CIES2024|| 海南电网电科院庞松岭：电动汽车移动式储能与电网协调控制技术探索及应用

  中国储能网讯：3月10-13日，由工业和信息化部节能与综合利用司指导，中国化学与物理电源行业协会主办并联合500余家机构共同支持的第十四届中国国际储能大会暨展览会（简称“CIES”）在杭州国际博览中心召开。

  CIES大会以“共建储能生态链，共创储能新发展”为主题，针对储能产业面临的机遇与挑战等重点、热点、难点问题展开充分探讨，分享可持续发展政策机制、资本市场、国际市场、成本疏导、智能化系统集成技术、供应链体系、商业模式、技术标准、示范项目应用案例、新产品以及解决方案的普及和深化应用。

  来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的2011余家产业链供应链企业， 53417位线上注册嘉宾将参加本届CIES大会，储能网视频号线上直播11万人参与观看与交流。其中300余家企业集中展示了储能产品，涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证、飞轮储能、液流电池、熔盐储热、压缩空气储能等新型储能全产业链。

  3月11日上午，海南电网有限责任公司电力科学研究院智能电网所所长庞松岭受邀在双碳与新型电力系统暨南网储能与可再生能源专场分享主题报告，报告题目为《电动汽车移动式储能与电网协调控制技术探索及应用》。以下为报告主要内容：

  庞松岭：尊敬的各位来宾，各位同仁，大家好，我是庞松岭，来自海南电网电科院，今天和大家分享的报告是电动汽车移动式储能与电网协调控制技术探索及应用。主要包括3部分内容，新型电力系统建设需求、电动汽车动力电池现状、车网互动主要问题和解决措施（从动力电池角度谈谈）

  双碳战略实施以来，电力系统能源结构发生很大变化，新能源装机和电量占比在显著提升，2010年新能源装机占比由3%上升为2022年30%，对电力供电提出更高的要求和挑战。6月国家能源局发布新型电力系统发展蓝皮书，明确三步走的发展路径，到2030年电网侧，主力电源仍是煤电，但是占比逐年降低，电网侧电网形态进一步扩大，分布式智能电网支撑作用越发凸显，用户侧电能替代灵活调节资源增加。

  新型电力系统实现源端高比例新能源广泛接入、网端资源安全高效灵活配置、荷端多元负荷需求充分满足。

  2022年到2030年非化石能源发电量占比由36%提升至50%，电网传统调节资源与调节手段受限，呼唤灵活资源参与调节。

  我国新能源汽车产业发展迅速，2023年全国汽车保有量达3.36亿辆，我国新能源汽车推广应用成效显著，2023年新能源汽车保有量已达到2041万辆，新注册登记新能源汽车从2019年120万辆到2023年743万辆，呈高速增长趋势；新车零售端正加速渗透，2016年5%增长到2023年35%。

  充电基础设施同样呈现高速增长，截至2023年保有量达859.6万台，同比增长65%。私人充电桩增速迅猛。

  2023年国家发改委等部门联合印发加强新能源汽车与电网融合互动设施意见，正式将车网互动推进工作提到工作日程。分别在标准体系建设、市场机制建设、车网互动示范、移动式电化学储能等方面提出任务和目标。2030年全面实现有序充电，新能源汽车成为电化学储能体系的重要组成部分，力争为电力系统提供千万千瓦级的双向灵活性调节能力。

  目前应用情况

  目前市场主流车型（纯电动）配置50KWH以上电量，标称里程400公里以上。主流电池以三元锂电和铁锂电池，主要技术参数电池循环寿命：2000次~

  电池能量密度：300Wh/kg

  车载电池容量：50-100kWh

  电池系统成本：~1元/Wh

  空闲率高，利用率不足，目前电池、充电设施等有较大空间和时间基础参与电网互动。

  车网互动形式主要包括有序充电、双向充放电。模式上包括市场化运营模式和负荷管理模式中市场化运营模式是指规模化聚合电动汽车负荷资源，参与 电力中长期交易市场（含绿电交易）、现货市场、辅助服务 市场、需求响应市场等负荷管理模式是指为了保障电网和台区供电安全，通过技术调控等方式实现电动汽车充换电负荷调节和有序用电。

  双向充放电体现在电动汽车与分布电源、楼宇等能量流双向互动。目前技术发展情况来看，电动汽车用户参与智能有序充电较为积极，参与双向充放电意愿低，主要担心是动力电池安全和寿命。

  目前车载动力电池情况，磷酸铁锂电池、三元锂电池，相比较三元锂电能量密度高，提供续航里程，磷酸铁锂安全性较好。

  应用场景不同，储能电池和动力电池性能有所区别，用于储存电能的电池系统关键特点是高容量、长循环寿命和稳定的性能，车载动力电池关注能量密度（空间有限）、功率密度（充放电速率驾驶体验感，）。电池管理系统阈值设置储能系统更注重长寿命及降低故障率，因此工作电流上限值会设置的比较低，不让电芯满负荷工作。动力电池因此系统参数都会参照电池的极限参数进行设置。动力电池对SOC计算能力要求远高于储能BMS。动力电池适用分钟级别调频和爬坡电网调控场景。

  电动汽车移动式储能参与电网互动主要问题，聚焦在电池寿命和安全问题方面。

  电池寿命方面提出动力电池寿命调控与健康保养的新手段——电池高频双向脉冲控制，过V2G脉冲调控电池电压，使得电池SEI生长速率的平均值始终低于存储期间的副反应，延长电池寿命。针对安全问题更为突出，据不完全统计，2023年1~9月至少有232起新能源汽车起火事故，起火事故原因中与动力电池相关占50%以上，火时车辆为充电状态或停置状态占60%以上。涉及到如何在电池充放电状态，尤其参与车网互动频率增加后电池安全问题。其中电芯混入杂质存在热失控风险，通过新闻可以了解。

  图片中展示的电芯的剖面结构，通过扫描电镜可以发现电芯中杂质。电芯混入杂质在充放电过程中，会导致杂质移动或者发生溶解增厚电极，刺破隔膜引起短路发生热失控。因此建立内短路-电化学模型，模拟了在存在内短路情况下的电池电压、SOC、最高温度的变化。

  考虑电池内部副反应，建立了电池热失控模型，模拟了热失控演变过程中的电池内部副反应产热量，4中副反应产生热量，引起电池温度变化。时间非常短暂，引起电芯温度瞬时升高。

  由于动力电池短路（内短路和外短路）将导致电池热失控风险的显著上升，所以电池短路电阻与电池热失控风险紧密相关，也就是短路电阻越小，通过短路点的电流越大，产生的焦耳热越高，从而电池温升更高，热失控风险越大；所以基于电池充放电数据辨识得到电池短路阻值是电池安全性评估的第一步。

  通过在实验中制造了10个电池和2个短路电池（电池5与电池10），测试得到多种工况下的充放电电流曲线，并通过建立的模型与参数辨识方法可辨识得到电池5的短路电阻（100Ω左右）与电池10的短路电阻（25Ω左右）远低于其余正常电池（400Ω以上），这说明了此模型和参数辨识可以检测出异常短路电池。

  如果电池存在短路情况，部分电流将通过短路处进行流通，从而导致自放电，所以电池在充放电过程中的SOC将较正常值异常下降，所以也可通过辨识ΔSOC的值来检测短路情况，检测结果表明短路电池5的SOC差值和短路电池10的差值可较好地跟随真实值变化。（辨识电阻，计算SOC，电阻对应副反应及引起热量变化和温度变化，引起电池热失控）

  通过建立高精度电化学模型，从电池化学机理方面反映电池状态，以便更准确更及时的进行热失控预警。基于simulink搭建模型辨识结果平均误差小于12mv。

  首先在热失控特征参数集的构建方面，我们根据机理分析确定了影响热失控触发的原因，比如电极粒子开裂，过度金属溶解等，基于这些触发原因，通过电化学模型我们获取到了电池底层的特征参数，完成了从热失控触发原因到热失控参数的映射。经过进一步的相关性排序，我们最终确定了与热失控强相关的参数，有负极电极孔隙率 正极固相扩散系数 负极固相最大锂离子浓度，液相扩散系数。

  根据之前分析过的三元电池数据进行了电化学参数辨识，模拟需求场景即只能获得最高最低电芯的电压信息（只知道最高最低电压），可以看出，即使在低频率采样率和初值偏差的前提下，仍然能看出一部分的电化学参数不一致性，即绿色曲线表现异常，需要进行检查。另外即使电化学参数辨识存在浮动，但是可以提取出一部分的均值变化，通过将一个完整充电过程信息分段，可以看到在高SOC时的电化学参数变化，对应着热失控风险提升，当出现如下明显的参数变化时，需要进行检查。已知故障车数据验证模型对于异常电芯的筛选能力，对特征量进行综合评分，可以筛选处故障电芯。

  对电池电压外特性数据进行分析，可以发现电池电压信息在整体趋势上会较为接近，但是通过相似性分析可以获得额外的差异信息，即热失控电池在发生热失控前会存在Z分数值离群现象（相比正常电池），对应电池热失控发生的早期阶段出现的化学性能不稳定。右图出现的三个明显离群的电芯表示了电池包已经存在较大安全风险，需要检查。对评估后的参数进行适当加权可以提高风险评估的准确率。

  铁锂和三元模型有差距，三元模型无法反应铁锂特性进行重新建模。并做了关于温度（环境温度）对SOC变化的影响，铁锂电池模型中的特有的电压平台特性进行研究，并针对海南特殊的高气温使用工况进行了模型验证。

  2040年中国电动汽车保有量达3亿辆，车载储能容量将超过200亿千瓦时，可调节容量80亿千瓦时，电网短时需求达到50亿千瓦时，固定储能站远不能满足要求。因此电动汽车可调节资源是未来满足电网安全重要补充部分。