毕业设计（论文）-新能源储能系统研究.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）新能源储能系统研究学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电气1007班 学生姓名： 指导教师： 武汉理工大学毕业设计（论文）摘要结合现如今的能源危机，引出新能源储能技术的重要性，储能技术的发展给电力系统的各个方面都带来了巨大的优势以及新的发展，文章阐述了新能源储能系统中的各项技术原理、组成部分、优缺点、适用的场所以及应用的领域等常见部分。结合如今电池储能技术的发展现状，重点分析电池储能技术中的磷酸铁锂电池。为了能够更加深入的了解磷酸铁锂电池，本文进行了大量的充放电实验来研究该电池的特性，测试在不同条件下电池的不同参数的变化情况，得到数据后对数据绘制相应的曲线，根据曲线进行分析；之后对电池模型进行分类简介，选取其中的一个模型来进行模拟仿真，得到仿真曲线。将得到的曲线进行对比分析该模型的精确程度。之后对电池的特性、荷电状态及SOC估算和电池充放电管理系统等模块进行相应的介绍。整篇论文是根据总分路线进行编写的，首先根据能源危机引出新能源储能技术，并对各种储能技术进行介绍，之后选取电池储能中的磷酸铁锂电池进行分析，分析主要分为特性研究、建模、SOC估算和电池充放电管理系统四大模块，从整个大的模块一直引申到各个小的部分，能够更好的深入理解新能源储能系统的重要性及其之后的发展方向。关键词：新能源储能 电池特性研究 电池建模 SOC估算 电池管理系统I武汉理工大学毕业设计（论文）AbstractToday s energy crisis combined with the importance of new energy storage technologies leads to the development of energy storage technology to all aspects of the power system are tremendous advantages as well as new development,the article describes the new energy storage system common part of the technical principles,components of the advantages and disadvantages for the places and areas of application,etc.Today,Combined with the development situation of battery energy storage technology,According to the analysis of lithium iron phosphate battery energy storage technology.In order to more in-depth understanding, lithium iron phosphate battery, the charging and discharging characteristics change test experiments of the battery after, under different conditions, in different parameter of the battery, the data curve drawing data, according to the curve analysis;after the battery model to classify Profile,select one of the models for simulation, simulation curve obtained.The curves obtained for the accuracy of the analytical model. The state of charge and battery SOC battery charge and discharge management system appropriate to estimate the.The whole thesis is based on the total score for the preparation route,according to the energy crisis leads to first new energy storage technologies,and a variety of the energy storage technology,then select a battery energy storage in lithium iron phosphate analysis and the main points to study characteristics,modeling,Charging and discharging and battery SOC estimation management system four modules from the entire large modules has been extended to all small part,to better in-depth understanding of the importance of new energy storage system and beyond development.Keywords: New energy storage；Study on the characteristics of battery；battery modeling SOC estimate；The battery management systemII目 录第1章 绪论31.1 研究的目的及意义31.2 储能技术的国内外发展现状41.3 研究的基本目标52.1 抽水储能72.2 飞轮储能92.3 压缩空气储能102.4 超导电磁储能122.5 电池储能132.6 超级电容器142.7 冰蓄冷152.8 本章小结16第3章 锂电池特性研究173.1 概述173.2 电池的电压特性173.3 电池电压与倍率特性183.3.1 恒流充电时端电压的变化183.3.2 恒流放电时端电压的变化183.4 电池容量与倍率特性193.4.1 充电倍率与电池容量193.4.2 放电倍率与电池容量203.5 温度对电池性能的影响203.5.1 充电电量和温度的关系203.5.2 放电电量与温度关系213.6 本章小结22第4章 锂电池建模234.1 概述234.2 模型的选择234.3 电池建模与参数估计254.3.1 一阶RC模型254.3.2 一阶RC修正模型的建立264.3.3 模型参数的确定284.4 模型的建立与仿真304.5 本章小结31第5章 锂电池SOC估算及电池充放电管理335.1 概述335.2 SOC估算方法335.3 两相结合的SOC估算方法355.4 影响SOC估算的因素375.5 智能电池385.6 电池管理系统的功能385.7 本章小结39第6章 结束语40参考文献41致 谢43第1章 绪论1.1 研究的目的及意义随着现阶段能源危机以及资源贫瘠的愈加严峻现状，新能源的开发及利用拥有良好的发展前景；随着常规能源的局限性以及能源发展与环境保护的矛盾日益明显，以环保和可再生为特质的新能源越来越符合人们的发展需求，不可再生的资源和对环境有所污染的能源开发正在被可再生资源所替代；因此以新能源为基础的新型材料的开发和新型技术的研发正逐步地深入发展，新能源一般是指在新技术的基础上对可再生的资源进行开发利用，其中包括了常见的太阳能、风能、水能，还有生物质能、地热能、潮汐能等。除了新能源的开发和技术研究之外，对于新能源所产生的能源储存也需要引起技术人员的重视，储能技术的发展在此同时也需要适应新能源的发展速度，储能技术是指将电力资源转化为其他形式的能量储存起来，并且在外界需要能量时以电的形式释放出来，因此不同的新能源所需要的储能技术不用，目前全球储能技术电能转换存储形态的不同可划分为物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能四类，其中物理储能主要包括抽水储能，飞轮储能和压缩空气储能等；电磁储能包括超导电磁储能等；电化学储能主要是指电池储能（铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池和钠离子电池等类型）和超级电容器储能等；相变储能包括冰蓄冷、中高温蓄热储能等。上述各种储能方式皆有自身的优缺点和适用的场所，现如今最新最热门的储能方式是超导电磁储能，因为其综合效率最高，但是该项储能技术的成本很高、其本身系统复杂且后期需要定期维护，所以暂时未能广泛应用于人们生活当中；各项储能技术中发展速度最快的莫过于电化学储能技术，电池储能技术是目前最为成熟可靠的储能技术，电池储能中的各不同类型的电池各自拥有其优缺点，而且在现在的生活中以电动汽车为主的利用电池储能的代步工具正在稳步发展，以追求电池储能的安全性、能量转换的效率和经济性同步提升。电池储能技术中的铅酸蓄电池储能是人类最早使用的一种储能技术，因其发展时间长，人类对其研究相对于其他类型的蓄电池也较为深入，所以这项技术较为成熟，原理也比较简单，电极主要是由铅及其氧化物组成，电解液是铅酸溶液，通过化学反应实现充放电能，其反应式为：充电反应： （1.1）放电反应： （1.2）铅酸蓄电池的优点比较多，低廉的价格、高的回收利用率、好工作性能和较高的安全性等，同样它也有比较明显的缺点，可以根据上述的化学反应式可以推出铅酸蓄电池在工作的过程中有铅产生，而且其本身电极组成元素中含有铅，因为铅为重金属，因此对于环境和人体都有一定的影响，同时铅酸蓄电池的使用周期短，能量密度和功率密度低，而且需要经常性地对其维护，这些缺点就限制了铅酸蓄电池的发展高度。近年来电池储能中的锂离子电池储能技术兴起速度较快，其应用了电化学中嵌入和脱嵌的反应原理来实现锂离子在正负极间的移动，这个过程就是锂离子电池的充放电过程，其反应式：正极反应： （1.3）负极反应： （1.4）电池反应： （1.5）锂离子电池拥有较高的能量密度和综合循环效率、轻巧的重量体积、无污染和宽泛的温度适应范围等优点，与铅酸蓄电池相同，它也拥有比较明显的缺点，就是其电池容量小和价格高昂，但是综合对比来说，锂离子电池还有很广阔的发展前景，随着对于锂离子电池更加深入的研究和技术的逐步成熟，其成本会有所降低，所以锂离子电池将是未来储能技术发展的重点对象，在今后的生产生活中可能替代铅酸蓄电池作为电动汽车的主要供应能源。除此之外，还有钠硫电池、全钒液流电池和钠离子电池等其他类型的电池储能技术，它们各自有着不同的优缺点，因此在选择电池储能的同时需要根据不同的环境和需要达到的储能效果选择不同的电池储能技术，电池储能系统在储能系统中的应用前景将越来越广泛，因此电池储能技术的研究也将面临很多在应用中所需要解决的技术难题。1.2 储能技术的国内外发展现状我们重点选取了电池管理系统这项储能技术中的重要模块进行详细的分析。在十五期间我国就在电动汽车项目方面开展了重点研究工作，经过多年的努力，在电池管理系统技术方面取得了较大的成就，拉近了与国外水平的距离。2005年，在国家863计划的第一批立项研究课题中，EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块是由北京理工大学所承担、EQ6110HEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块是由湖南神舟公司所承担、燃料电池电动轿车用高功率型铿离子动力电池组及其管理系统是由苏州星恒电源有限公司所承担、解放牌混合动力城市客车用铿离子电池及管理模块是由北京有色金属总院所承担，同济大学和清华大学等高校也承担了多能源动力总成控制系统等大量相关课题的研究工作。 总而言之，电池管理系统是电动汽车最关键的技术之一，虽然在近年来取得了较大的进步，并在很多方面都己经进行了实际应用。但与电机控制技术、电池技术相比，电池管理系统还存在着许多不足之处，需要进行完善。在采集数据的精确度、SOC估算的精度和安全性能方面的评估等各个模块都需要进一步完善和技术的提升。 近年来，电动汽车研究和使用逐步趋向成熟，国内外一些知名品牌汽车生产公司和电池供应公司分别针对各种类型的动力电池进行试验与研究，概括出电池的数学模型。现如今已经有许多电池管理系统应用于实车上。其中有代表性的公司有德国的B.Hauck公司所设计的BATTMAN系统、美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统、美国通用汽车公司生产的电动汽车EVI电池管理系统、美国ACPropulsion公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统、日本丰田的混合车用系统等等。1) BATTMAN系统：该系统是根据电池组型号的不同将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统。电池管理系统是由共有的部分和特殊的部分组成，其中共有的部分占的比重很大。因为共有的部分决定电池容量和最弱电池单元的剩余电量。同时还影响电池的运行和数据的记录。2) SmartGuard系统：在电池上设置一个分布式的管理装置来测量电池的电压和温度是该系统的显著特征。另外主控部件可以通过信号来起动电流旁路电路。SmartGuard主要有以下几个功能：当放电极性发生反向时进行报警、显示最差电池单元的剩余电量信息、电池历史记录、过充检测以防止过充和文档归类。3) EVI电池管理系统：EVI电池管理系统包括电池模块、软件BPM、电池组热系统和电池组高压断电保护装置四个组成部分。通用汽车公司生产的EVI电动汽车是由26个铅酸蓄电池所构成的电池组来提供电能的，每个电池的寿命是450个深放电周期，其放电深度为80，能够在市内行驶113公里(美国环保局指标，USA EPA Schedule)，在高速公路上行驶145公里（美国环保局指标，USA EPA Schedule）。1.3 研究的基本目标本次研究主要目的是研究新能源储能系统。通过查询和阅读相关的资料，我们了解了现如今的能源危机，为了解决能源危机对人类社会带来的危害，我们需要对新能源进行开发和利用，储能技术的研究因此开展起来。现如今各项储能技术已经应用于我们生活当中，并且根据电能转换储存形式的不同分成不同的类别；主要的储能技术分为抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导电磁储能、电池储能、超级电容器储能和冰蓄冷等，针对不同的储能技术查询它们的相关资料，并对其进行总结，了解它们的工作原理和组成部分，根据储能技术在储能中的工作流程推断出它们的优缺点，从而了解不同储能技术将来的发展前景以及工作过程中需要完善的技术环节，在已知储能技术优缺点的基础上将各项储能技术进行对比，可以判断在不同的应用场合应该采用哪种储能技术，也就决定了不同储能技术工作环境有所不同。之后的论文中，结合老师所给的任务书，在各项储能技术中选择了电池储能技术进行研究，并以电池储能中的锂离子电池作为研究的基础，研究包括了电池的模型建立、特性的研究、SOC的估算以及对电池充放电的管理四大模块。首先进行电池特性的研究，可以根据仿真结果得出电池的特性进行研究，也可以采用实际的电池模型对其进行电流电压和时间关系的测定，得出对应的曲线，并对其进行分析；然后将电池的模型建立作为最先开始研究的模块，根据电池的基本组成进行建模的设计，确定模型参数之后对其进行仿真，得出仿真结果；之后为了更好的了解电池电量在充放电中的变化规律，就需要对其剩余电量进行合理的计算，从而根据剩余电量的变化推算出电压电流之间的管理，更好的保证电池的合理运行，所以需要对电池进行SOC的估算；最后要使电池的寿命更长，使用效率更高，就应该合理的规范的对电池进行充放电，在什么时间段和电流应该用什么大小的电压对电池充放电，为了能够更好的使用电池，保持电池的高效运行，合理实用的充放电管理系统就显得尤为重要，可以根据充放电是电压和电流的变化规律来设计充放电管理系统的输入和输出，从而在电池充放电的过程中保证电压和电流合理的对应，达到最好的充放电效果。第一章绪论。包括了研究的目的、各项储能技术的简单介绍以及电池管理系统的国内外发展现状等等。提出了研究储能技术中的电池储能技术的依据。第二章新能源储能技术。本章主要针对于各项储能技术进行相应的介绍，主要包括储能技术的工作原理、组成部分、结构框图、优缺点以及应用的领域等方面。第三章锂电池的特性。本章主要针对磷酸铁锂电池的性能进行测试，主要测试电池在不同充放电倍率下端电压的变化，不同放电倍率下电池容量的变化，以及电池容量和充放电倍率在不同温度环境下的变化，并且绘制出相应的变化曲线，根据曲线进行分析得到电池各项参数的特性关系。第四章锂电池建模。本章主要针对以电池建模进行介绍，首先对现有的电池模型进行了分类，之后选取了一阶RC模型作为电池模型进行研究。在电池建模的过程中，总结现有的参数和经过测试得到的参数，对一阶模型进行修正改进。最后对上述建立好的模型在恒流放电工况下进行了试验对比分析。第五章锂电池SOC估算及电池充放电管理。本章主要针对SOC进行介绍，首先对简述了SOC的概念，然后对现有的几种SOC估算方法进行了原理上的介绍，之后考虑利用两种SOC估算方法相结合来互补，最后简单的讨论了影响SOC估算的五大主要因素。并对电池管理系统进行了简要的阐述，首先提出电池在使用过程中可能出现的损坏，从而提出需要构建智能电池，达到保护电池、更好地使用和管理电池的目的，最后对智能电池中的电池管理系统进行了功能上的介绍。第2章 新能源储能技术能源问题是人类社会发展中需要解决的一大问题。随着常规的有限能源以及其与维护自然生态坏境矛盾烦人愈加突出，以可再生、环保和清洁为特点的新能源越来越受到人类的青睐。常规能源随着一次次地开采在不断的减少，新能源的开发迫在眉睫，与此息息相关的便是对于新能源储能技术的研发，利用储能技术使电网的运行更加安全稳定，同时提高电网对于新能源的接收能力。储能技术根据电能转换存储状态的不同可划分为物理储能、电磁储能、电化学储能以及相变储能四类。其中物理储能主要包括了抽水储能，飞轮储能和压缩空气储能等；电磁储能包括了超导电磁储能等；电化学储能主要是指电池储能；相变储能包括冰蓄冷、中高温蓄热储能等。2.1 抽水储能抽水储能技术的原理是在用电低峰时段使抽水储能设备处于电动机工作状态，此时利用电能把下游水库的水抽到上游水库保存，将电能转换为势能储存起来；在用电高峰时段抽水储能设备处于发电机工作状态，此时利用储存在上游水库中的水发电，将势能重新转换为电能。在抽水储能系统的工作过程中实现了由电能转换为势能的能量保存过程以及由势能转换为电能的能量释放过程，从而达到能量存储的目的。抽水蓄能电站根据建设类型的不同，可以分为纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站两种。纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站的区别在于上、下水库的不同。其中纯抽水蓄电站的上水库没有水源或者天然水的流量很小，储能时需要将水从下水库抽到上水库中储存，供能时将水从上水库放下，因此抽水蓄能电站运行所需要的水在上、下两个水库间循环使用，上、下水库要有足够的容量，因为没有外来水源，电站本身无法发电，所以不能作为独立电源，需要和电网中的其他发电站配合运行；而混合式抽水蓄能电站的上水库拥有一定量的天然水，根据抽水蓄能所需要的水库容量大小在下游修建下水库，并且在下水库的出口修建一个保证下水库库容的小坝，因此在混合式抽水蓄能电站内，既安装有普通水轮发电机组可以自身发电，同时又安装有抽水蓄能机组可以储能，将电网中的电能转换为蓄电站中水的势能。抽水蓄能电站根据机组形式的不同，可以分为分置式（四机式）、串联式（三机式）和可逆式（两机式）。分置式抽水蓄能电站由水轮机、发电机、电动机和水泵机四台机组组成，因此又称为四机式，其中水轮机和发电机构成水轮发电机组，电动机和水泵机构成水泵机组，由于发电机组和抽水机组分开，两机组都可以设计并且运行在最佳的工作状态，效率高，但是系统复杂，占地面积和投资金额较大，性价比较低，因此在现在抽水蓄能中很少采用分置式；串联式抽水蓄能电站由水泵、水轮机和电动发电机三者构成，其中水泵和水轮机共用一台电动发电机，水泵、水轮机和电动发电机三者在一轴线上，同轴运行，通常情况下水轮机和水泵旋转的方向相同，这样可以在抽水储能还是自身发电两种状况下快速切换，由于水轮机与水泵分开，两者各按最佳状态设计，所以效率同样很高；可逆式抽水蓄能电站由水泵水轮机和电动发电机两台机组构成，其中水泵水轮机同时具有水轮机和水泵的功能，电动发电机同时具有发电和电动的功能，两者在一轴线上，水泵水轮机采用既可以作水轮机使用又可以作水泵的混流式水轮机，这种机组使用水头范围很宽、结构简单、总造价低、土建工程量小，因此是现代抽水蓄能电站的主要机组形式。图2.1 抽水蓄能电站的主要组成图2.2 三机式抽水蓄能机组抽水储能系统的建站地点首先需要考虑上下水库之间的高度差，然后是上下水库之间的水平距离，一般来说距离和高度之比要小于十，同时最好拥有天然的上下水库或者有足够的补充水源，避免水分的蒸发与渗漏，因为抽水蓄能电站的选址要求较高，所以这也是它自身的一大劣势。综上可以得出抽水储能具有大功率、大容量、低成本、长寿命和小渗漏的优势，但是也有选址要求高，同时建设周期长、动态响应速度慢等不足之处。抽水蓄能电站在电力系统中一般与火力发电、风力发电和核电站搭配使用，在用电低峰时段将发电站发出的电量存储起来，然后将存储的电能在用电高峰时段供给负荷中心使用，保证电量的稳定输出，承担调峰填谷、调频调相、事故备用等任务，以达到提高电力系统的安全性和稳定性的作用，除此之外拥有天然水源的抽水蓄能电站还可以利用上游水源进行发电，起到水力发电站的作用，在储能的同时自身发电。2.2 飞轮储能飞轮储能系统因其拥有高储能密度、高效率和轻污染等优点而受到重视，该系统以高速旋转的飞轮为依托，通过电力电子设备实现电能和动能两者间的相互转化，从而达到储能的作用。飞轮储能系统一般由飞轮转子、驱动电机、真空室、轴承、电力电子变换器以及控制系统六个部分组成。其中，飞轮转子与驱动电机的转子同轴，两者拥有相同的转速。飞轮转子、真空室和轴承三者属于飞轮储能系统中的物理部分，是实现飞轮储能的主要结构；而驱动电机、电力电子变换器、控制系统三者则是飞轮储能系统中的电力部分，是处理飞轮系统中电量的输入和输出的主要结构。这两大组成部分就构成了大体的飞轮储能系统。图2.3 飞轮储能系统结构图通常飞轮储能系统工作时分为充电、放电和保持三个状态。1) 充电状态：外部电源通过电力电子变换器使电动/发电机作为电动机工作，驱动飞轮转子加速，当转子转速达到最大工作转速时，电力电子装置停止驱动电动机，充电完成，这个过程是将电能转换为动能。2) 放电状态：此时电动/发电机转变为发电机工作，飞轮转子降速，电力电子变换器对发电机输出的母线电压进行调整，使其始终保持恒定的电压，这个过程是将动能转换为电能。3) 保持状态：飞轮系统处于能量保持阶段，在该状态下，系统既不充电也不放电，没有发生能量的流动，在这种模式下，系统以最小的损耗运行在空闲状态。不同的工作状态拥有不同的转速范围，在一定的时间内，根据所需求的状态不同对转速进行调整。在飞轮运行的整个过程中，系统最大的能量变化为： （2.1）式中：max和min分别代表飞轮的最高转速与最低转速。飞轮的工作原理图如图所示。图2.4 飞轮储能系统的工作原理图目前飞轮储能技术发展的主要限制是昂贵的成本和技术发展中的瓶颈。飞轮储能的关键技术和重点环节主要体现在驱动电机种类的选择、轴承支承方式技术的提高、飞轮转子结构形式的设计、飞轮储能控制系统的管理和真空室功能的提升五个方面。飞轮储能技术因为不受地理环境的影响，所以相对于抽水储能技术要更加容易实现。飞轮储能系统有两个重要的指标，第一是储能效率，只有将轴承摩擦力和风的阻力损耗降低到最小才能更好地提高储能效率；第二是储能密度，需要将飞轮的转速提升到最高的速度才能提高储能密度。因此，飞轮储能技术主要研究的是高速、低损耗和高储能密度这三大方向。飞轮储能技术一般与风力发电配合使用，可以直接储能，不需要将动能转化为电能，飞轮储能可以用作UPS不间断电源，电动汽车和太空飞行器等方面，从而在调峰填谷、功率平抑、不间断电源等多领域都有很好的应用表现。2.3 压缩空气储能压缩空气储能是一种根据燃气轮机技术延生出的能量存储系统。压缩空气储能系统中的压缩机和透平不工作在同一时间，在储能时，压缩空气储能系统利用电能对储气室中的空气进行压缩；在释能时，将高压空气从储气室释放，进入燃烧室利用燃料燃烧加热升温后，驱动透平发电。由于储能、释能不能同时工作，在释能过程中，无法进行空气压缩等储能过程，因此，相比于消耗同样燃料的燃气轮机系统，压缩空气储能系统可以产生更多的电力。压缩空气储能系统一般包括压缩机、膨胀机、燃烧室及换热器、储气装置，发电机/电动机、控制系统和辅助设备等主要部件。图2.5 燃气轮机结构框图（上）和压缩空气储能结构框图（下）压缩空气储能的工作过程和燃气轮机类似，其工作过程如图，主要包括如下4个步骤。图2.6 压缩空气储能系统工作过程1) 压缩过程12：外界空气经过压缩机压缩到一定压强后，储存于储气室中，理想状态下空气压缩的过程为图中的12，但是实际的过程由于不可逆的损失，因此过程为图中的12。2) 加热过程23：高压的空气经储气室释放后，与燃料燃烧加热后转变为高温高压的空气，一般情况下，该过程为图中的23，为等压吸热过程。3) 膨胀过程34：高温高压的空气发生膨胀，从而驱动透平发电，理想状态下空气膨胀的过程为图中的34，但是实际的过程由于不可逆损失，因此过程为图中的34。4) 冷却过程41：空气膨胀发电后排入大气，然后下次压缩时又重新经过大气吸入，这个过程为等压冷却过程。但是在压缩空气储能系统的实际工作中，常采用多级压缩和级间/级后冷却以及多级膨胀和级间/级后加热的方式，其工作过程如上图中右图所示。过程21和过程43分别表示压缩的级间冷却和膨胀过程级间加热过程，采用该种方式可以节省功率的消耗但是也会是系统的复杂性提升。压缩空气储能系统要求压缩空气的容量大，因此对储气的环境有一定的要求，通常选择报废的矿井、沉降在海底的储气罐、山洞和新建储气井等，其中最为理想的是水封恒压储气站；但是对于微小型的压缩空气储能系统，对于环境的要求没有一般的压缩空气储能系统条件那么苛刻，因此可以采用在地面上建立高压储气容器来摆脱对储气洞穴的依赖。压缩空气储能系统是一种技术成熟、可行的储能方式，其适用于大型系统，并且拥有储能周期不受限制、系统成本低、寿命长、安全性和可靠性高等优点；但是因为对环境的要求较高，可能需要建立大型的储气室，同时需要利用化石燃料燃烧空气来释放能量，高压燃烧室中的压力较大，在燃烧的过程中如果温度过高，可能会产生较多的污染物。压缩空气储能一般和火力发电和大规模风场相配合使用，主要是为了保证输入方即火力发电或者风力发电电量输出的稳定性，实现它们的平滑输出，同时也可以作为备用电源等，因此在电力的生产、运输和消费等领域中应用于削峰填谷、平衡电力负荷、需求侧电力管理等方面。2.4 超导电磁储能在超导电磁储能系统中，电能存储于一个超导磁环中，并未将能量转换成其他形式，因为采用了超导体线圈这种超导材料，电能仅仅是为了保持超导冷却和少许辅助机械有一定量的消耗，所以能量的转换效率很高。超导电磁储能由超导线圈、真空容器、引线、深冷系统和电力调节系统五个部分组成。图2.7 超导电磁储能原理结构图超导电磁储能的基本原理是将电能储存于一个有直流电流过从而拥有磁场的环状导线。假如该线圈采用普通的导线材料，磁能会因导线的电阻耗能而发热，如果采用超导体这种材料作为线圈，因为超导体具有低温低电阻的特性，电能就能在基本维持不变的模式下被长期的储存起来直到需要用时为止。超导线圈只是一套直流装置，因此需要有一套电力调节系统和公用交流电网相互联系，进行能量的存储或释放，电力调节系统包括一台标准的固体直流/交流变化器、若干开关和控制装置，在电网电力过剩时，将交流电转换为直流电向超导线圈充电；在电网电力欠缺时，将超导磁环储存的直流电逆变为交流电送入电网中。图2.8 超导电磁储能的运行原理超导电磁储能是目前响应速度最快的储能技术，在电力系统的稳定控制方面具有独特的优势，能够极快地响应从电网转储或输出电力，可以保证电网动态稳定性，同时它的响应速度和能量传递的容量也决定了系统在发生故障或受到扰动时能够快速地吸收或者发出功率，减少甚至是消除扰动对电网的冲击等，但是因为超导电磁储能系统中的单元组件的最大存储的容量无法和抽水储能相比，因此不能作为长时间的负荷调节，除此之外，超导电磁储能的高成本也阻碍了其在电力系统中的推广应用。超导电池储能一般和风力发电、分布式电源系统和电网等配合使用，用作调峰，使输入方电量输出平滑，也可以用作UPS，因此超导电磁储能具有调频日夜负荷峰谷差，提高输电线的稳定性和电能质量的作用，在遇到电网暂态波动时，其对电网有功与无功的支持可以保证电压和频率的稳定避免系统解列甚至崩溃。2.5 电池储能电池储能系统主要由蓄电池组和变流器两部分组成。电池组一般选用技术比较成熟的钠硫电池或者铅酸电池；变流器的实质是大容量的电压逆变器，它是直接储能电池和接入电网之间的接口电路，实现了电池直流能量和交流电网之间的双向能量传递。图2.9电池储能系统原理结构图（左）和电路原理图（右）蓄电池拥有的优点很多，从自身的角度来说，它的容量大、能量密度高、耐用性强、使用寿命长、无震动噪声、能量转换效率高；从外部的角度来说，它环境适应性强、成本低、低污染、便于安装使用、布局灵活、建设周期短、选址简单。蓄电池的缺点是功率密度低、单位容量的投资大、无法形成规模化，并且存在一定的技术风险。蓄电池本身形状相对于其他储能技术的组成设备较小，因此对于环境没有太高的要求，但是一些特殊的蓄电池在充放电时对于温度和湿度有一定的要求，所以需要建设相应的保温保湿的环境。因为电池储能系统中包括了多种电池储能技术，它们的工作原理、组成和应用方面都有所差异。电池储能一般可以用多种能源来充电补充，例如生活中的插座等，主要用作UPS和电动汽车方面的输出电源，因为电池储能系统可以迅速地调节接入点的功率变化，所以对维持小型网络中内部能量的瞬时平衡和稳定、改善供电的电能质量具有非常重要的作用，当容量足够大时，甚至可以起到调峰填谷的作用。2.6 超级电容器超级电容器储能系统采用多组超级电容器组合形式，将能量以电场能的形式储存起来，主要包括储存能量用的超级电容器组件阵列、进行能量变换与传输的电能转换系统和综合控制系统三大部分。超级电容器组阵列由多个超级电容器并联组成；能量转换系统为一个双向DC-AC-DC变换器，主要包括AC/DC整流器、高频变压器和DC/AC逆变器三部分；综合控制系统主要包括数据分析计算单元、双向DC-AC-DC变换器输出控制单元和开关控制单元。图2.10 超级电容器储能系统基本结构图超级电容器储能系统的工作原理是在分布式电网直流母线上并联超级电容器储能系统，因为超级电容器的端电压在充放电的过程中会随着储存能量的变化不断地上升或下降，而负载在工作过程中一般要求端电压稳定，因此在两者之间配置一个电压适配器，即双向DC-AC-DC电路，从而达到稳压的目的。超级电容器储能系统的具体工作过程为：在负载较重的情况下，系统电压低于稳定运行时电压，此时，超级电容器储能系统供能，将超级电容器释放的能量通过控制双向DC-AC-DC变换器向分布式直流电网端传输，从而补充分布式直流电网所缺的电能，这样在放电过程中，即使超级电容器储能的端电压在不断下降，也可以保持直流母线电压的恒定，同时又能够提高超级电容器储能的高效利用率；在负载较轻的情况下，系统电压高于稳定运行时电压，可将分布式直流电网端多余的能量同样通过控制双向DC-AC-DC变换器反馈回超级电容器储能系统，此时超级电容器储存能量，直至系统分布式直流母线电压与正常运行时的电压值一致。超级电容器作为一种新型储能元件，拥有容量大、高功率密度、免维护、无污染、长寿命、宽的温度适应范围和高效率等优点，缺点是低能量密度。超级电容器储能系统在分布式发电系统中具有显著优势。超级电容器一般与风力发电搭配使用，一般供给给串并联补偿装置，或者作为电动汽车的备用电源等，超级电容器储能系统能够维持电压的稳定，抑制电压的波动、闪变、下跌和瞬时断电供电等破坏平衡的情况。2.7 冰蓄冷相变储能技术中的冰蓄冷储能技术主要应用于蓄冷空调这方面，蓄冷空调是指在夜间电网用电低峰时段由制冷主机开机制冷，并由蓄冷设备将电能以冷量的形式储存起来，待白天电网用电高峰时段再讲冷量释放出来。冰蓄冷系统由冷却塔、冷却泵、制冷机组、蓄冷槽、板式换热器和负荷六者组成。图2.11 冰蓄冷储能原理图冷蓄冷系统的蓄冷运行方式通常分为部分蓄冷、全部蓄冷和分时蓄冷三种。1) 部分蓄冷：制冷机在夜间工作，将电能用于制冷，使电能以相变的能量形式存储起来，白天通过融冰以获得其中的能量满足冷负荷要求，供冷不足的能量部分部分由制冷机提供，主要特点是减少了装机容量，一般可减少到峰值冷负荷的一半左右，这种蓄冷方式对电网的削峰填谷并没有发挥最大作用。2) 全部蓄冷：与部分蓄冷的储能方式一致，日间和夜间分开储能供能，完全满足负荷的要求，即能量全部靠融冰来供给，当冷负荷全部出现在高峰用电时间段时，能最大限度的起到削峰填谷作用，由于并未减少制冷设备容量，因而初始投资很大。3) 分时蓄冷：与上面两种方式不同，分时蓄能不是根据日夜间的来进行能量方式的划分，其在用电低谷时段储能，而在用电高峰时段供能，真正的达到了电网移峰填谷的作用，能够最大限度的利用蓄冷供冷，且满足了高峰时刻的负荷要求，因此，冰蓄冷中央空调方案一般采用这种运行方式。冰蓄冷储能技术的优点是可以充分利用电网低谷电力，减少电力增容费和机组设备费，节省风机的运行能耗，系统状态稳定，可以作为应急冷源使用，提高了供冷的可靠性；缺点是刚开始的投资建设成本高，制冷机组效率低，控制系统较复杂，制造工艺要求高，维护费用高。冰蓄冷一般直接和电网搭配使用，主要用作空调和一般负荷两方面，冰蓄冷系统具有移峰填谷作用，可以充分的缓解电力生产供应的不协调的矛盾，提高发电效率，平衡电网峰谷间的差值，具有良好的经济效益。2.8 本章小结本章介绍了现如今主要的新能源储能技术。主要针对抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能、超导电磁储能、电池储能、超级电容器储能和冰蓄冷七种储能技术进行全面的介绍，包括储能技术的工作原理、组成部分、结构框图、优缺点、适用的场所以及应用的领域等方面。之后选取了储能技术中发展迅速的电池储能进行详细的介绍，又更加具体到选择了磷酸铁锂电池进行特性研究、电池建模、SOC估算和电池管理系统四大模块的分析，帮助更好的理解储能技术。45第3章 锂电池特性研究3.1 概述本章主要针对单体磷酸铁锂电池进行试验测试，一方面通过对电池的倍率、开路电压、温度和电池容量的测试来分析磷酸铁锂电池的性能，并且根据性能分析其应用的工况环境；另一方面为之后的研究提供足够的数据积累，对于电池模型而言，在不同的外界环境下，电池模型的参数是不一样的，放电倍率、温度、充放电的方向都对模型产生直接的影响，并最终影响模型的精度，因而大量的数据积累是获取准确模型的关键一环，对于电池的荷电状态估计而言，不同的算法都需要基于电池的模型而进行的，因此选用不同的电池模型对之后的SOC估算精度也会造成不同程度上的影响。3.2 电池的电压特性电池的电压特性，可以通过在标准充电和放电状态下对电池的电压进行分析，来获取对磷酸铁锂电池充放电的基本认识，为开路电压法分阶段进行电池荷电状态估算做研究基础。电池在低倍率充电时采用恒流充电至3.6V，然后进行恒压充电至电流降至0.02A停止。测试条件是在25C以0.5C恒流充电至3.6V，然后搁置30分钟后再以1A恒流放电至2V。可以得到充放电特性曲线如图所示。图3.1 恒流充放电电压响应关系曲线从图中可以看出，在整个放电过程中，电压响应曲线分为三个阶段，首先起始阶段为陡降期，电压在几秒钟内平均电压打到3.3V左右，然后开始缓慢减小，减小的幅度很小，这个阶段占整个放电时间的八成以上，当电池的剩余容量在一成左右时，电压再次出现陡降期，此时与起始阶段电压变化趋势相比，时间较长，直至电压降至截止电压2V为止，而且电压降的幅度比起始阶段要大，起始阶段的幅度约0.2V左右，而此时的幅度则在1V左右。电池充电过程与放电过程响应曲线基本类似，两者呈现相反的方向，同样也分为三个阶段。总的来说，充电电压曲线略低于放电电压曲线，该现象主要是由于电池的浮点引起的。3.3 电池电压与倍率特性电池的倍率特性是研究SOC算法中的重要考虑因素之一，只有通过不同放电倍率的测试研究，才能得到真正有效的电池电压变化的规律，获取准确的电池模型。测试采用恒流恒压充电法，一方面使充电时间缩短，另一方面可以保证试验电池的安全性，在实验过程中，采用七种不同的放电倍率对电池进行恒流恒压充电，在后期采用较小的电流充电至截止电压，以保证电池处于充满状态，而且小电流不会引起温度升太高而影响到电池的性能。3.3.1 恒流充电时端电压的变化根据测试可以得到电池在不同充电倍率下的电压响应特性曲线如图所示。图3.2 不同充电倍率下的电压响应曲线由图中可以看出，磷酸铁锂电池小电流充电时需要三小时左右，而大电流充电时仅仅需要二十分钟，对比来看，为了提高充放电实验的效率，在较短的时间内完成对电池性能的测试，通常在生活中采用大电流充电的方法对电池进行充电。3.3.2 恒流放电时端电压的变化根据测试可以得到电池在不同充电倍率下的电压响应特性曲线如图所示。图3.3 不同放电倍率下的电压响应曲线由图中可以看出，磷酸铁锂电池的工作电压变化与电池的放电倍率之间存在着密切的关系，在不同的放电倍率下电池的端电压曲线的变化规律一直，但是变化的速度是有所差别的，特别是在起始阶段和放电末期，电压的变化趋势是呈一定斜率的直线，若求出该段的斜率大小和电压值，便可以计算出对应的SOC值，从而可以通过检测电压趋势的变化来获得电池剩余电量的估算。3.4 电池容量与倍率特性电池的容量标定与电池的放电倍率有很大的关系，通过在不同倍率下进行电池容量的分析，来获取在一定倍率下电池的可用容量，从而获得电池容量的标定值，确定标定值后，便可以估算出相应的SOC值。在电池整个充放电过程中，由于不同充放电倍率对电池本身的温度也有一定的影响，从而造成不同充放电倍率下的容量差异，给实验带来误差。3.4.1 充电倍率与电池容量在不同的充电倍率下，获得可用的电池容量值不同，得到的曲线如图所示。图3.4 充电倍率与可用容量的关系曲线电池在整个充电的过程中，整体趋势是电池的充电倍率越大，电池的可用容量逐渐减小，从图中我们可以看出，磷酸铁锂电池进行低倍率充电时，随着电流倍率的加大，实际容量稍微变大，直到在0.7A左右时，可用容量开始下降，随着倍率的增加而降低。由此可以得出电池在充电的低倍率1C下时，充电的倍率对温度产生敏感作用，时电池内部的活性增强，电池内部的吸收能力随之增加而使可用容量有所上升，但当电池充电超过1C倍率后，由于电池的内部活性已经稳定，不再回因此而增加，此时，充电倍率的增加直接导致充电效率的降低，最终使得可用容量下降。3.4.2 放电倍率与电池容量在不同的充电倍率下，获得可用的电池容量值不同，得到的曲线如图所示。图3.5 放电倍率与可用容量的关系曲线在电池低倍率放电过程中，发现可用容量随着放电倍率增加而逐渐增加，并且增加的速度逐渐减慢，当倍率达到2C时，放电倍率的增加不再是可用容量增加。通过对试验曲线的分析，在低倍率放电时，可用容量的增加主要是由于电池的放电过程中大电流产生的热量，使电池内部温度升高，电池的内部物质反应效率增加，从而放出更多的能量。而只高倍率放电的情况下，若电池的放电倍率超过一定值时，会损坏电池内部的反应平衡，同样也会对可用容量造成影响，导致在高倍率时电池的可用容量下降。3.5 温度对电池性能的影响为了能够准确的判断温度对可用电量的影响，下面分别在五种温度条件下进行充电和放电试验，并且计算整个过程中充电电量和放电电量，并对数据进行统计得出充放电电量与温度的曲线关系。3.5.1 充电电量和温度的关系电池在充电过程中，电池内部的活性因子对充电电荷的接受能力随着温度的变化而变化，为了准确研究电池充电电量随着温度变化的规律，对电池进行不同温度下的六种充电倍率实验，可以得到温度与充电电量的关系如图所示。图3.6 不同充电倍率的温度与充电电量关系曲线从图中可以得知，充电的电量随着温度的增加而增加，在0C以上，电池的充电电量随温度的增加变化缓慢，在0C以下，电池的充电电量谁温度的降低而迅速减小。因此，磷酸铁锂电池在低温的性能很容易变差；从充电倍率的角度来看，充电倍率越低，电池可接受的充电电量就会越大。因而，在同一温度下，电池在低倍率情况下能给电池充入更多的电量。3.5.2 放电电量与温度关系在不同温度下，研究电池放电电量的变化趋势，对电池在五种温度下分别进行不同放电倍率实验，可以得到放电倍率与放电电量的关系曲线如图所示。图3.7不同温度的放电倍率与放电电量关系曲线从图中可以得知，在10C以上，电池放电的电量受放电倍率的影响较小，而受到外界温度的影响较大，在10C以下，电池在不同放电倍率会很大程度影响电池的放电电量，因此电池在低温条