摘要:近年来,随着新能源的大规模开发利用,尤其是风电并网的发展,用于改善间歇式电源运行性能、增强电网对风电接入能力的电池储能系统的研究逐渐引起人们关注。在各种类型的储能系统中,锂离子电池储能是目前技术相对成熟的一种储能方式。以橄榄石型磷酸铁锂为活性物质的锂离子二次电池,具有较高的能量密度、较低的生产制造成本以及使用寿命长等诸多优点。
关键词:储能;磷酸铁锂电池循环寿命;能量;
近几年出现的磷酸铁锂电池,以其高倍率充放电能力、长循环寿命、高安全性和无毒环保等优势得到了广泛的应用,逐渐成为电动车动力电池的首选。磷酸铁锂电池荷电状态估计的准确性决定了储能系统的寿命和工作效能。
一、磷酸铁锂电池工作原理
电池是一种化学电源,蓄电池则是一种可以将化学能和电能之间相互转换的装置。人们逐渐开始对锂电池展开研究,尽管锂离子电池存在内部阻抗高、工作电压变化大、成本高、需要特殊保护电路等问题,但锂离子电池仍具有容量大、工作电压高、电荷保持能力强、可安全快速充放电、循环使用寿命长、无记忆效应、体积小、重量轻、比能量高、安全性高等优点,因此锂离子电池在各个领域都得到了广泛的应用。锂离子电池是随着物理、化学方面新的研究成果不断更新而发展的电池体系,尤其是对电池的正负极活性材料、功能电解液的研究,促使锂离子向低成本、高性能、大功率、长寿命、高安全、环保的方向发展。磷酸铁锂具有规整的橄榄石晶体结构,主要依靠锂离子在正极和负极之间移动实现电池充放电。在充放电过程中,在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极;放电时则相反。电极上的化学势决定了电极的电势,锂是元素周期表中电极电势最负的单质,所以电池的工作电压可以达到3.6V。
二、储能用磷酸铁锂电池循环寿命的能量
1.累积转移能量。磷酸铁锂电池在不同SOC范围内循环,当容量损失达到25％时的累积转移总能量,可以看到电池的累积转移总能量与循环次数近似成线性规律增长,但是增长速度在逐渐变缓,这是因为电池本体的性能衰退所导致的,主要表现为极化内阻的增加、电池可逆容量的损失等。虽然放电深度降低,电池的使用寿命得到延长,但是在容量损失程度25％内时,全充全放模式的使用模式要比浅充浅放的使用模式转移的总能量要多。指前因数随着放电深度的增加单调递增,可以认为指前因数反映了电池在对应极限累积转移能量总额,即电池保持目前循环过程中的衰退速度不变且始终处于安全工作状态的前提下电池可以转移的最大能量值,它是一个理想值,可以用于定性地评估电池的能量转移能力;结合电池工作原理和电极活性物质的电化学反映机理,电池不可能达到这个理想值,因为电池在循环使用过程中,性能的衰退速度不是恒定的,在经历了缓慢稳步地衰退期之后,会出现性能的急剧恶化,呈现加速老化的状态,并且故障率明显提高。
2．电池容量损失与能量利用。电池能量转移能力的限制来自两方面:一是由于使用条件,如放电深度、环境温度等,二是由于在使用过程中发生的性能衰退,如电池极化内阻的增加、不可逆容量的损失等,这些造成了电池平台电压的偏离与充放电时间的缩短,最终弱化了电池的能量转移能力。容量衰退率达到25％之前,电池的即时容量衰退速度与循环次数成倒抛物线型关系,电池在循环过程中的容量衰退速度呈两个阶段,第一阶段电池衰退速度逐渐降低,表明电池趋向于自稳定的状态:第二阶段电池衰退速度逐渐提高,表明电池开始加速老化的阶段。储能子系统由直流汇流环节、磷酸铁锂电池组、电池管理系统BMS、本地控制中心、远程控制中心等环节组成,直流汇流环节将太阳能电流汇集起来,并送入蓄电池中存储起来,蓄电池与电池管理系统相连接,并通过短距离通信方式与本地监控中心进行信息的联系,从而实现对储能环节有效监控的目的。
另外,DOD对于电池容量衰退速度的影响,从深充深放到浅充浅放模式,电池容量衰退速度是逐渐变化的,对于电池容量衰退情况与其他完全不同,反映出电池在较窄SOC范围内波动时性能变化的特殊性。导出电池累积转移能量与容量衰退的关系,在电池容量衰退至85％之前,深充深放与浅充浅放的使用模式对于电池能量转移能力的影响是相同的,当电池容量衰退至85％～75％时,深充深放的使用模式在电池能量转移上要优于浅充浅放的使用模式。
三、应用方面
1.风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网。风力发电自身所固有的随机性、间歇性和波动性等特征,决定了其规模化发展必然会对电力系统安全运行带来显著影响。随着风电产业的快速发展,特别是我国的多数风电场属于“大规模集中开发、远距离输送”,大型风力发电场并网发电对大电网的运行和控制提出了严峻挑战。光伏发电受环境温度、太阳光照强度和天气条件的影响,光伏发电呈现随机波动的特点。目前我国呈现出“分散开发,低电压就地接入”和“大规模开发,中高电压接入”并举的发展态势,这就对电网调峰和电力系统安全运行提出了更高要求。因此,大容量储能产品成为解决电网与可再生能源发电之间矛盾的关键因素。磷酸铁锂电池储能系统具有工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全环保、可扩展性强等特点,在国家风光储输示范工程中开展了工程应用,将有效提高设备效率,解决局部电压控制问题,提高可再生能源发电的可靠性和改善电能质量,使可再生能源成为连续、稳定的供电电源。随着容量和规模的不断扩大,集成技术的不断成熟,储能系统成本将进一步降低,经过安全性和可靠性的长期测试,磷酸铁锂电池储能系统有望在风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网及提高电能质量方面得到广泛应用。
2.电网调峰。电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库,受地理条件限制较大,在平原地区不容易建设,而且占地面积大,维护成本高。采用磷酸铁锂电池储能系统取代抽水蓄能电站,应对电网尖峰负荷,不受地理条件限制,选址自由,投资少、占地少,维护成本低,在电网调峰过程中将发挥重要作用。
3.分布式电站。大型电网自身的缺陷,难以保障电力供应的质量、效率、安全可靠性要求。对于重要单位和企业,往往需要双电源甚至多电源作为备份和保障。磷酸铁锂电池储能系统可以减少或避免由于电网故障和各种意外事件造成的断电,在保证医院、银行、指挥控制中心、数据处理中心、化学材料工业和精密制造工业等安全可靠供电方面发挥重要作用。
4.UPS 电源。中国经济的持续高速发展带来的UPS 电源用户需求分散化,使得更多的行业和更多的企业对UPS 电源产生了持续的需求。磷酸铁锂电池相对于铅酸电池,具有循环寿命长、安全稳定、绿色环保、自放电率小等优点,随着集成技术的不断成熟,成本的不断降低,磷酸铁锂电池在UPS 电源蓄电池方面将得到广泛应用。
磷酸铁锂电池是各种先进二次电池中产业发展最成熟也是最具潜力的一种先进的储能电池。随着制造技术的日益成熟,成本不断降低,性能不断提高,磷酸铁锂电池将大大推动我国新能源发展。随着磷酸铁锂电池储能系统规模化,其自身具有的工况转换快,运行方式灵活,循环寿命长,低维护成本低等特性,在实现电网削峰,提高系统运行稳定性和提高电能质量等方面有着广泛的应用前景。
参考文献:
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