高寒高海拔地区微网储能锂电池系统设计研究

高寒高海拔地区微网储能锂电池系统设计研究

彭行圆

东莞新能安科技有限公司，广东，东莞，523808

摘要：本文以微网储能锂电池作为主要研究对象，在对其性能进行探究和分析的基础上，对其在高寒高海拔地区的应用系统设计提出相应的优化策略。目的是为相关从业者的工作提供一定的借鉴与参考，不断提升微网储能锂电池的性能，从而为高寒高海拔地区的发展提供相应的技术支撑与保障。

关键词：微网储能锂电池；高寒高海拔；系统优化；设计分析

引言：微网储能锂电池具有较高的安全性，再加上其使用寿命比其他电池较长，目前已广泛应用在高寒高海拔地区的光伏发电中。而如何加强该储能电池系统对该类环境的适应性，进一步提升高寒高海拔地区的光伏发电利用率，已经成为了相关人员所关心的主要问题之一。

1微网储能锂电池的性能分析

1.1微网储能锂电池的类型

高寒高海拔地区的太阳能稳定性较差，且离网光伏等电站对电力的容纳量与消耗量一直维持在一个较低水准，因此高寒高海拔地区的光伏发电并未从真正意义上上得以实现。要想改变这种现状，就必须利用微网储能锂电池来增强高寒高海拔地区对电力的存储功能。基于寿命和安全性考虑，目前常用于此类偏远低温地区的锂电池类型为磷酸铁锂电池，电池的内部结构如图1所示。

图1磷酸铁锂电池的结构示意图

由图可见，磷酸铁锂电池的右侧为电池负极，与相应的集流体相连接。电池负极主要由碳组成，而集流体则是由铜箔构成的；磷酸铁锂电池的左侧为电池正极，由LiFePO4组成的，且其结构为橄榄石结构，而与其连接的集流体为铝箔；电池中间结构为隔膜，它不仅能将电池的正负两极隔离开，还能隔绝电子，使Li+顺利通过电池。

磷酸铁锂电池的工作原理为：当电池进行充电操作时，Li+会首先在电池正极脱嵌，穿过电池中的电解液和中部隔膜结构，到达负极后嵌入石墨中，从而顺利完成充电工作；放电时，负极中的Li+又会脱离出来，再次穿过中部隔膜与电解液，回到电池正极，从而完成相应的放电工作。

1.2环境温度与电池放电容量的关系

就现有研究数据显示，磷酸铁锂电池的低温性能偏差。比如，若该电池系统处于-20℃环境中，其实际放电容量大约维持在常温容量的70%左右，放电电压平台也更低。若环境温度更低，基于安全考虑，BMS会启动低温保护停止充放电。

产生这种变化的影响因素主要是电池内阻会随着环境温度的降低而增高，特别是极化内阻显著增加，从而降低了电池系统的电压平台与放电容量。

1.3高海拔与电池系统降额的关系

由于储能锂电池系统含有BMS和电气件，因此，应用在高海拔地区，基于绝缘和散热的考虑应该对电池系统做降额应用。这是因为高海拔区域一个显著的特征就是空气稀薄，大气压力低，试验表明，海拔每升高1000米，平均大气压降低7.7-10.5kPa，设备绝缘强度降低8%-13%。由于海拔越高，空气越稀薄，相同体积内的空气分子总数就越低，分子之间的相互作用力就会越低，阻碍空气分子电离的因素就越低，导致在施加同等电压的情况下，空气越稀薄的地方空气越容易被击穿电离，产生局部放电现象。为了使高海拔地区的电气设备具有足够的耐击穿能力，必需要增大电气间隙和爬电距离。如果是已经设计定型的标准产品，电气间隙已经固定，为了保证电气安全，高海拔区域必须用高容量的电气件替代低容量的电气件，也就是对电气件进行降额处理。

散热方面，同样是因为是海拔越高，空气越稀薄，相同体积内的空气分子总数就越低，空气分子之间相互传导散热的可能性就越低，导致在产生同等大热量的情况下，空气越稀薄的地方散热效果越差，电气件周围温升很快，相对于海拔每升高1000米，大气温度降低6摄氏度的影响可以忽略，所以为了保证电气安全，需要对电池系统进行降额运行。

2微网储能锂电池系统的优化设计

由于高寒高海拔地区的微网储能锂电池系统的实际性能很大程度上受到环境温度和海拔的影响，因此为了加强该电池系统性能，使其作用与重要价值能充分发挥在高寒高海拔地区，相关技术和研究人员必须加强对微网储能锂电池系统的调整与优化，具体可从三个方面进行操作。

2.1储能锂电池系统热设计

首先，为了能使磷酸铁锂电池能够作为高寒高海拔地区的电力储能系统，相关技术人员应对其进行合理安置，也就是放在集装箱中。与此同时，为了尽可能给该电池系统提供一个良好的运行环境，还应采用各种方式对集装箱进行保温操作，并在此基础上加大对该储能电池系统的温度保护力度，在集装箱内安装一定数量的空调系统。这样一来，相关人员就可在智能化与自动化技术的扶持下，利用空调系统对集装箱内的环境温度进行恒温把控，这样才能为该储能电池系统的长期运行提供环境支撑，不断提高该电池系统的运行稳定性与可靠性。

除了空调加热外，目前市面上有的厂家推出了液冷方案。该方案也可以通过加热液冷介质后实现加热电池的效果。这些热设计的举措对提升微网储能锂电池系统的低温环境适应性有重要意义。

2.2提高电芯低温性能

电池电芯是整个微网储能锂电池系统的关键和核心，也是该系统运行的重要保障，因此要想使该电池系统能在高寒高海拔地区实现高效运转，就必须对其电池电芯进行研究与创新，可针对该地区开发低温电芯。

比如，技术人员可以先从该电池系统内部的电解液入手，向其中添加一定量的低温添加剂，使电解液在低温环境中的性能得到有效优化与提升，从而提高低温充放电能力[1]。最新的技术显示，批量生产的低温电芯可实现-20℃充电，-40℃放电，从而大大减少低温环境对其的影响。

2.3电气件的选型和安规设计

常见的电气件是以2000m海拔的标准来设计，当海拔升高时，需要乘以海拔降容系数。因此在做高海拔地区专用的储能电池系统产品设计时，断路器、继电器、熔断器、隔离开关等电气件需针对海拔高度特定选型，以满足该海拔下的容量要求。

BMS安规设计应考虑高海拔带来的电气间隙和爬电距离的影响。根据GB/T 16935.1-2008标准[2]，表A.2明确了海拔与电气间隙的倍增系数的关系。 以 微网储能1500V室外柜锂电池系统设计为例，过电压类别选择II级，查表F.1，得出额定冲击电压6000V,污染等级选择III级，查表F.2得电气间隙：5.5mm，加强绝缘提高一个等级为8mm。考虑应用环境3000m海拔修正系数1.14，则设计的电气间隙应不少于6.27mm，加强绝缘间隙应不少于9.12mm。

爬电距离设计上，材料组别选择III，电压有效值选择1600V，污染等级选择III级，查表F.4，最小爬电距离：25mm，考虑3000m海拔修正系数1.14，则设计的爬电距离应不少于28.5mm。

结束语：综上所述，高寒高海拔地区的温度和海拔对微网储能锂电池性能发挥都有重要影响。因此为了增强电池系统在高寒高海拔地区的适应性，电池系统的设计可以从加强系统的热设计、提高电池的低温性能、按目标海拔进行电气件选型和BMS安规设计三个方面进行优化，从而使其满足工况运行要求。

参考文献：

[1]赵斌,呼如威,蒋东方,等.高寒高海拔地区微网储能锂电池系统优化设计[J].中国电力,2020,53(05):128-134.

[2]GB/T 16935.1-2008,低压系统内设备的绝缘配合[S],北京:中华人民共和国国家质量监督检疫检验总局,中国国家标准化管理委员会,2008