摘要：本文分析了储能电池的市场和技术，对不同种类储能电池的特点进行对比分析，同时提出了储能电池技术的发展目标。
关键词：电池；电池储能技术；电力系统
前言：传统化石能源的日益匮乏和环境日趋恶化，对我国新能源产业的发展提出了迫切要求。“十一五”期间，我国光伏产业以超过100%的年均增长率快速发展，风电产业在2006～2009年累计装机连续4年保持翻番增长。但风电、光电等新能源发电自身所固有的间歇性、不连续性和不稳定性等特征，使得大量的风电设施装机后无法发电上网。据统计，我国目前完成的风电装机总量只有约20%实现并网发电，许多风电场经常发生“弃风”、“停机”现象，我国风力发电场的平均弃风水平是欧洲水平的3倍。如何真正做到有效利用发电成为了市场关心的重点，而高效储能技术正是实现风电、光电等新能源普及应用最有效的核心技术，被认为是支撑新能源普及的战略性技术，得到各国政府和企业界的高度关注。
1储能电池的市场
1.1储能电池用途
储能电池技术是实现从功率传输到电量传输的转变，从输电网到能源网转变的一种前沿技术。储能电池的应用主要有以下几种：（1）用户侧基于峰谷价差的储能应用；（2）风光电接入侧的储能应用；（3）平滑机组输出，改善电网调峰调频能力；（4）分散式中小规模的储能应用；（5）分布式应用。储能技术的应用不同，对储能电池的要求也各不相同。在用电端，用户有互动性需求，一般要求达到千瓦级别储能电池。在配电端，可进行输配电网增强/电力线增容，需要达到兆瓦级别储能电池。而在发电端，储能的应用关注点在于电网负荷调节，以平滑可再生能源的间歇性需要数十甚至上百兆瓦级别的储能电池。
1.2储能电池市场规模
风电方面，根据国家能源局、工业与信息化部等多个部委参与的《新兴能源产业发展规划》，我国风电装机在2020年将达到150 GW。若配套储能的功率按照风电装机容量的20%计算，约为30 GW。如果储能装置单位千瓦造价按照3 000元/k W计算，至2020年的近10年间，储能电池的市场规模约为900亿元。
光电方面，虽然已出台的《光伏“十二五”规划》中未提及我国光伏产业的装机目标，但根据我国现有的光伏产能，预计到2020年，国内的光伏装机容量目标将达到30 GW。若配套储能的功率按照风电装机容量的20%计算，约为6 GW。如果储能装置单位千瓦造价按照3 000元/k W计算，至2020年的近10年间，储能电池的市场规模约为150亿元。到2020年，仅风电和光电领域，储能电池的市场规模就将超过1 000亿元。
2 储能电池管理系统BMS的系统组成与功能介绍
BMS架构示意图 储能系统示意图
电池管理系统（Battery Management System，BMS）是由电子电路设备构成的实时监测系统，有效地监测电池电压、电池电流、电池簇绝缘状态、电池SOC、电池模组及单体状态（电压、电流、温度、SOC等），对电池簇充、放电过程进行安全管理，对可能出现的故障进行报警和应急保护处理，对电池模块及电池簇的运行进行安全和优化控制，保证电池安全、可靠、稳定的运行。
电池管理系统硬件主要由BMU、BCMS、BMSC、HMI本地监控单元以及DMU组成，BMS采用树形管理模式，并支持EMS/SCADA等上位机主站软件管理和调度。各部分主要功能如下：
⑴第一级管理单元为BMU（电池模组管理单元）负责采集管理单体电芯的电压、电流、温度信息并上传给BCMS，并管理模组内的单体电池，实现单体电池均衡功能。
⑵第二级管理单元为BCMS（电池簇管理单元）负责采集簇内电池模组的电压、电流、温度等信息并打包上传给BMSC，并管理簇内电池模组，实现簇内均衡功能。
⑶第三级管理单元为BMSC（电池堆管理控制器）负责采集堆内电池簇所有电池的电压、电流、温度等信息并进行数据分析，作出控制和保护策略以及外部通信，并管理堆所有内电池，保存系统运行历史数据，绘制系统运行的功率、电压、电流、发电量、电池信息等实时或历史数据曲线。
⑷辅助管理单元DMU（直流检测单元）负责采集每簇直流电压和电流，并检测直流母线的绝缘状态，并将数据上传给BCMS。
⑸人机界面HMI负责本地显示、查询电池堆、簇、模组的运行状态及单体电池信息、告警信息，可以设置保护阈值、通信参数等，并可以执行调试相关功能，如自检及标定。
3储能电池技术分析
目前主要的储能技术有机械储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）、电化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂离子电池等）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器等）。按储能规模划分，则可分为1～10k W级的飞轮电池和超级电容器等，10 k W～10 MW级的铅酸电池、锂离子电池和液流电池等，以及10～100 MW级的抽水蓄能和压缩空气储能等。不同储能技术特点各异，其性能指标主要包括能量密度、功率密度、充放电速度、循环寿命、响应时间等，应用时根据不同技术情景需求，综合比较选择适宜的技术。目前在电力系统中除抽水蓄能外，应用最多的是化学电池储能。
现就不同原理的电池特性比较，讨论在电力系统应用中几种常见的电池。
（1）铅酸电池：铅酸电池是由海绵状铅为负极、二氧化铅为正极以及电解液构成的蓄电池。正负极的隔离是由微孔状材料进行分隔的，全部组成因子都在水硫酸电解液中发生的化学反应。
（2）液流电池：液流电池是所有电池类型中，使用寿命最长、反应速度最快、功率最大、氧化还原反应时间最短、电解液易更换的蓄电池，它的缺点就是容量体积较大。
（3）硫化钠电池：硫化钠电池是由熔融硫作为负极，纳离子作正极组成的固态电解质电池。利用氧化铝固态电解质与陶瓷之间进行分隔，在整个过程中，正极的钠离子处于主动地位，让正极的钠离子通过隔离带与负极的熔融硫，发生化学反应生成多硫化钠。运行过程中产生的热量温度在300摄氏度左右。
（4）锂离子电池：正极层状结构的碳和负极锂因子的金属氧化物是构成锂离子电池的组成部分，电解液的作用是发挥在有机碳酸酯的锂盐溶解中。具有重量轻、尺寸小的特点，还可以提供高能量密度，拥有近百分之百的存储效率，但造价成本高、制造工艺复杂、过放电影响使用寿命。当前锂电池产业化上有长足发展，单位制造成本大幅下降。在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机占比最大，超过75%。根据《中国新能源汽车动力电池产业发展报告（2017）》研究数据，磷酸铁锂是主力配套电池72%，三元锂电池23%，锰酸锂电池4%，钛酸锂电池1%。
4储能电池的发展目标
以需求为导向，根据不同应用领域的实际需求发展相适应的储能电池技术；低成本、长寿命、高安全、易回收是储能电池技术发展的总体目标。
储能可在诸多方面发挥重要作用，比如电网调峰调频，平滑可再生能源发电波动，改善配电质量和可靠性，基站、社区或家庭备用电源，分布式微电网储能，电动汽车VEG模式的供能系统等。储能应用的场景不同、技术要求也会不同，没有任何一类电池能够满足所有场景的要求。因此，要以需求为导向，根据不同应用领域的实际需求发展相适应的储能电池技术。
当前储能技术成本高，经济性欠佳是共性问题。储能技术成本降低可以分为四个目标阶段。
当前目标：开发非调峰功能的储能电池技术和市场，如电动车动力电池市场、离网市场和电力调频市场；短期（5—10年）目标：低于峰谷电价差的度电成本；中期（10—20年）目标：低于火电调峰（和调度）的成本；长期（20—30年）目标：低于同时期风光发电的度电成本。
尽管目前利用峰谷电价差发展储能的商业模式颇受关注，但这可能是个伪命题，短期内可行，长期看来并不可行。原因在于，随着储能技术成本的下降，电网的峰谷电价差将越来越低。未来只有当储能成本低于火电调峰成本后，储能装备才可能作为重要补充，纳入到电网调度系统。
现有类型储能电池存在潜在危机。钠硫电池，陶瓷管的老化破损带来的安全性问题。铅酸（铅炭）电池，铅精矿15年左右开采完毕；低成本高污染的回收环节。全钒液流电池，系统效率低于70%的“天花板”；有毒的硫酸钒溶液；隔膜对于电池倍率和电解液循环寿命不能兼顾；系统复杂，运行可靠性存在问题。锂离子电池：现有电池结构回收处理困难，成本高；电池存在安全性隐患，应用成本偏高。
5结语
我国储能电池的技术与国外先进水平相比仍存在较大差距，还需要相关科技人员的努力。电池储能技术由于其自身的优势，已引起电力工作者的高度关注，国内外的研究和应用力度在不断加大，其必将在智能电网构建中发挥巨大作用．
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论文作者:邵锋令
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：电池论文; 储能论文; 技术论文; 成本论文; 流电论文; 电网论文; 风电论文; 《基层建设》2019年第12期论文;