三维设计在国网电化学储能电站中的应用

杨先进，邱 凌，徐庆锋

(杭州市电力设计院有限公司，浙江 杭州 310014)

随着国网电化学储能电站技术的不断发展，储能电站在空间布局、能源利用效率等方面的要求也逐渐提高。传统的二维设计，空间感较弱，往往在设计和后续维护过程中，有考虑不周的地方，三维(3D)设计则可以有效弥补二维设计的不足，在当前的工业设计等领域的应用越来越广泛，在国网电化学储能电站等的设计及后续管理、维护中，也得到了一定的应用。

1 三维设计简介

三维设计是在二维设计的基础上，在第3个维度进行空间设计、尺寸规划的设计方法，通常会依托一些智能化、数字化的设计工具，如计算机3D设计软件，将二维设计图纸转化为可视性更强、更加直观的立体模型，目前已成为工业行业较为常用的一种设计方法。在二维平面设计中，通常采用浮动和相对定位的方法进行平面布局，从而使各个模块处于同一平面内，但通常为了照顾到视野和使用需要，在进行平面布局时，很容易产生结构上的视觉“bug”，干扰技术人员判断，使得设计效率大打折扣。随着计算机技术的不断更新进步，工业对于设计的要求越来越高，二维设计已逐渐难以满足更高的设计要求，最终将转化为成熟的三维设计技术。相较于二维设计技术，三维设计更加直观、具体、形象，且能够规避二维视觉带来的负面影响，实现更加精准的设计。从原理上来看，三维设计以二维设计为基础，由二维空间多层叠加形成，但无论多么复杂的二维空间反馈，在三维设计中均表现为多个层的叠加，通过调整各层的显示逻辑，即可实现三维布局的重构，达到观察实物的效果。目前常用的三维设计软件有：PRO/E、UG、3Dmapx和solidworks等。不同软件所侧重的方向和人群有所不同，工业设计中使用较多的为solidworks和PRO/E。

2 三维设计在一般电池设计中的应用

2.1 三维电池的理论模拟

三维电池的理论模拟主要围绕电极的电流分布、充放电状态和结构演变进行分析，主要工具为有限元模拟，主要研究对象包括叉指结构、同心结构和非周期性多孔结构的三维电池。

叉指结构利用正负极相互交错的平板或者棒状结构实现。电极中电流密度分布不均是其存在的固有问题，由此导致的局部极化以及电极边缘的副反应，可能是影响电池能量提升的关键。理论模拟结果指出，调节电极形状、改变电极高度以及提高电极和电解液的电导率等方式，可以改善叉指结构电池的电流分布问题。

正负极的同心结构设计以及薄电解质层，在某种程度上增加了电池本身的能量密度。同心结构可以较大程度地降低正负极之间的距离，加快电荷转移的速率，提升电池的倍率性能。理论模拟表明，调整同心结构间的距离与电极的高度，可以实现电池材料的充分利用。

非周期性多孔结构电池由于具有独特的孔结构，可以为电子和离子提供多个传输通道，有助于高性能电池的进一步开发。在非周期性多孔结构电池中，孔隙率是影响电极电流分布和电极材料利用率的关键因素。研究人员可以通过分析理论模拟的结果，更有针对性地调整电极的孔隙结构，实现电极优化设计。

综上所述，理论模拟为电池结构的构建和优化提供了参考标准，为三维结构电池的发展提供了理论支撑。随着数值仿真技术的不断发展，研究者能够建立更符合电极实际状态、更准确表现电极在电化学过程中演变和更为通用的理论模型，为三维结构电池的进一步发展“保驾护航”。

2.2 电池PACK三维结构设计的应用

在电池设计中，目前较为常见的三维结构设计应用是电池PACK结构设计。电池PACK结构设计是指电池组合设计，即通过电池的零部件或者单独的子电池，根据能量输出需要、体积控制需要等指标，共同组成PACK。随着电动汽车的迅速发展，锂离子电池的电池PACK技术大大提高。电池PACK一般由专门的企业来做，主要集中在锂离子电池PACK工厂，拥有自己的结构设计、电子设计方案和生产车间。PACK工厂按照车企的要求将电池组装成需要的形状和大小，在自己的PACK车间进行规模化的动力电池加工和生产，品质检验合格的产品就会供应给相应的车企，完成装配。其中的组装过程，就使用到电池PACK三维结构设计，通过事先对组装后电池的体积、容量、尺寸等主要参数进行限定，用三维结构设计软件，来设计出符合各项参数要求的电池组合。

2.3 3D打印技术在电池设计中的应用

3D打印技术真正满足了三维结构设计在电池设计中的个性化要求，优点主要有：①根据数字模型直接得到成型样件，中间过程无需人工处理，产品制作周期短；②可以根据需要制造设计的孔隙结构或任何复杂几何形状；③支持建设柔性生产线，能够根据设计数据，制造不同尺寸和形状的电极；④可降低电池产线的投入和运营成本，如设备、人工、能耗和维护等；⑤降低电池制造、电池研发试错成本，减少电池非活性材料的用量，如铜箔、铝箔、隔膜等；⑥解放设计思维、自由创造、所想即所得，支持新型电池的研发与制造。

与传统的涂覆叠片技术相比，3D打印让电池制造流程更加快速简单，成本低廉、可定制、更智能，能够以最少的材料浪费，一步完成复杂结构的制备，具有对环境无污染、能耗低等优势。

3 三维设计在电化学储能电站中的应用

3.1 储能电站

储能电站是利用各类设施进行电能静态存储或循环存储的专用设施，在功能上与“电池”类似，能够存储、转换、释放电网中的电能，在用电低峰大量存储电能，在用电高峰释放电能，确保电网中电能的稳定供给，实现国家电网运营的稳定和城市供电稳定、用电安全。在我国，以抽水储能电站和超大型电池组最为普遍。抽水储能在我国应用的时间较长，技术已经相对成熟；超大型电池组尚处于试验阶段，主要与新能源发电的逐渐普及有关。随着新能源的广泛应用，超大容量电池组一类的储能电站会越来越多。

3.2 三维设计在锂离子储能电池中的应用

在各种电化学储能设备中，锂离子电池的应用领域最广泛。一般来说，锂离子电池包括正极、负极、液态有机电解质、聚合物微孔隔膜和一对电极集流体等。目前，实验室和工业制备的锂离子电池电极，绝大部分采用传统的金属箔作为集流体，配以粉状的活性材料，加上炭黑和聚合物黏结剂所混合而成的浆料，加以表面涂覆。这种技术简便易行、成本低廉，但是在平整金属箔上涂覆浆料的方式具有比表面积低、活性材料容易积聚、长时间循环后容易脱落等缺点。为解决这些问题，近年来，采用三维多孔层状集流体来替代传统平整金属箔集流体的设计思路，开始逐步尝试应用到锂离子电池的研究中。三维设计及其数字化、自动化应用，是当前工业行业的趋势，再结合使用无黏结剂的活性材料沉积生长等方式，锂离子电池的电化学性能将得到较大幅度的提升。

这种三维设计在锂离子储能电池中应用的思路主要有以下几点：①应采用高导电性和低密度的材料(如石墨烯、微纳米结构碳纤维)，以提升电池总体的比容量；②应使用沉积生长等无黏结剂的方式来负载活性材料，有利于维持多孔结构和长循环稳定性；③不宜使用具有无规则孔径形状和尺寸分布的泡沫状多孔材料；④应具有孔径大小适中、孔径方向平行且三维正交的结构特点。

3.3 三维设计在国网电化学储能电站中的应用

如果说将三维设计应用于储能锂离子电池中的三维多孔层状集流体设计，属于微观层面的应用，那么目前将三维设计应用于国网电化学储能电站，则属于宏观层面的应用。三维设计在国网电化学储能电站中的应用，主要是指通过三维设计软件，将国网电化学储能电池搭建成一整套符合功率要求、能量输出要求和体积要求的储能电站设备。这种搭建，一方面需要满足参数的要求；另一方面，应考虑后续的维修是否方便，电池更换成本如何，储能站整体的散热性及安全性是否符合要求等问题。同时，三维设计还被应用于后期的国网电化学储能电池站的维护和管理，比如在三维设计软件中对各只电池进行编号，便于后续快速查找故障电池；也可以根据客户需要，进行局部的再设计等；依托三维设计软件，建立对储能电池站的三维监控系统，保障储能电池的正常工作等。

4 结语

综上所述，随着技术的逐渐成熟，三维设计在国网电化学储能电站的应用也逐渐深入，除了设计外，在后期管理、故障排查、安全维护等领域，将发挥越来越重要的作用。三维设计技术，也逐渐与物联网、人工智能等相结合，以更加智能化的方式，不断服务于工业发展。