鈦酸鋰電池單位容量的分析

傳統(tǒng)的電池池采用碳作為負(fù)壓，在低溫下，電動汽車的嵌入和分解能力降低，尤其是嵌入式能力的降低。低溫大電流充電時鋰離子從正極脫出的速度大于負(fù)極嵌入的速度,不能嵌入的鋰以單質(zhì)形式沉淀在電極的表面,析出的單質(zhì)鋰容易刺破電池,當(dāng)單質(zhì)鋰刺破電池接觸空氣后會發(fā)生自燃甚至爆炸。因此傳統(tǒng)鋰電池低溫性能和安全性較差鈦酸鋰電池的負(fù)極采用鈦酸鋰,鈦酸鋰的離子擴散速度比石墨高一個數(shù)量級,因此鈦酸鋰電池可以實現(xiàn)高倍率充放電。鈦酸鋰電池低溫充放電特性好、安全性能優(yōu)異鈦酸鋰電池單位容量的價格較高,成為鈦酸理電池大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的瓶頸之一。當(dāng)其應(yīng)用于儲能系統(tǒng)時,需要發(fā)揮其優(yōu)勢特點,并轉(zhuǎn)化為儲能系統(tǒng)的性能和成本優(yōu)勢。因此需要針對儲能系統(tǒng)的應(yīng)用需求展開分析,并找到鈦酸鋰電池在儲能系統(tǒng)中應(yīng)用的契合點。1功率型電池放電特性鋰電池一般分為功率型和能量型。對于功率型電池,強調(diào)電池能承受較高的充放電電流(即較大功率),在高倍率放電時特性穩(wěn)定,如圖1所示2功率型儲能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍國外大型鋰離子儲能系統(tǒng)介紹見表1儲能系統(tǒng)的規(guī)格指標(biāo)和具體的應(yīng)用需求有關(guān)。表1中的儲能系統(tǒng)規(guī)格指標(biāo)用P由表2可以看出,系統(tǒng)放電時間T在1h以下的儲能系統(tǒng)有5個,且T都小于0.5h。其主要應(yīng)用范圍有:可再生能源的輔助設(shè)施、頻率調(diào)節(jié)、功率支持、出力爬坡控制、備用電源。除備用電源需求外,其余的需求,都是功率型儲能系統(tǒng)的典型需求,這5個儲能系統(tǒng)為功率型儲能系統(tǒng)。大于1h的有3個,都具有移峰填谷的需求,因此用作能量型儲能系統(tǒng)。根據(jù)具體的應(yīng)用需求,也可用于調(diào)頻,因此也可用作功率型儲能系統(tǒng)。但在2h以上的一般用作能量型儲能系統(tǒng)。3能量管理系統(tǒng)的電池寬度和容量的要求功率型儲能系統(tǒng)的典型應(yīng)用有系統(tǒng)調(diào)頻、出力爬坡控制、改善微網(wǎng)電能質(zhì)量等。3.1k電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)交流系國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以50Hz正弦波作為我國電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率(工頻),并規(guī)定電力系統(tǒng)正常的頻率標(biāo)準(zhǔn)為(50±0.2)Hz,當(dāng)系統(tǒng)頻率超出此范圍時稱為頻率越限。隨著可再生能源的發(fā)展,風(fēng)電的功率波動會導(dǎo)致系統(tǒng)有功出力與負(fù)荷之間的動態(tài)不平衡,造成系統(tǒng)頻率偏差,嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率越限,進(jìn)而危及電網(wǎng)安全運行假設(shè)功率波動為(35)P式中,r為電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù);k電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的原理是當(dāng)發(fā)電大于用電時把電能儲存起來,防止系統(tǒng)頻率的上升;在發(fā)電小于用電時把儲存的電能釋放出來,防止系統(tǒng)頻率的進(jìn)一步下跌。儲能系統(tǒng)用于調(diào)頻,需要具備快速響應(yīng)的特點,以跟蹤功率的快速變化,如圖3所示,單次充放電時間在秒級,如圖4所示。單次充放電時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于鋰電池滿充滿放的時間。3.2控制功率波動我國的風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對有功功率爬坡率提出了明確的要求。如裝機容量在30~150MW的風(fēng)電場,其10min有功功率變化最大值不得高于裝機容量的1/3,1min有功功率變化最大值不得高于裝機容量的1/10。利用大規(guī)模儲能系統(tǒng)平抑可再生能源的功率波動,能夠有效地減緩電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的壓力世界各國風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中,爬坡率大多以1min和10min為時間尺度。功率型儲能系統(tǒng)用于出力爬坡控制,單次充放電時間在10min以下,當(dāng)電池在6C以下工作時,系統(tǒng)單次充放電時間即低于鋰電池滿充滿放的時間。3.3用于備用電源對于有大量新能源接入的微網(wǎng)系統(tǒng),儲能系統(tǒng)一方面需要用作備用電源;另一方面要起到撫平毛刺、改善微網(wǎng)電能質(zhì)量等作用。如圖5所示,功率型儲能系統(tǒng)用于微網(wǎng)改善電能質(zhì)量時,其單次持續(xù)充電或放電時間在分鐘級3.4功率型系統(tǒng)的需求鋰電池儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度快、短時功率吞吐能力強,當(dāng)有大量的風(fēng)電或其它可再生能源并入電網(wǎng)使電網(wǎng)處于薄弱狀態(tài)時,由于電池儲能系統(tǒng)響應(yīng)快速而使頻率控制更精確,相對于燃煤機組,最終需要更少的調(diào)控容量隨著可再生能源的大規(guī)模接入,利用大規(guī)模儲能系統(tǒng)平抑可再生能源的功率波動,在出力爬坡控制、微網(wǎng)電能質(zhì)量改善等方面的應(yīng)用需求也日趨顯著。功率型系統(tǒng),功率和功率密度是關(guān)鍵指標(biāo)。還要求系統(tǒng)單次充放電時間低于鋰電池滿充滿放的時間。功率型系統(tǒng)單次充放電時間在秒級或分鐘級,系統(tǒng)對電池充放電倍率的要求也根據(jù)應(yīng)用需求的不同而有所不同,但根據(jù)前文分析,電池充放電倍率在4C以下,一般都滿足系統(tǒng)對充放電時間的要求。功率型儲能系統(tǒng),在電池配置數(shù)量滿足功率要求、電池充放電倍率滿足系統(tǒng)充放電時間要求的前提下,系統(tǒng)的能量和能量密度是根據(jù)所配置的電池數(shù)量和單體電池的容量得出的附加指標(biāo)。而系統(tǒng)對電池的容量沒有直接要求。4功率型鈦酸鋰電池放電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)指標(biāo)功率型儲能系統(tǒng)配置能量型電池,假設(shè)電池的放電倍率在0.5C以下,由于電池本身不能高倍率工作,儲能系統(tǒng)只能工作在0.5C以下,假設(shè)工作在0.5C,需要配置的電池模塊數(shù)量如式(2)、式(3)所示此時,儲能系統(tǒng)指標(biāo)為P(MW)×2(h)。如果配置功率型鈦酸鋰電池,可在4C以上工作,假設(shè)在4C工作,系統(tǒng)的放電時間縮短到15min,即0.25h。假設(shè)額定電壓和額定容量與前述能量型電芯一樣,則工作電流為能量型電芯的8倍,需要配置的電池模塊數(shù)量如式(4)所示此時,儲能系統(tǒng)指標(biāo)為P(MW)×0.25(h),同樣能滿足功率型儲能系統(tǒng)對功率和放電時間的要求。而其配置的電池模塊數(shù)量僅為前述系統(tǒng)的1/8。式(2)~式(4)中:P為儲能系統(tǒng)的額定功率;V因此,功率型儲能系統(tǒng)配置更高倍率的鈦酸鋰電池,可以顯著減少電池配置的數(shù)量