储能系统电池

储能系统用锂离子电池及其管理系统文锋北京交通大学惠州市亿能电子有限公司北京市亿能通电子有限公司2011-7报告内容•储能技术•锂离子电池简介•锂离子电池管理系统储能系统•为什么要储能？–削峰填谷–改善电能质量–辅助可再生能源并网储能系统•为什么要储能？容量范围大，从几十千瓦到几百兆瓦应用范围广，贯穿发输变配用电系统用户侧电能质量可靠供电电压支撑配电侧削峰填谷无功支撑电能质量可靠供电输电侧系统稳定无功支撑负荷均衡可靠供电电能质量发电侧频率控制旋转备用负荷均衡出力优化储能系统•储能的手段有哪些？–电化学储能•铅酸电池•液流电池•钠硫电池•镍氢电池•镍镉电池•锂离子电池–物理储能•抽水储能•压缩空气储能•飞轮储能–电磁储能•超导储能•超级电容储能储能系统•抽水储能•优点•技术上成熟可靠•其容量可以做得很大，仅受到水库库容的限制。•缺点•建造受到地理条件的限制•在抽水和发电两个过程中都有能量损失。•应用领域•调峰填谷•系统调频•大规模风场电存储和调度。储能系统•压缩空气储能•优点•储能量大•且储存高压空气的时间长可达一年•难点•找到合适的能储存压缩空气的场所难•应用领域：•调峰填谷•平稳大规模可再生发电储能系统•铅酸电池储能•优点•响应速度快：ms级；•可以根据应用需要，实现kW～50MW规模；•缺点•循环寿命短•倍率充放电特性差•且温度对其使用寿命和运行特性亦有影响•需要定期对电池维护•应用领域•备用电源•调频控制•UPS•电能质量储能系统•NAS电池储能•优点•储能密度高：1000Wh/L•可高功率放电：10C•循环寿命高，4500次（90％DOD）•转换效率：80－90％；•缺点•需工作温度在300-350℃•电池工作时需要一定的加热保温•需要设置防爆和防腐安全保护•应用领域•负荷调峰•UPS•可再生储能•电能质量储能系统•液流电池储能•优点•循环寿命长（10000次以上）；•可100％深度放电，可倍率充放；•系统设计的灵活性大且受场地限制小；•电池系统环保、安全；•缺点•储能密度不高•需要辅助液泵。•应用领域•负荷调峰•UPS•可再生储能•电能质量；储能系统•锂离子电池储能•优点•锂是自然界里最轻的金属元素，比重仅及水的一半，同时它又具有最低的电负性，电极电位是-3.045V。所以选择适当的正极与其相匹配，可以获得较高的电动势和高的比能量。。•其储能密度：100-300Wh/L;•循环寿命：2000~5000次(80％DOD)；•转换效率：90-98%;•响应速度：ms级；储能系统•性能对比储能类型典型额定功率额定能量特点应用场合机械储能抽水储能100~2000MW4~10小时适于大规模，技术成熟。响应慢，需要地理资源日负荷调节，频率控制和系统备用压缩空气10~300MW1~20小时适于大规模。响应慢，需要地理资源调峰、调频，系统备用，风电储备飞轮储能5kW~10MW1秒~30分比功率较大。成本高、噪音大调峰、频率控制、UPS和电能质量电磁储能超导储能10kW~50MW2秒~5分响应快，比功率高成本高、维护困难输配电稳定、抑制振荡高能电容1~10MW1~10秒响应快，比功率高比能量太低输电系统稳定、电能质量控制超级电容10kW~1MW1~30秒响应快，比功率高。成本高、储能量低可应用于定制电力以及FACTS电化学储能铅酸电池kW~50MW分钟~小时技术成熟，成本低寿命短，环保问题电能质量、电站备用、黑启动液流电池5kW~100MW1~20小时寿命长，可深放，适于组合，效率高，环保性好。但储能密度稍低电能质量、备用电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS钠硫电池100kW-100MW数小时比能量与比功率较高。高温条件、运行安全问题有待改进电能质量、备用电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS锂电池kW－MW分钟~小时比能量高。成组寿命、安全问题有待改进电能质量、备用电源、UPS储能系统锂离子电池储能是目前转换效率最高的储能方式；铅酸90%；液流电池75%；钠硫电池85%锂离子电池已经形成规模的产业链动力电池需求带动中国锂离子产业液流电池和钠硫电池目前还是少数几家垄断技术局面锂离子电池性能具有巨大提高的空间循环寿命、动态响应能力、倍率特性、成组规模均不断提高新型锂离子电池研究技术储备较强锂离子电池成本具有巨大下降空间中国锂资源丰富；锂离子电池材料和成品制造过程不高耗能，也不借助于贵重金属属于环保类产品锂离子电池简介•锂离子电池的工作原理•锂离子电池的安全性锂离子电池简介•锂离子电池的类型–钴酸锂–锰酸锂–三元–磷酸铁锂–钛酸锂•能量密度–钴酸锂三元锰酸锂磷酸铁锂钛酸锂•安全性–钴酸锂三元锰酸锂磷酸铁锂钛酸锂•循环性能–钴酸锂锰酸锂三元磷酸铁锂钛酸锂锂离子电池简介•锂离子电池的工作原理–充放电原理–过充电原理–过放电原理–高温运行原理–低温运行原理–过电流原理–长期搁置原理锂离子电池简介•锂离子电池的特性表征参数–电压–容量–内阻–SOC–倍率–寿命–工作温度2.42.62.83.03.23.43.63.801020304050607080Voltage(V)Capacity(Ah)HighRateDischargeCharacteristics@(25°C)0610801007030.2C0.5C1C2C3C2.02.53.03.54.0010203040506070Voltage(V)Capacity(Ah)HighRateDischargeCharacteristics@(25°C)06106080043725℃35℃45℃60℃10℃0℃-10℃-20℃-30℃锂离子电池简介•锂离子电池的性能–充电上限电压与电池充电容量及循环寿命的关系锂离子电池简介•锂离子电池的性能–高温对电池寿命的影响锂离子电池简介•锂离子电池的性能–充电电流对充电时间及电池性能的影响0.3C充电/0.3C放电1C充电/1C放电充电时间（分钟）19265300次循环后容量下降（%）3.445.09锂离子电池简介•锂离子电池的性能–电池容量利用率对电池循环次数的影响60%65%70%75%80%85%90%95%100%105%110%05001000150020002500Capacityretention(%)CycleNumberCapacityfadingwithdifferentDODcyclelife80%~100%20%~80%0~20%0~100%锂离子电池简介•锂离子电池的成组问题–串联电池组的一致性问题P+P-上限电压下限电压可用容量自放电等增加ReducedRuntimeRestoredRuntime锂离子电池简介•锂离子电池的成组问题–并联电池组的一致性问题——均流锂离子电池管理系统•锂离子电池的安全性管理滥用项目基本机理表现形式解决方案过充电（1）电池电压超高导致电解液氧化;（2）正极锂离子大量拖出导致电池内部结构损坏过充电单只电池电压高基于电池组端电压的控制模式失效，需要严格控制单只电池电压过高过放电（1）电压超低，负极铜基板溶解，嵌入电池正极，导致内部短路过放电单只电池电压低基于电池组端电压的控制模式失效，需要严格控制单只电池电压过低高温充放电（1）电池内部电解液分解，产生大量热，并析出氧气电池温度超高电池温度场管理和极限温度控制低温（1）充电时电池负极嵌入锂离子能力下降，致使锂以原子态沉积在电池负极表面，导致内短路电池温度低充电电池0度以下严禁充电，0-10度降电流充电电安全为了达到一定的电压等级，电池大量串联，对操作人员的人身安全构成威胁电池与地或机壳之间出现绝缘下降检测动力电池与地或机壳之间的绝缘电阻是否达标锂离子电池管理系统•锂离子电池高性能管理——3S管理–荷电状态：SOC–健康状态：SOH–功能状态：SOF锂离子电池管理系统•SOC估算SOC(k)Qmaxi(k)UO(k)∫i(k)dt/++UnitDelayUOCV=f(SOC)+-SOC=f(UOCV)xUOCV=f(SOC)|SOC=0+-+Qavi锂离子电池管理系统•SOH表征参数–内阻增加–容量下降——对储能系统而言很关键–倍率下降•SOH估算方法–在线估算–在线测试–离线测试锂离子电池管理系统•SOF估算——最大允许充放电电流–低温运行–高温运行–高SOC运行–低SOC运行锂离子电池管理系统•储能系统用电池管理系统架构电压线温度线风机线BCUBMU1BMU2BMUN电池组1电池组2电池组N……CAN总线分流器…………电池组+电流+电池组-电流-总电压检测电流检测CAN2电压线温度线风机线电压线温度线风机线手持设备(RS232)CAN1监控调度系统PCS输出接口电池系统严重报警信号（触点）严重报警信号（触点）锂离子电池管理系统•电池管理系统接口–从板接口•供电电源：10-30VDC•功耗：5W+风机功率•每个从板配置电压检测通道30个•每个从板配置温度传感器通道6个•每个从板配置风机驱动接口1个（额定容量1A）•每个从板配置对外CAN通讯接口1路•每个从板配置RS232接口1路•单体电池均衡控制•通过从板串联可满足超过30串电池组的检测锂离子电池管理系统•电池管理系统接口–主板接口•供电电源：10-30VDC•功耗：10W•每个主板配置电流检测通道1个•每个主板配置绝缘检测通道1个•每个主板配置CAN总线3路•每个主板配置开关量输出3路（额定容量1A）•每个主板配置RS232接口1路锂离子电池管理系统•电池管理系统可提供的参数–电池管理系统自检信息–单体电池电压–电池温度–电池组端电压–电池组工作电流–电池组绝缘状态–最高/低单体电池电压及位置–最高/低温度及位置–电池SOC–电池组容量–电池的最大允许充放电电流–电池故障报警–电池过压1/2级报警–电池欠压1/2级报警–电池过温1/2级报警–电池低温1/2级报警–电池SOC过高1/2级报警–电池SOC过低1/2级报警–电池绝缘电阻低1/2级报警–电池一致性差1/2级报警–维护请求–电池编组号码锂离子电池管理系统•储能系统PCS-1(250kW)DC/DC1-1（25kW）DC/DC1-2（25kW）DC/DC1-3（25kW）DC/DC1-4（25kW）DC/DC1-5（25kW）DC/DC1-6（25kW）DC/DC1-7（25kW）DC/DC1-8（25kW）DC/DC1-9（25kW）DC/DC1-10（25kW）360Ah*135S电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统电池及管理系统监控调度PC机CAN总线CAN总线以太网2MW监控主机服务器360Ah*135S360Ah*135S360Ah*135S360Ah*135S360Ah*135S360Ah*135S360Ah*135S360Ah*135S360Ah*135S配电系统故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点故障报警触发干节点谢谢！