锂离子电池在储能系统中的应用

说锂离子电池在地理储能里面到底是什么情况，这是从储能联盟里面拿到的数据，这是统计的2000年到2018年的，从这里面来看，全球的累计储能装机是180GW，这里面抽水蓄能是占了94.3%，抽水蓄能是第一位的，这里面电化学储能是排在第二位的，有专家讲说其他的储能排的位次，可能每年这个位次后边这几位还是会有一些差别的，但是抽水蓄能是稳稳的站在了第一位，后面几个会有一些排名的次序变化。

— —北京交通大学电气工程学院副教授孙丙香

8月8日，由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开，北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“电化学储能”分论坛上，北京交通大学电气工程学院副教授孙丙香作“锂离子电池在储能系统中的应用技术”报告。

北京交通大学电气工程学院副教授孙丙香

以下为发言实录：

北京交通大学电气工程学院副教授孙丙香：希望我的报告给大家一些启发和收获，我的PPT还是自己重新做的，因为我原来做的工作可能在电动汽车，在电力储能里面的应用没有专门做这方面的PPT，所以我的讲稿是自己赶制或者说重新编排的内容，希望对大家有所启发。

我本人毕业于中科院电工所，原来也是做锂离子电池的成组应用研究，主要是做电池管理系统应用软件，硬件部分涉及到一些，但主要是跟平台有关的，我做的工作大部分是跟BMS软件相关的内容。我现在的工作单位是北京交通大学电气工程学院新能源研究所，这是其中一个名字，另外一个名字 我还是能源局下属的一个主动电网技术研究中心，当然我们还有其他的一些挂牌资质，我这里面没有加那么多的介绍，我们还是中车铁路系统绿色动力分院的一个成员单位，因为我们的工作最开始的时候是在电动汽车领域，后来是在轨道交通领域，当然电力储能里面我们也有研究，这三个领域我们都有涉及。

从这么几个方面给大家介绍一下，因为前面几个专家介绍了各种各样的电化学储能比较多，我看了一下可能我们这个论坛我是唯一讲锂离子电池的。首先，给大家介绍一下锂离子电池的定义和分类，然后应用现状。我重点其实想强调一下锂离子电池的优化配置与优化管理。

锂离子电池是我们通常说的锂电池当中的一种，刚刚金钟老师讲的锂离子电池负极是金属，和锂离子电池是不一样的，为了区别电池是锂金属或者锂合金的电池，我们通常称它为锂离子电池，我们用的很广，大家的手机、笔记本电脑、电子产品用的比较多，大家叫的时候都是叫锂电池，没有区分那么细，在家说我在用的是锂离子电池感觉有点拽。

锂离子电池是靠锂离子在正负极之间进行移动来产生充放电的这样一个过程，也就是说在两极之间，通过嵌入和脱嵌来实现充放电的，它的组成部分，我这里边的图是一个磷酸铁锂的结构，包括正极材料、正极的集流体，就是收集电流的金属部分，负极材料、负极集流体等几部分。通常我们研究的电池形状上会有这样一些，它充电的时候锂离子是从正极嵌入到负极的，放电的时候是负极嵌入到正极。分类有很多种，大家怎么说都行，一般按正极材料我们会分成钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料，会分成这样几种，三元材料里面可能会分成镍钴锰、镍钴铝，特斯拉的车里边装的是松下的NCA的，它的单体的能量密度更高一些。比如说我们手机或者笔记本电脑里边用的电池，钴酸锂正极材料的会多一些，因为钴酸锂它的能量密度高一些，这样同样电量会轻一点、体积也会小一点，会放到手机或者笔记本电脑里面。当然钴的活性是比较强的，所以经常会有一些山寨的电池爆炸了，所以说如果说工艺控制的不好，它的安全性还是有隐患的。如果按照负极材料分的话会分成石墨和钛酸锂，所以经常大家有时候听到说现在有一种电池叫钛酸锂电池，实际上它的正极可以是我们这其中的任何一种，但是它负极钛酸锂，然后强调它的特殊的负极，所以我们叫它钛酸锂电池，实际上叫它三元电池材料也可以，是按照什么材料去分。

通常我们用的材料里面石墨负极更多一些，按照性能来分，一般会分成能量型和功率型，还有能量、功率兼顾型，可以理解成像我们长跑、短跑一样，功率型就可以认为短跑比较厉害，但是比如说让你跑个5千、1万跑不了，但是速度可以很快、功率可以打一点。能量型就是说，我这个能量挺多的，但是你让我短时出大功率出不了形状可以分成圆柱形、棱柱形、软包袋形，软包袋形，国外的专家会这么分，通常我们会把这种软包袋形电池叫软包电池。卷绕式像这种圆柱的多半都是卷绕的，有一个隔膜，然后正极极片、负极极片，三个长条叠在一起卷起来就行了，这种结构比较简单，成本低一点，但是有一个缺点，散热不太好散，卷起来以后如果援助的直径比较大一点，中间的芯不太好散。叠片就是一个大长条的隔膜，一片正极片、一片负极片这么叠上去的，一个软包电池可能里边的叠片会有20、30、40，几十对的极片，相当于这些极片是并联的，形成大电池。所以现在电池建模很多人会说，要是把这里面每个极片，微观的极片都建起来的话，一个电池单体就建成30度极片是不是能建的更准，有人在这么做，比如说发热我也这么做是不是更好一点。

这是锂离子电池的定义和分类，大家有一个概念，因为有很多人可能不是研究这个领域的。关于它的应用，在消费电子领域它的市场量是最大的，我们通常说的小电池，容量比较小的，区别于消费电子用的电池我们经常会说叫动力电池啊，实际上动力电池最开始是用在交通工具、一些电动工具有驱动场景的时候，我们把这种电池叫动力电池，相对来说它的容量数会大一点，然后才是在车用，就是在汽车领域的应用，实际上在电力储能领域的应用目前是排在第三位的，这是2017年的数据，现在也差不多是这个位次。就是说现在其实是依靠消费电子和汽车领域的一个市场量在拉动电力储能的量，就是说形成规模经济了、成本下降了，才逐渐开始在电力储能领域开使用了。现在是这样一个位次，其他的有一些比例，这个比例就更好一点了，这是市场的排名。

说锂离子电池在地理储能里面到底是什么情况，这是从储能联盟里面拿到的数据，这是统计的2000年到2018年的，从这里面来看，全球的累计储能装机是180GW，这里面抽水蓄能是占了94.3%，抽水蓄能是第一位的，这里面电化学储能是排在第二位的，有专家讲说其他的储能排的位次，可能每年这个位次后边这几位还是会有一些差别的，但是抽水蓄能是稳稳的站在了第一位，后面几个会有一些排名的次序变化。电化学储能其实是一个上升阶段，这个是电化学储能里边的一个排位，锂离子电池86.3，是电化学储能里边排位第一位的。其次是钠硫电池、铅酸蓄电池，就是说铅酸蓄电池现在在全球的储能里边还有一定的市场量。

我也听一个院士讲过，他也在呼吁说铅酸电池也不能说因为它油污染就一棒子打死，如果是做一些改良的话，它还是有一定的市场量的，如果是再回首和降解阶段做的比较好的话，其实对环境的友好性还是可以接受的，这是全球的情况。

看一下中国的情况，2000年到2018年的时候，咱们整个装机累计是31.3GW，其中锂离子电池，这里边咱们这个电化学储能现在也是排在第二位的，其中锂离子电池的比例是70.7，我们这个电化学储能排第二是液流电池、第三是超级电容，我们国内铅酸电池的市场量几乎没有，这是跟全球的排位有差别的地方。从这张图上可以看出来，中国的电化学储能是2017年到2018年有一个非常大的飞跃，整个年增长率是175.2%，2017年到2018年增量。

针对于锂离子电池用于储能系统，其实从我们科研的角度，这个是我自己总结的，就是说研究的方向，应该说是有一些平台建设的，比如说一个标准平台测试维护，这是一些研究的点，还有关于电池建模和虚拟基础，刚才李鑫老师也讲了全钒液流电池的建模，我们也做了锂离子电池的建模。同时，我们现在承担了一个跟中国汽车研究中心承担了一个重点研发项目，是基于虚拟电池进行BMS的测评，就是拿实际电池测BMS成本太高了，工况的复现率也不是很好，还涉及到成本、安全性、耗时性，所以我们基于虚拟技术做虚拟电池，就是把模型做的很准，然后你让电力电子模块出工况，来模拟电池，然后可以去测BMS，这是第二个点。

第三个点，其实是优化配置和经济性分析，我觉得在哪个领域用都有，刚开始说我们最开始用是在电动汽车领域，然后是轨道交通，现在我们在跟中车那边做在铁路系统，复兴号里边去标配替换一些锂离子电池，包括改造一些机车，把它改造成混合动力的机车，我都涉及到怎么去配置的问题，在电力储能里边我们也同样涉及这个问题。但是我们看到的很多其实学术论文里边关于配置，大家做的都比较随意，一会儿我会讲，如果真的想把这个配置做好的话要考虑哪些因素。下边的这些关于SOC、SOP，然后我有SOH和SOT，这些是电池的一些状态参数，那就是核电状态、功率状态、热量状态、健康状态，这个是跟电池的运行有关的，就是电池运行过程当中我要考虑这些参数。同时也要考虑在电池使用过程中怎么样给它进行优化充电，现在我看咱们华电院里也有充电桩、也有电动汽车，但是那个是慢充，我没有看到快充桩，如果有快充桩，如果冬天这个车经常快充，你的电池就会衰退的特别快，所以这就涉及到怎么给电池充电能够尽量延长电池的寿命。

还有安全性现在也是一个非常突出的问题。前一段时间像蔚来召回了很多车，因为它用的是ATL的电池，后来焦点落在说了因为电池的线束和电池箱的匹配不够好，而导致了电池外短路，所以最后导致了车辆热失控车辆自燃。当然这个原因大家也没办法核实，因为这是他们双方给出的结论。所以安全性，包括现在一些储能电站安全性也比较突出。

现在我们在做广义电池管理技术，光是现场的电池管理存下来的数据非常有限，我们引入大数据、云平台、人工智能，都是非常火的一些词，但是这个确实挺热的，我可以把一些数据发回到监控中心，利用我的大数据平台进行一些离线的数据分析，可以对在线的数据进行一些修整，我们把这部分叫广义电池管理，就是不是通常意义上我们说的点。

我也仔细分析了一下，储能技术用在电动汽车里车载储能和电力储能有什么不一样，对电池系统而言。现在车用系统大家通常会说有“四座大山”：安全、成本、续航、寿命。这“四座大山”压的搞研究的人喘不过来气，当然任何一个行业的发展肯定都是机遇和挑战并存的，不可能什么挑战都没有。如果对应过来其实在电力储能领域不存在续航的问题，实际上对应过来是能量和功率的参数，比如说要是调频的话，可能对于功率的性能要求比较高的这种场合，电池的功率性要求就高一点。如果是削峰填谷或者是新能源消纳，可能我的能量就会占主导多一些。如果是再细分它的不同，用在电力储能里面不涉及到移动式的可靠性问题，就是说如果是车用的话电量没有了，你这个车会涉及到抛锚的问题或者动力不足的问题，会涉及到移动设备可靠性的问题，但是如果作为固定式储能，电量没有了大不了不运行，但是不会涉及到可靠性问题。另外，储能系统的温度控制的比较好，通常是在一个密闭的空间里，比如说一个房子里面或者一个集装箱里面，我的温度可控，我可以加入一些温控措施，但是在车用的里边，这个温度就不太好控制的那么好，因为它的空间太狭小了，你做的热管理其实都是在有限的范围内发挥作用，这个还是有一定差距的。

还有一个是，作为电力储能来说，电池的使用区间和车用是不一样的，就是说我在电力储能里边可以尽可能多的用能量，以经济最优为目标，车载储能我要考虑工况需求是不是满足要求，他们两个使用区间上还是有些不一样的地方，这是一些不同。同时这个电池退运的条件也不同，所以在储能系统里边用的话，比如可能我衰到50%可能也还能用，大不了出的能量功率少点，但是也还能调。但是车用阶段可能衰到50%，动力性能满足不了要求了，就没法再开了。这是我分析的一个情况。

如果说对于现在主流的几款电池，比如说磷酸铁锂、三元、钛酸锂这三种电池现在应该说在锂电池研究领域非常热的三种电池。他们的优势和劣势，我没有拿具体的数量，直接定性的来比较。这里面的能量密度三元是最高的，因为三元在小车里边、轿车里边用的特别多，因为能量密度高，有限的体积里边放的电量比较多。三元材料致命的弱点是说，它的安全性是最低的，如果说三元里边把镍提高的话，比如说以镍钴锰为例，把镍提高它的能量密度就提高，但是安全性会下降。所以说能量密度和安全性是一个不能兼得的鱼和熊掌。如果从价格来说，钛酸锂是最高的，现在钛酸锂电池在轨道交通里边用的比较多，因为轨道交通要求可靠性甚至比汽车要求的还高，钛酸锂安全性要好一些，钛酸锂的低温性能比较好，零下20、30度的时候还能比较好的来出力，所以考虑这两个优势，钛酸锂现在在轨道交通领域用的比较多。三元是在轿车里应用的比较多，磷酸铁锂现在是在一些大型的商用车，比如说公交车这种大型的车辆，或者是电力储能里边磷酸铁锂用的比较多。这里边磷酸铁锂价格是是最低的，其他的性能都是中，就是说也像我们生活中一样，不可能每个人全是优点、没有缺点，兼顾它的优缺点来看，它挺好的，因为价格比较低。价格低到什么程度呢？现在批量价格大概7毛/瓦时，就是700元/度电，但是如果说是小批量的，说我实验室做一个测试，就想买3块电池，人家还不一定卖你，这是批量价格，你要买就买3块电池，你说给人家2000元/瓦时行不行，人家也不卖你，电池厂不这么这种小批量的卖，电池管理系统的价格0.05元/瓦时，预计到2025年磷酸铁锂电芯的批量价格0.36元/瓦时。磷酸铁锂在电力储能领域的应用量会比较大。

关于热时空，刚才分论坛三杨凯博士应该有专门讲到关于热失控的问题，所谓热失控由于整个电池的温度升高到某一个温度的时候，升高了以后，升高到某一个触发的温度的时候，它就自己产生了一个正反馈发热的过程，然后自己就失控掉了。引起热失控的原因有好多，比如说由于环境温度和工况共同导致了电池温度超高，这也会导致。还有内短路、外短路，因为一短路的话它的发热量就会急剧增加。还有一种情况，这个是清华的一个研究结果，就是说正极会释活性氧，也会导致热失控。最后出现冒烟、起火、爆炸这样的隐患，所以在安全设计、安全预警和安全管控上，很多单位大家都绞尽脑汁的做这个事情，但是想做好真的很难。

刚刚说到优化配置这个问题，作为一个储能系统而言，想要达到系统级别肯定是很多单体串并联成为电池组，才能够发挥作用。这是特斯拉的Model S的电池，松下NCA 74pA6s，这是车上的一个储能的组成，上面的表是北京市的电动公交车、环卫车车载储能的规模，下边的这个是咱们张北的风光储基地，比较早期的第一批电池的，有不同家的，中航锂电、ATL、比亚迪、万象四家，储能的电压登记更高一些，车载的这种，大巴车的这种电压更高一些，轿车相对低一点。它的电池组的最高电压也是在592到920V，电压也是挺高的，有的电压大概在750—800左右。因此说储能系统是由大量的单体锂离子电池组成的，通常大家能提高电压就提高电压。

咱们很多文献上都在讲说我怎么去优化配置储能系统，但实际上我们考虑的因素并不够。如何优化和配置储能系统呢，我觉得应该考虑电池特性和工况需求的对接，就是大家通常考虑电池的特性的这块考虑的比较少，你对电池的评估有限、不够多，就随意的配置了一下，有点像导师们知道学生的时候，根本不管这个学生能不能完成这个任务，我就直接把这个任务派给他，就让他完成好了，最后的结果是他完不成，可靠性就下降了。

简单过一下，锂电池有什么特性呢？不同的温度下的时候它表现出来的充放电的容量是不一样的，一般温度越低的时候充放电容量越小，有最适宜的温度。倍率对它的影响，电流高话的能充进去的容量也越小。同时有上下限电压区间的，有一个额定电压还有上限电压、下限电压，工作的过程中它是在一个电压区间内变化的，这个电压不是恒定的，而且还是非线性的，这跟我们通常的，比如说跟超级电容的电压完全是不一样的，超级电容的电压如果没有相变，它会随着充电时间是一条线性变化的。

不同的电池、不同时间尺度、不同温度的话，能够提供的峰值功率也是不一样的，比如说你想让它提供某一个时间尺度的，比如10秒、20秒、30秒、50秒的，他能够提供最大的峰值功率是不一样的，而且各种条件下不一样。所以你在去配置电池的时候或者是在做控制策略的时候，你要充分的考虑到电池的能力，这个图也是我重新画的一个图，如果说有一些考虑不周全的地方，因为大家都是从各个角度来去研究这个储能系统的，大家也可以去完善。通常可能我们会，如果我先不看这个箭头，我就从这边开始，一般的我会先给个全寿命周期能量功率的要求，根据这个工况的要求我来选择，就是说这个电池的温度范围，还有退出的条件和使用区间我要选择一下或者确定一下，这个条件确定了以后，我还得要知道你的电压等级是什么样的，比如我就是750V的额定电压，我就可以去根据这些条件去确定电池的选型，选什么容量的、什么能量的、倍率的，还有标准工况下的寿命次数是多少次，串并联方式是什么样，就可以定下来。定下来以后其实最终我要算它的成本和收益，我做完了之后，说我这个成本包括哪些呢，可能这个成本不仅仅包括电池的成本，还包括代维的一些设备，比如变压器、PCS、还有电池架一些辅助的东西，整个购置成本要算一下，能耗的计算，比如说你要从电网充进来的电再放出来，损失是很大的，有的专家说90%左右，其实90%有时候都到不了，所以一充一放效率损失了很多，这个地方有一个耗电的成本。

另外后期维护这个维护成本也很高，如果你用新电池还可以，如果用梯次利用电池维护成本比较高。区间寿命模型，建立电池的区间寿命模型，可以确定使用年限，这个使用年限对成本计算非常重要，收益跟你的应用场景是有关的，比如说我这个是以削峰填谷的价差来套利来写的，这里边比如你的峰值价差就是你的收益之一，折算补贴也是你的收益之一，还有你可以延缓电网的建设扩容，减少网损，还可以有环境收益，还有残值计算，以寿命为年限计算净收益，你可能觉得这个净收益不太可观可以重新调整这个参数重新进行优化，最后配置出来的东西有可能会是多次闭环优化，就是你在满足工况的条件下去以经济性最优为目标得出来这个配置。

关于锂离子电池的优化管理，通常我们要怎么做呢？说怎么样进行优化管理。电池特性和管控策略的一个对接，比如说他刚才说了有些参数必须得保证在合理的范围内，你的电池管理要加一个管理系统的话，管理系统必须保证参数不超限。他有什么功能？就是说我们通常要加一个电池管理系统，电池管理的功能一般要实时的监测一些参数，估计电池的状态，优化它的效能，延长寿命，还有上传信息这样的一些功能，就是通信的功能。这个细化的话，比如采集参数要采集哪些、数据处理有哪些、估算有哪些、通讯有哪些。

电池管理系统中其实参数是很重要的，这里边我也拿出这四个参数，SOC相当于是基准参数，因为对于整个系统而言最关心的是能量和功率，但是SOC通常作为刻度参数和基准参数，SOH是维度，随着电池衰退这些参数会变的，是一个维度。要想把参数记得准，通常要有符合需求又描述准确的参数定义，还得有高精度的参数分析方法，要想去验证这个方法估计的准不准，还得有合适的测试方法和数据模型获得基准值，来去验证自己的方法准不准，还得有可复现的工况来对比精度。

关于SOC的定义我稍微说一下。SOC的分母用的容量值到底是什么时候的容量值，大家一直很纠结，因为不同温度的情况下容量不一样，所以我的分母到底用哪个。索性我们做了一个标准，我们跟中汽中心一起做了标准，电动汽车电池管理的标准，我们把分母就做了一个归一化的处理，我就只有25度的作为分母，其他温度下所用的区间，就是25度所用的区间中间的一些区域，比如零下20度的时候用得相当于25度时候的14%到87%，这是我做的归一化的处理，我们标准也是这么些的。这个图说的是一致性的问题，就是说电池组里边如果每个电池的容量和所处的位置不一样，整组所用的是交集。SOC的估计方法也有很多各种各样的方法，估计精度现在工程上用的方法其实还是以安时积分法结合电压修整，就是说我们的卡尔曼滤波或者我们一些观测器的方法，可以在某些特定条件下修整，但是不能一直用这种方法。

关于SOE的定义也是很纠结，大家不知道怎么定义，我们现在的方法定义，以放出来的能量来去定义，我的分母以放出来的能量，因为这里面E1、E2、E3三个值都不一样，只有E3可用，E1不可用，最后我们用的E3来做的。现在有很多方法，也有自己的优缺点，现在也是基于功率积分和基于功率查表是比较可行的，这个是关于峰值功率的定义，因为峰值功率通常定义固定时间窗口内的一个电池极限充放电的功率，它会受到很多参数的限制，我们在电池管理系统标准上面给出的是恒功率测试的情况，我在某一个特定的条件下，我同功率的情况下来测试，这样就可以得到一个横轴是充电时间、纵轴是功率的曲线，我可以做一个拟合，找到我所要的那个时间段所对应的峰值功率是多少。我们标准上也是这么些的，我们也发了论文。

SOP的测试和估算其实是有一些，比如说美国的测试手册里面基于HPPC的计算值，还有日本的JEVS的测试，还有美国USABC手册的测试，有很多值，但是这个值可能会有跟我刚才用功率测试的情况还是有一些误差的。估算方法也有很多，比如基于曲线拟合的，还有MAP图法的，还有黑箱模型的，还有基于约束参数的。

说到SOH，现在这个也是除了安全性以外寿命这个事情也是业内最关心的问题，第一是安全性，第二是寿命，所谓的健康状态就是衰退之后的参数跟起始参数之间的关系，把它定义成SOH，表征的时候大家也众说纷纭，有基于能量的、基于内阻的，如果说是偏功率型的电池我们用内阻来表征，或者干脆用峰值功率来表征，这个行业里面还没有，我们现在也在起草另外一个标准，就是车用的另外一个标准。

这个估计方法也有很多种，各种各样的方法。我要提一点是说，电池现在是在不同的使用区间的时候它的寿命次数还是会差很多的，我们做过很多实验，比如说我这里边有间隔的区间的实验，还有一些实用区间的实验，还有基于电池相变区间循环的实验，会发现这些衰退的路径和循环次数有很大的差别，我们现在也在想办法用分区间的一些衰退来去预测任意区间的衰退，因为我在用的时候不知道用哪个区间好，我测了一些数据之后，我用这个区间的数据去拟合任意区间的，我看这个区间拟合之后哪个寿命去进最长。

感谢大家的聆听。（以上内容根据速记整理，未经嘉宾审核）