本文来源于国际液流电池论坛(IFBF)，目的在了解电池储能系统。鸣谢自主研制NTC芯片的特普生储能CCS集成温度采集母排，对本文的大力支持，感谢特普生海外技术翻译官林博女士！
国际液流电池论坛(IFBF)将液流电池作为电能存储领域的一项关键技术加以推广。电力存储技术正在吸引越来越多的兴趣，不仅来自世界电力系统管理人员，还来自投资制造、厂房和设备、项目开发和资产运营的人员。终端消费者也想知道他们的电力是如何生产的以及如何管理的。
利用风能和太阳能等可再生能源，已经出现了一种满足世界能源需求的清洁和可持续的方法。然而，可再生能源在提供稳定可靠的电力供应方面面临着独特的困难，因为它们容易波动。因此，现在需要能够存储高发电量时产生的多余能量并在需求高时释放的储能设备。
近年来，电池储能系统(BESS)变得非常流行。事实上，他们可以通过储存大量能量并在需要时释放它来解决可再生能源的间歇性问题。通常，BESS解决方案由与太阳能和风电场等可再生能源耦合的电池组组成。这些电池保留在高发电量时产生的额外能量，并在高需求时放电。当可再生能源不能产生足够的电力时，家庭、企业和工业可以通过这些电池中存储的能量来供电。
BESS的好处
可扩展性是BESS技术的主要优势之一。BESS非常适合小型和大型能源项目，因为它们可以根据用户的能源需求进行放大或缩小。BESS技术还在电网连接受限的偏远地区提供可靠和可持续的能源。
此外，现在还有环保型BESS解决方案。它们通过减少对化石燃料发电厂的需求来帮助缓解气候变化，而化石燃料发电厂是温室气体排放的一个来源。
BESS解决方案确保电网稳定性的潜力是另一个好处。由于其间歇性，风能和太阳能等可再生能源会使系统不稳定。然而，当可再生能源无法生产足够的能源时，BESS解决方案可以通过提供可靠的能源来帮助克服这一困难。
近年来，电池的成本一直在下降，使BESS变得更实惠、更容易获得。这导致BESS在可再生能源应用中的使用增加，预计它们将在向更可持续的能源未来过渡中发挥关键作用。
储能系统框图
BESS的内部结构如图1所示。太阳能电池板或风力涡轮机等可再生能源为BESS提供直流电源输入。然后，直流电由电力电子模块处理，该模块由逆变器、充电器、DC/DC转换器和电池管理系统(BMS)组成。
图1：BESS框图（来源：StefanoLovati）
逆变器将直流电转换为交流电，可直接供负载使用或注入电网，而充电器则在有多余能量时为电池充电。DC/DC转换器用于调整（升压或降压）直流电源输入的电压，以匹配电池或逆变器的要求。
BMS负责监控电池的状态，包括其充电状态、温度和健康状态。它还管理电池的充电和放电，以确保最佳性能和安全性。
能量管理系统负责管理BESS的整体运行，包括电力电子和辅助设备的控制，如冷却系统和其他控制系统。BESS的内部结构旨在储存和释放可再生能源的能量，最大限度地提高效率，同时确保最佳性能和安全性。
适用于可再生能源的BESS
有几种类型的BESS适用于可再生能源。BESS的选择取决于多种因素，例如应用、系统规模、储能容量和成本。以下是适用于可再生能源的主要BESS类别：
·锂离子(Li-ion)电池：锂离子电池是可再生能源应用中最常用的BESS。它们重量轻、结构紧凑且能量密度高，是中小型应用的理想选择。锂离子电池还具有很高的往返效率，这意味着它们可以有效地储存和释放能量。它们通常用于住宅和商业应用以及电动汽车。
·液流电池：
液流电池是一种BESS，它使用两个液体电解质罐来储存能量。“流经”电池系统的液体电解质为液流电池命名；每个类别都有不同的方法。与锂离子电池一样，液流电池在每个类别内部和之间具有多种化学成分，包括最流行的钒和不太流行的锌-溴、多硫化物-溴、铁-铬和铁-铁。它们以寿命长、能量密度高和可扩展性着称。由于其高存储容量和可扩展性，液流电池还可用于大规模可再生能源应用，例如电网规模存储。
·钠硫电池：
钠硫电池是另一种适用于可再生能源应用的BESS。它们具有高能量密度，可以储存大量能量，是电网规模应用的理想选择。钠硫电池的使用寿命也很长，可以承受极端温度，适合在偏远地区使用。
·铅酸电池：
铅酸电池是一种更传统的BESS形式，已经使用了几十年。它们相对便宜且循环寿命长，适合中小型可再生能源应用。然而，铅酸电池确实具有低能量密度，并且它们的性能会随着时间的推移而降低。
·镍镉电池：
镍镉电池已经使用了几十年。它们以高循环寿命、可靠性和耐极端温度而著称。然而，与铅酸电池一样，镍镉电池的能量密度较低，效率不如较新的BESS技术。
归根结底，锂离子电池是中小型应用中常用的BESS，而液流电池和钠硫电池则适用于大规模电网应用。
BESS在可再生应用中的挑战
虽然BESS在可再生能源应用方面具有多项优势，但也存在一些需要解决的挑战。以下是BESS在可再生能源应用中面临的一些主要挑战：
·成本：
BESS的最大挑战之一是它们的成本。虽然近年来电池的成本一直在下降，但与其他形式的能量存储相比，它们仍然相对昂贵。这可能导致难以证明对BESS的投资是合理的，尤其是对于大型可再生能源项目。
·安全：
如果未正确设计和安装，BESS可能会带来安全风险。如果电池损坏或过度充电，可能会着火或爆炸。这种风险可以通过适当的设计、安装和维护来减轻，但这仍然是一个需要解决的挑战。
·效率：
BESS的效率会因使用的电池类型和工作条件而异。有些电池比其他电池效率更高，效率会受到多种因素的影响，例如温度、充电/放电速率和循环寿命。提高BESS的效率有助于降低成本并提高性能。
·耐久性：
BESS必须经久耐用，能够承受各种环境条件。电池会随着时间的推移而退化，尤其是在极端温度或高强度使用的情况下。提高BESS的耐用性有助于降低维护成本并延长其使用寿命。
·与电网集成：
BESS必须与电网集成才能有效。这可能是一个挑战，尤其是对于大型可再生能源项目而言。集成过程需要仔细规划和管理，以确保BESS有效运行并且不会中断电网。
高效储能系统
BESS的效率可能因多种因素而异，例如所用电池的类型、工作条件和具体应用。通常，锂离子电池被认为是BESS应用中最高效的电池类型。这是由于以下关键因素：
·锂离子电池具有很高的往返效率，这意味着可以从电池中释放的能量几乎等于充电过程中电池中存储的能量。这是因为锂离子电池具有低内阻，这使得它们能够快速有效地释放能量。
·锂离子电池具有高能量密度，这意味着它们可以在相对较小的空间内存储大量能量。这使得它们非常适合空间通常受限的BESS应用。
·锂离子电池可以在高电压下工作，从而减少充电和放电过程中的功率损耗。这是因为功率损耗与电流的平方(I2R)成正比，因此更高的电压可以减少提供给定功率所需的电流量。
然而，需要强调的是，BESS的效率不仅取决于电池技术，还取决于整个系统的设计和运行。
WBG材料在BESSes中的作用
宽带隙(WBG)材料在BESS中起着至关重要的作用，因为它们提高了系统中使用的电力电子设备的效率和性能。
电力电子用于控制电池和电网之间的能量流动，将电池的直流电转换为交流电，然后供电网使用。这些电力电子设备由多个组件组成，例如功率晶体管、二极管和电容器，通常由硅基半导体制成。
然而，硅基半导体在高温和高频下的工作能力方面存在局限性。这会导致电力电子设备性能低下和受限，从而降低BESS的整体效率和可靠性。
WBG材料，例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，与传统的硅基半导体相比具有多项优势。这些材料具有更宽的带隙，这使它们能够在更高的温度和更高的频率下以更低的损耗运行。
这为BESS应用带来了多项优势，包括更高的效率、更高的功率密度和更高的开关频率。这有助于减小电力电子设备的尺寸、重量和成本，同时提高其可靠性和性能。通过使电力电子能够在更高的温度和更高的频率下以更低的损耗运行，WBG材料有助于提高BESS的整体效率和可靠性，使其成为可再生能源应用的更可行的解决方案。
特普生，成立于年，是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片、热敏电阻、温度传感器、储能线束、储能CCS集成采集母排等温度采集产品系列。以服务为立足之本、以技术实现客户价值的特普生，竞争力优势明显：自主研制NTC芯片及热敏电阻，实现国内最小封装尺寸及最高温控精度；专利百项，保留不公开技术2项；为客户提供温度控制产品的一站式服务。