电化学储能环境适应性研究
研究背景
- 环境适应性定义为在服役过程中综合环境因素作用下实现所有预定性能和功能的能力。
- 随着锂离子电池（LIB）广泛应用，典型航运环境、“沙戈荒”等复杂环境下LIB安全问题突出，需利用环境适应性对LIB性能进行度量。
- 存在问题：缺乏面向LIB环境适应性提升的态势感知方法。
电化学储能环境适应性测试平台
- 平台组成：多类型环境模拟系统、锂离子电池单体/模组级充放电测试系统、锂离子电池电化学工作站、锂离子电池电极形貌与元素分布分析平台。
- 功能：支撑温度、湿度、振动、盐雾、沙尘等各类环境及电滥用工况下的LIB劣化机理、状态估计失效分析等研究。
- 模电型动态EIS检测装置：通过微处理器系统控制DAC，削弱纹波影响，支持频率（0.01-10kHz）和幅值（50mA-8A）可控的正弦波激励信号生成，实现对带载LIB阻抗特性的实时采集。
电化学储能环境适应性影响机理
- 低温环境：有机电解质黏度增加，锂枝晶生长加速，甲化学反应速率降低，电荷转移电阻增加，失效风险增加。
- 高温环境：副反应速率增加，过渡金属不可逆溶解、气体逸出、固体电解质界面膜稳定性下降，老化加速。
- 摇晃环境：电解质渗透率、离子浓度分布变化，活性材料和可用锂损失，加速电池老化。摇晃应力与高倍率电流应力耦合，导致摇晃环境下高放电倍率的LIB老化加剧。
- 盐雾环境：更易诱发LIB自放电，使其外部电压和充放电效率显著降低；盐露腐蚀会腐蚀极片、削弱极耳密封性能，使得水汽与电池电解液反应，发生电池鼓包、加剧电极破裂。
- 电滥用工况-过放：锂离子过度脱嵌，端电压迅速下降；魔蚀电位作用下，集流体溶解，内短路形成；电压上升，金属枝晶生长，内短路加剧。
- 电滥用工况-过放和振动耦合：IC曲线纤维随着循环次数的增加而减小，电池受到LLI和LAM影响，IC曲线有向高压移动的趋势，电池同时受到CL影响。
- 电滥用工况-参与电网频繁调控：影响机理需进一步研究。
电化学储能环境适应性提升技术
- 态势感知：
- 复杂环境下LIB态势感知总框架：剖析温度、振动、湿度、盐雾对电池特性影响机理，综述现有LIB模型与状态估计方法，提出考虑复杂环境影响的多状态联合估计框架。
- 基于EIS的宽域温度下SOC快速估计：结合P2D电化学模型，从EIS中提取适应温度变化的关键频率特征，实现宽域温度下（-20℃-25℃）的快速SOC估计。
- 摇晃环境下基于PINN的SOC-SOH联合估计：利用物理残差和数据残差，实现摇晃环境下SOC-SOH联合估计。
- 盐雾环境下LIB性能退化分析：LIB在盐雾条件下从新电池到完全破坏包括壳体腐蚀、电解液水解和内部短路三个阶段。
- 功率控制：
- 将可解析的电池状态模型作为知识嵌入至实时功率控制环路中，以支撑功率控制器在安全约束内做出决策，以防止电池过充过放。
- 考虑摇晃影响的SOC-SOP-SOH估计融合功率控制方法：利用时间滑窗机制实现长时SOH与短时SOC-SOP分步估计，完成多时间尺度估计过程与实时功率控制融合。
- 储能状态-功率融合控制硬件在环原型系统平台：不同SOH健康水平和SOC水平下，电池SOP范围显著不同；所提控制可防止电池功率频繁越限运行，并实现不同应用场景下的功率缺额快速补偿。
研究团队及成果
- 承担项目：
- 国家科技重大专项（智能电网2030）一一适应电力市场的多类型储能协同调控关键技术。
- 中国-匈牙利联合创新基金一计及交通场景特性的电动汽车储能建模与功率控制方法。
- 中车重庆智慧轨道交通技术有限公司一复杂轨道交通环境下车辆动力电池状态感知与预警技术研究。
- 江西省电力建设有限公司一兆瓦级锌铁液流电池储能关键技术开发及产业化。
- 重庆市电力公司经济技术研究院一虚拟电厂市场化交易规则技术研究。
- 研究成果：
- 近两年在电化学储能建模与功率控制领域取得多项成果，包括LIB在盐雾条件下的自放电特性研究、摇晃条件下SOC-SOH联合估计、过放循环对电池特性影响分析等。
- 构建了融合电化学机理的储能单体高精度性能演化机理模型与系统级轻量化数值仿真模型，提出了融合时变功率可行域的储能系统功率控制方法。
- 开发了电池健康管理系统可视化平台，提升了车辆的安全性与可靠性。
- 研发了检测装置，优化了BMS架构，设计了安全态势感知与预警系统，为电网调控下的安全风险防控提供支撑。
