'北京交通大學孫丙香：鋰離子電池在儲能系統中的應用'

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8月8日，由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的“第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創新技術大會”分論壇在北京召開，北極星儲能網將對論壇進行全程直播。在8日“電化學儲能”分論壇上，北京交通大學電氣工程學院副教授孫丙香作“鋰離子電池在儲能系統中的應用技術”報告。

以下為發言實錄：

北京交通大學電氣工程學院副教授孫丙香：希望我的報告給大家一些啟發和收穫，我的PPT還是自己重新做的，因為我原來做的工作可能在電動汽車，在電力儲能裡面的應用沒有專門做這方面的PPT，所以我的講稿是自己趕製或者說重新編排的內容，希望對大家有所啟發。

我本人畢業於中科院電工所，原來也是做鋰離子電池的成組應用研究，主要是做電池管理系統應用軟件，硬件部分涉及到一些，但主要是跟平臺有關的，我做的工作大部分是跟BMS軟件相關的內容。 我現在的工作單位是北京交通大學電氣工程學院新能源研究所，這是其中一個名字，另外一個名字 我還是能源局下屬的一個主動電網技術研究中心，當然我們還有其他的一些掛牌資質，我這裡面沒有加那麼多的介紹，我們還是中車鐵路系統綠色動力分院的一個成員單位，因為我們的工作最開始的時候是在電動汽車領域，後來是在軌道交通領域，當然電力儲能裡面我們也有研究，這三個領域我們都有涉及。

從這麼幾個方面給大家介紹一下，因為前面幾個專家介紹了各種各樣的電化學儲能比較多，我看了一下可能我們這個論壇我是唯一講鋰離子電池的。 首先，給大家介紹一下鋰離子電池的定義和分類，然後應用現狀。 我重點其實想強調一下鋰離子電池的優化配置與優化管理。

鋰離子電池是我們通常說的鋰電池當中的一種，剛剛金鐘老師講的鋰離子電池負極是金屬，和鋰離子電池是不一樣的，為了區別電池是鋰金屬或者鋰合金的電池，我們通常稱它為鋰離子電池，我們用的很廣，大家的手機、筆記本電腦、電子產品用的比較多，大家叫的時候都是叫鋰電池，沒有區分那麼細，在家說我在用的是鋰離子電池感覺有點拽。

鋰離子電池是靠鋰離子在正負極之間進行移動來產生充放電的這樣一個過程，也就是說在兩極之間，通過嵌入和脫嵌來實現充放電的，它的組成部分，我這裡邊的圖是一個磷酸鐵鋰的結構，包括正極材料、正極的集流體，就是收集電流的金屬部分，負極材料、負極集流體等幾部分。 通常我們研究的電池形狀上會有這樣一些，它充電的時候鋰離子是從正極嵌入到負極的，放電的時候是負極嵌入到正極。 分類有很多種，大家怎麼說都行，一般按正極材料我們會分成鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料，會分成這樣幾種，三元材料裡面可能會分成鎳鈷錳、鎳鈷鋁，特斯拉的車裡邊裝的是松下的NCA的，它的單體的能量密度更高一些。 比如說我們手機或者筆記本電腦裡邊用的電池，鈷酸鋰正極材料的會多一些，因為鈷酸鋰它的能量密度高一些，這樣同樣電量會輕一點、體積也會小一點，會放到手機或者筆記本電腦裡面。 當然鈷的活性是比較強的，所以經常會有一些山寨的電池爆炸了，所以說如果說工藝控制的不好，它的安全性還是有隱患的。 如果按照負極材料分的話會分成石墨和鈦酸鋰，所以經常大家有時候聽到說現在有一種電池叫鈦酸鋰電池，實際上它的正極可以是我們這其中的任何一種，但是它負極鈦酸鋰，然後強調它的特殊的負極，所以我們叫它鈦酸鋰電池，實際上叫它三元電池材料也可以，是按照什麼材料去分。

通常我們用的材料裡面石墨負極更多一些，按照性能來分，一般會分成能量型和功率型，還有能量、功率兼顧型，可以理解成像我們長跑、短跑一樣，功率型就可以認為短跑比較厲害，但是比如說讓你跑個5千、1萬跑不了，但是速度可以很快、功率可以打一點。 能量型就是說，我這個能量挺多的，但是你讓我短時出大功率出不了形狀可以分成圓柱形、稜柱形、軟包袋形，軟包袋形，國外的專家會這麼分，通常我們會把這種軟包袋形電池叫軟包電池。 卷繞式像這種圓柱的多半都是卷繞的，有一個隔膜，然後正極極片、負極極片，三個長條疊在一起捲起來就行了，這種結構比較簡單，成本低一點，但是有一個缺點，散熱不太好散，捲起來以後如果援助的直徑比較大一點，中間的芯不太好散。 疊片就是一個大長條的隔膜，一片正極片、一片負極片這麼疊上去的，一個軟包電池可能裡邊的疊片會有20、30、40，幾十對的極片，相當於這些極片是並聯的，形成大電池。 所以現在電池建模很多人會說，要是把這裡面每個極片，微觀的極片都建起來的話，一個電池單體就建成30度極片是不是能建的更準，有人在這麼做，比如說發熱我也這麼做是不是更好一點。

這是鋰離子電池的定義和分類，大家有一個概念，因為有很多人可能不是研究這個領域的。 關於它的應用，在消費電子領域它的市場量是最大的，我們通常說的小電池，容量比較小的，區別於消費電子用的電池我們經常會說叫動力電池啊，實際上動力電池最開始是用在交通工具、一些電動工具有驅動場景的時候，我們把這種電池叫動力電池，相對來說它的容量數會大一點，然後才是在車用，就是在汽車領域的應用，實際上在電力儲能領域的應用目前是排在第三位的，這是2017年的數據，現在也差不多是這個位次。 就是說現在其實是依靠消費電子和汽車領域的一個市場量在拉動電力儲能的量，就是說形成規模經濟了、成本下降了，才逐漸開始在電力儲能領域開使用了。 現在是這樣一個位次，其他的有一些比例，這個比例就更好一點了，這是市場的排名。

說鋰離子電池在地理儲能裡面到底是什麼情況，這是從儲能聯盟裡面拿到的數據，這是統計的2000年到2018年的，從這裡面來看，全球的累計儲能裝機是180GW，這裡面抽水蓄能是佔了94.3%，抽水蓄能是第一位的，這裡面電化學儲能是排在第二位的，有專家講說其他的儲能排的位次，可能每年這個位次後邊這幾位還是會有一些差別的，但是抽水蓄能是穩穩的站在了第一位，後面幾個會有一些排名的次序變化。 電化學儲能其實是一個上升階段，這個是電化學儲能裡邊的一個排位，鋰離子電池86.3，是電化學儲能裡邊排位第一位的。 其次是鈉硫電池、鉛酸蓄電池，就是說鉛酸蓄電池現在在全球的儲能裡邊還有一定的市場量。

我也聽一個院士講過，他也在呼籲說鉛酸電池也不能說因為它油汙染就一棒子打死，如果是做一些改良的話，它還是有一定的市場量的，如果是再回首和降解階段做的比較好的話，其實對環境的友好性還是可以接受的，這是全球的情況。

看一下中國的情況，2000年到2018年的時候，咱們整個裝機累計是31.3GW，其中鋰離子電池，這裡邊咱們這個電化學儲能現在也是排在第二位的，其中鋰離子電池的比例是70.7，我們這個電化學儲能排第二是液流電池、第三是超級電容，我們國內鉛酸電池的市場量幾乎沒有，這是跟全球的排位有差別的地方。 從這張圖上可以看出來，中國的電化學儲能是2017年到2018年有一個非常大的飛躍，整個年增長率是175.2%，2017年到2018年增量。

針對於鋰離子電池用於儲能系統，其實從我們科研的角度，這個是我自己總結的，就是說研究的方向，應該說是有一些平臺建設的，比如說一個標準平臺測試維護，這是一些研究的點，還有關於電池建模和虛擬基礎，剛才李鑫老師也講了全釩液流電池的建模，我們也做了鋰離子電池的建模。 同時，我們現在承擔了一個跟中國汽車研究中心承擔了一個重點研發項目，是基於虛擬電池進行BMS的測評，就是拿實際電池測BMS成本太高了，工況的復現率也不是很好，還涉及到成本、安全性、耗時性，所以我們基於虛擬技術做虛擬電池，就是把模型做的很準，然後你讓電力電子模塊出工況，來模擬電池，然後可以去測BMS，這是第二個點。

第三個點，其實是優化配置和經濟性分析，我覺得在哪個領域用都有，剛開始說我們最開始用是在電動汽車領域，然後是軌道交通，現在我們在跟中車那邊做在鐵路系統，復興號裡邊去標配替換一些鋰離子電池，包括改造一些機車，把它改造成混合動力的機車，我都涉及到怎麼去配置的問題，在電力儲能裡邊我們也同樣涉及這個問題。 但是我們看到的很多其實學術論文裡邊關於配置，大家做的都比較隨意，一會兒我會講，如果真的想把這個配置做好的話要考慮哪些因素。 下邊的這些關於SOC、SOP，然後我有SOH和SOT，這些是電池的一些狀態參數，那就是核電狀態、功率狀態、熱量狀態、健康狀態，這個是跟電池的運行有關的，就是電池運行過程當中我要考慮這些參數。 同時也要考慮在電池使用過程中怎麼樣給它進行優化充電，現在我看咱們華電院裡也有充電樁、也有電動汽車，但是那個是慢充，我沒有看到快充樁，如果有快充樁，如果冬天這個車經常快充，你的電池就會衰退的特別快，所以這就涉及到怎麼給電池充電能夠儘量延長電池的壽命。

還有安全性現在也是一個非常突出的問題。 前一段時間像蔚來召回了很多車，因為它用的是ATL的電池，後來焦點落在說了因為電池的線束和電池箱的匹配不夠好，而導致了電池外短路，所以最後導致了車輛熱失控車輛自燃。 當然這個原因大家也沒辦法核實，因為這是他們雙方給出的結論。 所以安全性，包括現在一些儲能電站安全性也比較突出。

現在我們在做廣義電池管理技術，光是現場的電池管理存下來的數據非常有限，我們引入大數據、雲平臺、人工智能，都是非常火的一些詞，但是這個確實挺熱的，我可以把一些數據發回到監控中心，利用我的大數據平臺進行一些離線的數據分析，可以對在線的數據進行一些修整，我們把這部分叫廣義電池管理，就是不是通常意義上我們說的點。

我也仔細分析了一下，儲能技術用在電動汽車裡車載儲能和電力儲能有什麼不一樣，對電池系統而言。 現在車用系統大家通常會說有“四座大山”： 安全、成本、續航、壽命。 這“四座大山”壓的搞研究的人喘不過來氣，當然任何一個行業的發展肯定都是機遇和挑戰並存的，不可能什麼挑戰都沒有。 如果對應過來其實在電力儲能領域不存在續航的問題，實際上對應過來是能量和功率的參數，比如說要是調頻的話，可能對於功率的性能要求比較高的這種場合，電池的功率性要求就高一點。 如果是削峰填谷或者是新能源消納，可能我的能量就會佔主導多一些。 如果是再細分它的不同，用在電力儲能裡面不涉及到移動式的可靠性問題，就是說如果是車用的話電量沒有了，你這個車會涉及到拋錨的問題或者動力不足的問題，會涉及到移動設備可靠性的問題，但是如果作為固定式儲能，電量沒有了大不了不運行，但是不會涉及到可靠性問題。 另外，儲能系統的溫度控制的比較好，通常是在一個密閉的空間裡，比如說一個房子裡面或者一個集裝箱裡面，我的溫度可控，我可以加入一些溫控措施，但是在車用的裡邊，這個溫度就不太好控制的那麼好，因為它的空間太狹小了，你做的熱管理其實都是在有限的範圍內發揮作用，這個還是有一定差距的。

還有一個是，作為電力儲能來說，電池的使用區間和車用是不一樣的，就是說我在電力儲能裡邊可以儘可能多的用能量，以經濟最優為目標，車載儲能我要考慮工況需求是不是滿足要求，他們兩個使用區間上還是有些不一樣的地方，這是一些不同。 同時這個電池退運的條件也不同，所以在儲能系統裡邊用的話，比如可能我衰到50%可能也還能用，大不了出的能量功率少點，但是也還能調。 但是車用階段可能衰到50%，動力性能滿足不了要求了，就沒法再開了。 這是我分析的一個情況。

如果說對於現在主流的幾款電池，比如說磷酸鐵鋰、三元、鈦酸鋰這三種電池現在應該說在鋰電池研究領域非常熱的三種電池。 他們的優勢和劣勢，我沒有拿具體的數量，直接定性的來比較。 這裡面的能量密度三元是最高的，因為三元在小車裡邊、轎車裡邊用的特別多，因為能量密度高，有限的體積裡邊放的電量比較多。 三元材料致命的弱點是說，它的安全性是最低的，如果說三元里邊把鎳提高的話，比如說以鎳鈷錳為例，把鎳提高它的能量密度就提高，但是安全性會下降。 所以說能量密度和安全性是一個不能兼得的魚和熊掌。 如果從價格來說，鈦酸鋰是最高的，現在鈦酸鋰電池在軌道交通裡邊用的比較多，因為軌道交通要求可靠性甚至比汽車要求的還高，鈦酸鋰安全性要好一些，鈦酸鋰的低溫性能比較好，零下20、30度的時候還能比較好的來出力，所以考慮這兩個優勢，鈦酸鋰現在在軌道交通領域用的比較多。 三元是在轎車裡應用的比較多，磷酸鐵鋰現在是在一些大型的商用車，比如說公交車這種大型的車輛，或者是電力儲能裡邊磷酸鐵鋰用的比較多。 這裡邊磷酸鐵鋰價格是是最低的，其他的性能都是中，就是說也像我們生活中一樣，不可能每個人全是優點、沒有缺點，兼顧它的優缺點來看，它挺好的，因為價格比較低。 價格低到什麼程度呢？ 現在批量價格大概7毛/瓦時，就是700元/度電，但是如果說是小批量的，說我實驗室做一個測試，就想買3塊電池，人家還不一定賣你，這是批量價格，你要買就買3塊電池，你說給人家2000元/瓦時行不行，人家也不賣你，電池廠不這麼這種小批量的賣，電池管理系統的價格0.05元/瓦時，預計到2025年磷酸鐵鋰電芯的批量價格0.36元/瓦時。 磷酸鐵鋰在電力儲能領域的應用量會比較大。

關於熱時空，剛才分論壇三楊凱博士應該有專門講到關於熱失控的問題，所謂熱失控由於整個電池的溫度升高到某一個溫度的時候，升高了以後，升高到某一個觸發的溫度的時候，它就自己產生了一個正反饋發熱的過程，然後自己就失控掉了。 引起熱失控的原因有好多，比如說由於環境溫度和工況共同導致了電池溫度超高，這也會導致。 還有內短路、外短路，因為一短路的話它的發熱量就會急劇增加。 還有一種情況，這個是清華的一個研究結果，就是說正極會釋活性氧，也會導致熱失控。 最後出現冒煙、起火、爆炸這樣的隱患，所以在安全設計、安全預警和安全管控上，很多單位大家都絞盡腦汁的做這個事情，但是想做好真的很難。

剛剛說到優化配置這個問題，作為一個儲能系統而言，想要達到系統級別肯定是很多單體串並聯成為電池組，才能夠發揮作用。 這是特斯拉的Model S的電池，松下NCA 74pA6s，這是車上的一個儲能的組成，上面的表是北京市的電動公交車、環衛車車載儲能的規模，下邊的這個是咱們張北的風光儲基地，比較早期的第一批電池的，有不同家的，中航鋰電、ATL、比亞迪、萬象四家，儲能的電壓登記更高一些，車載的這種，大巴車的這種電壓更高一些，轎車相對低一點。 它的電池組的最高電壓也是在592到920V，電壓也是挺高的，有的電壓大概在750—800左右。 因此說儲能系統是由大量的單體鋰離子電池組成的，通常大家能提高電壓就提高電壓。

咱們很多文獻上都在講說我怎麼去優化配置儲能系統，但實際上我們考慮的因素並不夠。 如何優化和配置儲能系統呢，我覺得應該考慮電池特性和工況需求的對接，就是大家通常考慮電池的特性的這塊考慮的比較少，你對電池的評估有限、不夠多，就隨意的配置了一下，有點像導師們知道學生的時候，根本不管這個學生能不能完成這個任務，我就直接把這個任務派給他，就讓他完成好了，最後的結果是他完不成，可靠性就下降了。

簡單過一下，鋰電池有什麼特性呢？ 不同的溫度下的時候它表現出來的充放電的容量是不一樣的，一般溫度越低的時候充放電容量越小，有最適宜的溫度。 倍率對它的影響，電流高話的能充進去的容量也越小。 同時有上下限電壓區間的，有一個額定電壓還有上限電壓、下限電壓，工作的過程中它是在一個電壓區間內變化的，這個電壓不是恆定的，而且還是非線性的，這跟我們通常的，比如說跟超級電容的電壓完全是不一樣的，超級電容的電壓如果沒有相變，它會隨著充電時間是一條線性變化的。

不同的電池、不同時間尺度、不同溫度的話，能夠提供的峰值功率也是不一樣的，比如說你想讓它提供某一個時間尺度的，比如10秒、20秒、30秒、50秒的，他能夠提供最大的峰值功率是不一樣的，而且各種條件下不一樣。 所以你在去配置電池的時候或者是在做控制策略的時候，你要充分的考慮到電池的能力，這個圖也是我重新畫的一個圖，如果說有一些考慮不周全的地方，因為大家都是從各個角度來去研究這個儲能系統的，大家也可以去完善。 通常可能我們會，如果我先不看這個箭頭，我就從這邊開始，一般的我會先給個全壽命週期能量功率的要求，根據這個工況的要求我來選擇，就是說這個電池的溫度範圍，還有退出的條件和使用區間我要選擇一下或者確定一下，這個條件確定了以後，我還得要知道你的電壓等級是什麼樣的，比如我就是750V的額定電壓，我就可以去根據這些條件去確定電池的選型，選什麼容量的、什麼能量的、倍率的，還有標準工況下的壽命次數是多少次，串並聯方式是什麼樣，就可以定下來。 定下來以後其實最終我要算它的成本和收益，我做完了之後，說我這個成本包括哪些呢，可能這個成本不僅僅包括電池的成本，還包括代維的一些設備，比如變壓器、PCS、還有電池架一些輔助的東西，整個購置成本要算一下，能耗的計算，比如說你要從電網充進來的電再放出來，損失是很大的，有的專家說90%左右，其實90%有時候都到不了，所以一充一放效率損失了很多，這個地方有一個耗電的成本。

另外後期維護這個維護成本也很高，如果你用新電池還可以，如果用梯次利用電池維護成本比較高。 區間壽命模型，建立電池的區間壽命模型，可以確定使用年限，這個使用年限對成本計算非常重要，收益跟你的應用場景是有關的，比如說我這個是以削峰填谷的價差來套利來寫的，這裡邊比如你的峰值價差就是你的收益之一，折算補貼也是你的收益之一，還有你可以延緩電網的建設擴容，減少網損，還可以有環境收益，還有殘值計算，以壽命為年限計算淨收益，你可能覺得這個淨收益不太可觀可以重新調整這個參數重新進行優化，最後配置出來的東西有可能會是多次閉環優化，就是你在滿足工況的條件下去以經濟性最優為目標得出來這個配置。

關於鋰離子電池的優化管理，通常我們要怎麼做呢？ 說怎麼樣進行優化管理。 電池特性和管控策略的一個對接，比如說他剛才說了有些參數必須得保證在合理的範圍內，你的電池管理要加一個管理系統的話，管理系統必須保證參數不超限。 他有什麼功能？ 就是說我們通常要加一個電池管理系統，電池管理的功能一般要實時的監測一些參數，估計電池的狀態，優化它的效能，延長壽命，還有上傳信息這樣的一些功能，就是通信的功能。 這個細化的話，比如採集參數要採集哪些、數據處理有哪些、估算有哪些、通訊有哪些。

電池管理系統中其實參數是很重要的，這裡邊我也拿出這四個參數，SOC相當於是基準參數，因為對於整個系統而言最關心的是能量和功率，但是SOC通常作為刻度參數和基準參數，SOH是維度，隨著電池衰退這些參數會變的，是一個維度。 要想把參數記得準，通常要有符合需求又描述準確的參數定義，還得有高精度的參數分析方法，要想去驗證這個方法估計的準不準，還得有合適的測試方法和數據模型獲得基準值，來去驗證自己的方法準不準，還得有可復現的工況來對比精度。

關於SOC的定義我稍微說一下。 SOC的分母用的容量值到底是什麼時候的容量值，大家一直很糾結，因為不同溫度的情況下容量不一樣，所以我的分母到底用哪個。 索性我們做了一個標準，我們跟中汽中心一起做了標準，電動汽車電池管理的標準，我們把分母就做了一個歸一化的處理，我就只有25度的作為分母，其他溫度下所用的區間，就是25度所用的區間中間的一些區域，比如零下20度的時候用得相當於25度時候的14%到87%，這是我做的歸一化的處理，我們標準也是這麼些的。 這個圖說的是一致性的問題，就是說電池組裡邊如果每個電池的容量和所處的位置不一樣，整組所用的是交集。 SOC的估計方法也有很多各種各樣的方法，估計精度現在工程上用的方法其實還是以安時積分法結合電壓修整，就是說我們的卡爾曼濾波或者我們一些觀測器的方法，可以在某些特定條件下修整，但是不能一直用這種方法。

關於SOE的定義也是很糾結，大家不知道怎麼定義，我們現在的方法定義，以放出來的能量來去定義，我的分母以放出來的能量，因為這裡面E1、E2、E3三個值都不一樣，只有E3可用，E1不可用，最後我們用的E3來做的。 現在有很多方法，也有自己的優缺點，現在也是基於功率積分和基於功率查表是比較可行的，這個是關於峰值功率的定義，因為峰值功率通常定義固定時間窗口內的一個電池極限充放電的功率，它會受到很多參數的限制，我們在電池管理系統標準上面給出的是恆功率測試的情況，我在某一個特定的條件下，我同功率的情況下來測試，這樣就可以得到一個橫軸是充電時間、縱軸是功率的曲線，我可以做一個擬合，找到我所要的那個時間段所對應的峰值功率是多少。 我們標準上也是這麼些的，我們也發了論文。

SOP的測試和估算其實是有一些，比如說美國的測試手冊裡面基於HPPC的計算值，還有日本的JEVS的測試，還有美國USABC手冊的測試，有很多值，但是這個值可能會有跟我剛才用功率測試的情況還是有一些誤差的。 估算方法也有很多，比如基於曲線擬合的，還有MAP圖法的，還有黑箱模型的，還有基於約束參數的。

說到SOH，現在這個也是除了安全性以外壽命這個事情也是業內最關心的問題，第一是安全性，第二是壽命，所謂的健康狀態就是衰退之後的參數跟起始參數之間的關係，把它定義成SOH，表徵的時候大家也眾說紛紜，有基於能量的、基於內阻的，如果說是偏功率型的電池我們用內阻來表徵，或者乾脆用峰值功率來表徵，這個行業裡面還沒有，我們現在也在起草另外一個標準，就是車用的另外一個標準。

這個估計方法也有 很多種，各種各樣的方法。 我要提一點是說，電池現在是在不同的使用區間的時候它的壽命次數還是會差很多的，我們做過很多實驗，比如說我這裡邊有間隔的區間的實驗，還有一些實用區間的實驗，還有基於電池相變區間循環的實驗，會發現這些衰退的路徑和循環次數有很大的差別，我們現在也在想辦法用分區間的一些衰退來去預測任意區間的衰退，因為我在用的時候不知道用哪個區間好，我測了一些數據之後，我用這個區間的數據去擬合任意區間的，我看這個區間擬合之後哪個壽命去進最長。

文章來源： 北極星儲能網

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