储能电池可靠性分析及储能技术应用实践

2024-10-28 00:00:00李忠坡

专用汽车 2024年9期

摘要：为提升储能电池单元可靠性，首先分析了影响储能充电站可靠运行的内外因素；然后从应用于电力系统、交通运输及工业生产等三个方面阐述了储能技术的具体应用情况，并针对储能电池单元可靠性的提升进行了分析；最后对工业储能电源系统集成技术趋势进行了展望。

关键词：储能技术；电网平衡调节；能源管理

中图分类号：U473.4 收稿日期：2024-07-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.024

1 前言

在现代工业经济快速发展背景下，能源需求量发生了很大的改变。然而，能源生产与使用间的不匹配性矛盾是客观存在的，因此有必要为储能技术发展创造一定的条件。储能技术是指能量以其他方式出现的整个过程，如有能量需求，可在短时间得到恢复［1］。该技术广泛应用于现代工业经济行业，特别是电网调度、可再生能源、智能家居及电动车等相关领域。

2 储能充电站运行可靠性的影响因素

2.1 外部影响因素

a.电力供应。只有保障持续稳定地供应电力能源，充电站方可为电动汽车稳定提供充电服务，假若电力供应存在很大的波动，充电站将无法正常充电抑或充电太慢等现象。

b.环境与天气，其中高低温、潮湿或者干燥等不同天气条件都将直接影响充电站运行的可靠性，充电设备及稳定供应电力能源受到一定的干扰［2］。

2.2 内部相关影响因素

a.充电设备。常用设备包含充电桩及充电枪等，需定期维检以保障设备稳定运行。

b.充电网络。日常运行过程中，它与电动汽车、电网等之间存在通信联系，为充电服务提供保障。

c.安全管理。可靠的安全管理可为用户提供安全保障。

d.检测维修。充电站必须做好氢气检测维修，创造良好条件实现稳定运行。

e.人员自身素质。相关从业人员要具备扎实的专业知识及操作技能，促使电站更加可靠地传送电力能源［3］。

3 工业经济领域储能技术具体应用

3.1 应用于电力系统

a.借助电力储能技术，平衡电力负荷数值。在实际电力系统运行中，电力负荷随着用电量的不同而不断变化。应用此项技术时可在低谷时期做好电能储存，在进入高峰时期将其充分释放，以此促使电力负荷达到平衡。这样就大大节省了运行成本，从而实现高效应用能源。

b.应用该技术可保障电力系统更加稳定与可靠的运行。如果出现电网故障或恶劣天气等异常情况，将直接影响整个电力系统的稳定运行。使用该技术，备用能源可短时间内向电力系统传送所需能源，为系统可靠运行奠定基础。

c.电力储能技术可使系统有更高的运行效率。电力系统运行中借助输电电路完成能源传送，但输电线路中的电阻是客观存在的，这使得部分电力能源会出现损耗。应用此项技术为输电线路安装相应的储能设备，可提高储存效率，减少损耗，提高整个系统的运行效率。

3.2 应用于交通运输行业

储能技术的应用，对交通运输行业也是非常重要的，尤以电动汽车、油气混合动力车以及公共交通系统等领域的应用最为明显。当前，世界各国非常重视环境保护，新能源汽车市场规模逐步扩大，为交通行业应用储能技术创造了良好的条件，其中电动汽车领域的应用是非常典型的。电动汽车加工制造中电池技术是核心之一。借助充电系统为车辆电池完成储能操作，再借助电机将其转换成所需要的机械能，为车辆前行提供驱动力。

相较之传统燃油汽车，零排放、噪音小且高效应用的能源等是电动汽车的显著优势，与此同时也存在一些客观性问题，如较短的续航里程、充电时间太长等，这些对车辆运行带来了一定的影响。储能技术的应用，可很好地缓解这些问题［4］。

另外，混合动力车也是储能技术的重要应用领域之一，此类车辆驱动力来自多个动力源。利用储能技术电动机完成电能储存，高效应用内部燃油，以此减少能源损耗，降低污染排放量。该车能够借助传统燃油进行驱动，还可通过电力能源驱动，高效应用传统能源与新能源，这是混合动力车的显著优势。

储能技术应用于公共交通领域也是不容忽视的。我国加快城镇化建设，很大程度上提高了公共交通需求量，因此储能技术可以更为广泛地应用在这一领域中。储能技术应用于有轨电车、电动公共汽车等公共交通工具，大大地降低了车辆运行成本，提升了能源利用效率，起到了环境保护的作用，保障了健康绿色出行。

3.3 储能技术在工业生产中的应用

工业生产中储能技术的应用备受关注，实际生产中此项技术对电网负载有很好的平衡效果［5］。尤其是制造行业，应用该技术可保障产品生产质量，大幅度提升实际生产效率，使得能源成本得到大幅度降低，污染排放量也得到极大缓解。

一方面，储能技术的应用可以很好地平衡用电高峰与低谷的电力负荷值，有效避免由于用电量突然增加而导致的能源浪费。另一方面，储能技术的应用大大地降低了机器停机时间，保证了生产效率，提升了生产质量。假若设备能源供应有较高密度的能量，则储能技术的应用可借助高效供能方式促使设备运行更加稳定。

此外，企业能获得持续性能源，以供应保障稳定生产。部分工业企业对太阳能与风能等可再生能源需求量大，通过储能技术，促使企业顺利推进各项生产任务。储能技术使得电网负载得以平衡，能源利用率得以大幅提升。

在新时期，未来将有新的储能技术及设备涌现出来并应用于实际生产，可充分满足工业生产发展需求。此部分新型技术与设备可帮助有效制订能源问题解决方案，提高工业生产效率，充分保护生态环境，增强企业市场竞争力［6］。

4 储能电池单元可靠性提升分析

4.1 储能电池单元可靠性

a.储能系统及结构。对于储能电池而言，储能系统主要包含储能电池、PCS变流器、EMS能量以及BMS电池管理系统等。储能电池单元则包含电池、线束及相关电池包管理单元等部分，日常工作中要参考项目的具体要求，合理配置各系统装置板块。

b.绝缘耐压一级局部放电。对于电力企业而言，在电工设备靠运行中，可通过检测绝缘耐压性来客观评估其自身绝缘耐受电压值。绝缘结构中任何部位受到损伤，设备整体绝缘性会直接消失。所以，通常情况下借助耐受多高电压试验表示整个设备绝缘性。局部放电则是指充足电场状态下绝缘设备出现局部放电问题。相关统计表明，此种现象是引起高压电气设备形成绝缘击穿的关键因素，表明设备绝缘劣化［7］。

一般，局部放电涉及电晕、电弧、表面及气隙等几种放电模式，其中气隙放电主要是因各类固体绝缘设备如电缆、套管与GIS等不完整引起的。局部放电会严重破坏设备绝缘性，而且其破坏性也会不断增大，直到相关设备最终失去效果。因此，需要参考电池及结构、管理单元与线束等参数，利用试验验证其绝缘与耐压性，进一步探究线束局部绝缘缺陷产生的影响。

4.2 试验原理与相关方案

a.主要试验原理。电气原理一致性是绝缘及耐压性的共同点，但其评判指标及相关实验电压有一定的差异。前者以某一电压试验状态下绝缘电阻为评判指标，后者则以某一电压试验状态下漏电流为指标。日常工作中，工频交流及直流电压是操作电压的主要类型，因储能电池技术属于直流电源，所以选用直流电压进行试验检测。虽然两者电气原理相互统一，但因考核指标不同，所以分别进行试验考核。

b.试验方案。电池主体、二次采集线缆与耐压能力是储能电池模块的重要构成，彼此间最低绝缘耐压值与电池模块最高绝缘耐压息息相关。通过分层解耦与逐层叠加方式检测储能电池模块的绝缘与耐压性能［8］。

4.3 试验结果及分析

a.电势叠加问题的验证。测试对象选择完整的储能电池单元，同时准备好相关绝缘测试设备、防护工具及万用表等仪器的准备［9］。设置500 V的电压，对负极绝缘性进行有效检测，电池模块负极形成500 V的对地电压，然后对第一个电芯检测其对地绝缘电压，如相同，再检测电芯a与负极有一定距离的电压为665 V，彼此电势差约为a-1个电芯间的电压差之和。检测正极对地绝缘电压，电池模块正极有500 V的对地电压，对第一个电芯电压进行测试达到500 V，同时检测第a个电芯远离正极的有335 V的对地电压，双方电势差约等于a-1个电芯自身电压差之和。由此表明，储能电池单元进行绝缘或耐压试验时，电势叠加现象是客观存在的。

b.可靠性研究。储能电池模块包含电池主体、线束与BMU等部分，彼此间最低绝缘耐压水平直接影响着电池模块最高绝缘耐压值。首先，线束结构简单，借助其与电池框架间距、是否有尖端的存在或绝缘包裹层数等相关参数的改变，对影响检测对象放电因素与电池单元可靠性进行验证。

c.各类工况条件下，利用绝缘检测设备将直流电压逐级施加到产品，当击穿与闪络现象出现后方可停止，此时认真记录电压具体边界值。此过程中可以发现，如果线束绝缘性能完好无损，检测设备允许情况下其绝缘性能在5 kV以上，即技术应用时电势叠加现象无法避免，检测对象达到绝缘国标及电压裕度要求。假若高压线束绝缘性能存在缺陷，将会引起局部放电问题，越靠近另一侧导体放电概率越高，这削弱了电池模块与BMU的绝缘耐压性能，甚至会破坏BMU结构。

d.耐压性。具体工况状态下，借助耐压检测设备为产品施加并缓慢抬升直流电压，当击穿及闪烁问题出现后立即停止，并及时记录电压边界值。由此表明，如果线束绝缘性能比较好，测试设备符合要求，其绝缘性能不低于7.4 kV，储能电池单元对DC3.8 kV电压有一定的耐受力。反之假若绝缘性能有缺陷，此种环境下高压线束将引起局部放电问题，直接降低了电池模块与BMU的绝缘耐压性能。日常工作中，要有效保护线束绝缘性能，如通过包裹绝缘胶带等，可保障产品有更好的耐压性能。

5 工业储能电源系统集成技术趋势

现阶段，世界各国能源需求量快速增长，由此形成了新储能技术更大的应用需求。相关研究预测，到2030年全世界储能市场会达到660亿美元的规模。当前，新型可再生能源如太阳能与风能应用范围不断扩大，很大程度上扩大了储能技术应用范围。电动汽车行业快速发展，很大程度上推动着此项技术进一步发展。未来，大规模及高效能等将是其发展的重要方向。

目前，以钠硫、锂离子与液流等各类电池为核心的化学储能技术是商用储能技术首要选择，但此类技术也有一定的局限，尤以能量密度、成本、安全与循环寿命等最为明显。所以在未来发展中，要深入研发电容器，以及重力、氢气及压缩空气等多元化储能技术［9］。近年来，相关行业非常关注氢气储能技术发展，它作为一种可再生能源，优势明显，如能量密度高、环保性强以及储存时间等，使其成为储能行业未来重要发展方向。

未来发展中，储能技术有以下主要方向：

a.持续节省成本，增强可靠性与可承受性，逐步扩大应用规模并加快推进市场化发展。

b.深入提升技术能量密度与效率，充分满足具体场景应用要求。

c.融合储能及其他领域技术，延展深化产业链。储能技术在智能电网、可再生能源系统中应用，大幅提升了系统性能。

d.增强技术安全，保障设备安全稳定地运行。储能技术在工业领域的发展有着极为广阔的应用场景。在今后的发展中，技术创新使得技术安全性能逐渐提升，因此设备运行也就更为稳定，能够进一步保障工业经济实现健康稳定的发展。

6 结语

储能设备实际应用过程中，电力企业应重视设备效能的发挥，综合考虑锂电池具体应用情况深入研究工业储能电源系统技术发展，实事求是保障储能电池单元的安全与经济性，促使电力企业持续为各行业领域供应可靠的电力能源。

参考文献：

[1]胡琪浩，齐蓓，胡文博，等.考虑需求响应和电池储能系统协调的5G基站SoC区间优化[J].控制工程，2019（6）：21-23.

[2]叶伟.储能全生命周期安全亟待提升[N].中国高新技术产业导报，2024-06-03（012）.

[3]李卓昊，杨添强，石琼林，等.储能电池建模与状态估计研究进展[J].新型电力系统，2024，2（2）：140-161.

[4]孟国栋，李雨珮，唐佳，等.锂离子电池储能电站的热失控状态检测与安全防控技术研究进展[J].高电压技术，2021（9）：81-83.