创中心）