储能科学与技术

本期中英文目录

2022 (2): 0-0.

摘要 ( 103 )

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离子嵌入电化学反应机理的理解及性能预测：从晶体场理论到配位场理论

王达, 周航, 焦遥, 王佳民, 施维, 蒲博伟, 李铭清, 宁芳华, 任元, 喻嘉, 李亚捷, 李彪, 施思齐

2022 (2): 409-433. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0652

摘要 ( 1250 )

HTML ( 306 )

PDF(14919KB) ( 1287 )

配位场理论融合了晶体场的静电作用和分子轨道的共价作用于1952年首次被提出，是解析热力学、地质矿物学和电化学系统中的结构畸变、热力学性质和磁性等物理/化学问题的基础。其中对于近年来快速发展的单价/多价金属离子电池领域，其电极材料通常是含有d电子的过渡金属化合物，目前仍普遍存在对具有不同配位场过渡金属电极材料中离子脱嵌电压、比容量以及相结构稳定等微观结构/电荷转移性能调控机理认识的不足。本文从配位场理论方法出发并结合可直接计算电子分布及占据特性的第一性原理计算方法，对离子脱嵌电化学过程中决定电压的费米能级计算模型、衡量相结构稳定性的晶体场稳定化能计算公式、调控阴离子氧化还原活性的理论模型等进行了严格的推导。在此基础上，提出针对刚性带体系的电压调控和含不同周期过渡金属材料相结构稳定性预测等一系列电极能量密度/相稳定性改进策略，并成功设计出无过渡金属Li(Na)BCF₂/Li(Na)B₂C₂F₂正极及嵌入式反应无锂MX₂正极两种新型电极材料。本工作拓展了配位场理论在离子嵌入电化学中的应用，为从电子的能带调控角度设计高能量密度嵌入式电极材料提供了新思路。

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实用大容量三电极方形锌空气电池

胡铭昌, 周雪晴, 陈锦军, 黄雪妍, 陈玮, 薛建军

2022 (2): 434-441. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0442

摘要 ( 375 )

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PDF(3167KB) ( 348 )

锌空气电池具有高安全、大容量、低成本和低自放电等特性，因此获得广泛关注。可充电式锌空气电池在商业化过程中最重要的问题在于难以找到合适的双功能催化剂同时长时间实现氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)，而三电极电池结构是一个有效解决此问题的方案。另外，大容量方形锌空气电池在商品化过程中的耐漏液性能极其重要。本文报道了一种可商业化的大容量三电极方形锌空气一次电池，该电池具4大创新特点：①放电性能优异，在合适的电流放电情况下锌粉利用率高达97.0%；②高耐漏液性能，其耐漏液性能比市面上的方形锌空气电池更好，经过高低温测试以及高温45 ℃储存1个月测试不会出现漏液现象；③比容量大，单电芯比容量可达356 A·h/kg，由此串并联而成的电池包放电能量密度达到405 W·h/kg；④结构新颖，采用双面ORR空气极的锌空气电池结构可大幅度增加空气催化有效面积，提高电池的放电功率，此外，其中一面ORR空气极未来可切换为OER空气极，电池变为三电极结构有助于推动可充式锌空气电池的发展。

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植物发供电技术的研究进展

谢林翰, 李万忠, 张倩倩, 曹高萍, 邱景义, 明海, 封伟

2022 (2): 442-466. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0477

摘要 ( 350 )

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PDF(24768KB) ( 233 )

植物发供电技术是一种以植物作为发供电主体，利用电化学手段和植物自身的生理过程等，将自然界中的光能、机械能和生物质能等直接或间接转化为电能的绿色能源技术，具有节能环保、低成本和可持续的优点，对于基础科研和实际应用皆具有重要意义。本文通过对近年来该技术相关研究工作的分析探讨，综述了5类植物发供电技术的最新研究进展，包括牺牲电极植物原电池发供电技术、植物体离子浓度差发供电技术、类光合作用发供电技术、植物微生物燃料电池发供电技术和植物区域离子浓度扰动发供电技术。重点介绍了各类植物发供电技术的优势、原理、提高发供电能力的方法以及应用实例等，并将基于离子选择性纳米通道所设计的浓差电池的能量转换原理和应用展望到植物体内，有望推动植物发供电技术的进一步发展。最后，总结了植物发供电技术存在的问题及待解决的关键技术难点，并对植物发供电技术的应用前景进行了介绍。期望本文综述的植物发供电技术研究进展能够为新型清洁电力能源的获取提供新的思路，并能够推动植物发供电技术的实际应用进程。

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磷酸铁锂正极材料改性研究进展

冯晓晗, 孙杰, 何健豪, 魏义华, 周成冈, 孙睿敏

2022 (2): 467-486. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0483

摘要 ( 1641 )

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锂离子二次电池(LIBs)是当今新能源领域的主流储能器件。磷酸铁锂(LiFePO₄)凭借高能量密度、低成本、稳定的充放电平台、环境友好、安全性高等优势，成为应用最为广泛的锂离子电池正极材料之一。如何提高其输出功率以及低温下的能量密度和使用寿命，是磷酸铁锂正极材料面临的主要挑战。本文通过对近期相关文献的探讨，归纳总结了近年来针对磷酸铁锂正极材料的主流改性策略。详细分析了元素掺杂提高材料电化学性能的内在机理，梳理了不同包覆剂对磷酸铁锂的保护机制，这两种手段可有效提高磷酸铁锂正极材料的电子电导率和离子扩散速率，实现材料更高的能量密度、更长的循环寿命和更高的倍率性能。此外也总结了磷酸铁锂常见补锂添加剂的特性及其对正极首圈库仑效率和放电比容量的改善行为。综合分析表明，多种元素共掺杂，先进碳材料包覆和高容量补锂材料的添加有望成为提升磷酸铁锂电化学性能的重要策略。最后，对磷酸铁锂正极未来在商业化生产改良和开发柔性电极等方向的发展前景和面临的挑战进行了展望。

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锂离子电池多尺度非均匀性概述

宋岚, 熊若愚, 宋华雄, 谭鹏辉, 张云, 周华民

2022 (2): 487-502. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0409

摘要 ( 314 )

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动力电池高续航、长循环、快速充电和高安全性等严苛的使用要求推动着锂离子电池技术的革新。然而，这也使得电池内部从颗粒材料到电芯各层级的均匀性问题变得突出，成为决定电池综合性能的关键因素。研究锂离子电池多尺度的非均匀性成因及改善策略，是目前电池制造与电池管理中亟待解决的重要问题。本概述系统地总结了锂离子电池材料颗粒、电极微结构、极片平面以及电芯单体的非均匀特征对电池电化学均匀性的影响以及在电池循环过程中的演化规律，并重点归纳出非均匀性通过内在的并联电学结构损伤电池性能的作用机制。最后，针对各尺度下的非均匀问题提出了具体的改善措施。

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MOFs及其衍生物在锂-氧气电池正极中的研究进展

贾林辉, 盖泽嘉, 李沫汐, 梁华根

2022 (2): 503-510. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0383

摘要 ( 295 )

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PDF(1644KB) ( 297 )

金属有机骨架材料(MOFs)及其衍生物因其灵活多变的化学组成和多孔结构等独特优点而成为锂-氧气(Li-O₂)电池正极的候选催化剂。本文通过对近期相关文献的分析，综述了MOFs基催化剂的设计和合成策略，重点介绍了MOFs热解衍生碳基材料、MOFs衍生单原子催化剂以及原始MOFs材料在Li-O₂电池中的应用，分析了MOFs及其衍生物对ORR/OER的催化机理。综合分析表明，构建具有高密度催化活性位点、结构稳定、孔隙率高、导电性良好的MOFs材料及其衍生物是今后开发高效Li-O₂电池正极催化剂的发展方向。

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基于模板法制备氧化铝纤维及其石蜡复合相变材料热性能

郭云琪, 盛楠, 朱春宇, 饶中浩

2022 (2): 511-520. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0375

摘要 ( 239 )

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石蜡是一种高储热密度的有机相变材料，但是热导率低和易泄漏的缺点限制其进一步发展。为提高石蜡的导热和防泄漏性能，本研究以天然纤维为模板制备了具有高导热性的纤维状氧化铝导热填料，通过真空浸渍混合法制备了氧化铝纤维/石蜡复合相变材料，并对其形貌、热导率、相变循环稳定性、防泄漏性能以及热响应性能进行测试。结果表明，随着填料含量的增加，复合相变材料的导热系数近似线性增加。1200 ℃高温烧结形成的α型Al₂O₃比1000 ℃低温烧结γ型Al₂O₃具有更高的导热性能，且α型氧化铝纤维填充量达到45%(质量分数，余同)时，导热系数达到最高值为0.69 W/(m·K)，是纯石蜡的2.9倍。通过对3种不同填充量Al₂O₃纤维进行100次的热循环测试，复合相变材料的相变焓值基本不变，说明了其具有良好的热循环稳定性。同时对复合相变材料的防泄漏性能以及热响应性能进行测试，结果显示30%和45%填料的α型Al₂O₃纤维均具有较好的防泄漏以及快速热响应能力。

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雪花型翅片提高相变储热单元储/放热性能

张永学, 王梓熙, 鲁博辉, 杨胜旗, 赵泓宇

2022 (2): 521-530. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0541

摘要 ( 235 )

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相变储热技术能够很好地解决可再生能源在利用过程中的波动性和不稳定问题。然而，现有可供选择的相变材料均存在热导率低这一致命缺陷，导致储/放热速率十分缓慢，严重制约了其实际工业应用。为此，本文基于雪花晶体的分形结构，提出了一种新型翅片结构来提高填充了相变材料的潜热储存单元储/放速率。针对该单元储/放热过程进行了全三维多场耦合数值模拟研究，结果表明，在同一换热流体流动条件下，与具有相同体积的纵向翅片相比，雪花型翅片能够显著提高潜热储存单元的传热速率和温度均匀性，完全熔化/凝固时间可分别缩短26.87%和32.01%；尽管储热单元的储/放热速率均得到了大幅度提升，但是液态相变材料最大速度的积分平均值在储热过程中降低了26.83%，而在放热过程中提高了18.00%。

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金属泡沫内石蜡固液相变蓄热/放热实验

杜昭, 阳康, 舒高, 韦攀, 杨肖虎

2022 (2): 531-537. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0422

摘要 ( 197 )

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PDF(4272KB) ( 242 )

针对解决太阳能热利用过程中所面临的辐射强度不稳定、不连续和不均匀等关键问题，相变蓄热技术常与太阳能热利用系统耦合协同匹配，以实现稳定连续的热量输出。为了强化固液相变蓄热/放热过程、提高系统热储能效率，对金属泡沫内石蜡类相变材料(PCMs)在不同蓄热流体温度下的固液相变蓄热/放热特性开展了实验研究。设计并搭建了相界面可视化的蓄热/放热实验系统，实验过程中使用高清相机对相变过程中的相界面变化进行了记录。同时，通过在蓄热单元内部布置多个热电偶测点，对蓄热/放热过程中的温度变化规律进行了探究。实验结果表明，受自然对流影响，熔化过程中相界面由上至下变化；而凝固过程中由于初始时蓄热单元下部温度较低且存在自然对流，此时相界面自下而上变化。蓄热流体温度越高，熔化所需时间越短，与蓄热流体温度为65 ℃的工况相比，蓄热流体温度为85 ℃、80 ℃、75 ℃、70 ℃工况的完全熔化时间分别减少了56.0%、46.7%、15.4%和26.7%。当采用不同温度的流体进行蓄热工况时，相变材料内部温度呈现出具有明显差别的温升规律。尽管如此，当采用相同温度的换热流体进行放热工况时，相变材料的放热温度仍趋于一致。

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太阳能供暖二级水箱变容积蓄热系统能量及㶲分析

娄晓歌, 王馨, 司鹏飞, 戎向阳

2022 (2): 538-546. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0563

摘要 ( 203 )

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太阳能供暖系统中的固定容积单水箱蓄热系统，在太阳能波动供给和建筑热负荷波动需求之间存在不匹配及灵活性不足的问题。为更高效地利用太阳能，本文对二级水箱温度分层变容积蓄热太阳能供暖系统建立了MATLAB数学模型，包括集热循环、充热循环、取热循环和供热循环四部分及相应的控制策略，并运用Trnsys进行了模型验证。提出了在某时间段内，实际参与充热、取热或同时充热与取热的水箱体积为有效蓄热体积的概念。定义了集热比、有效蓄热体积平均温度、水箱热量取充比和热损比等参数对系统进行了分析与评价。研究表明：与传统的太阳能供暖固定容积单水箱温度分层蓄热系统相比，在整个供暖季，二级水箱变容积蓄热系统的热损失减少了17.2%，取充比增加了6.3%，?效率提高了6.6%，辅热能耗减少了9.5%；在供暖初期，二级水箱变容积蓄热系统的水箱温度响应时间缩短了54.9%，可更灵活快速地用于供热。二级水箱变容积蓄热系统有利于调节供暖季不同时期的供需匹配，具有良好的节能效果，可进一步为太阳能供暖系统的设计与应用提供指导。

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基于VCALB的电池模组液冷管道优化设计

王翔, 徐晶, 丁亚军, 丁凡, 徐鑫

2022 (2): 547-552. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0448

摘要 ( 272 )

HTML ( 30 )

PDF(2102KB) ( 171 )

在电动汽车的电池热管理中，电池模组的最高温度(maximum temperature in battery module，MTBM)和最大温差(maximum temperature difference in battery module，MTDBM)是衡量散热系统最重要的指标。液冷是一种高效的散热方式，但也有温差过大的缺陷。因此，通过仿真研究了入口冷却液流量(inlet coolant flow，ICF)、入口温度(inlet coolant temperature，ICT)、液冷管道的流道高度(liquid-cooled pipe flow channel height，LFCH)以及液冷管道与电池的接触角度(contact angle between liquid cooling pipe and battery，CALB)对MTBM和MTDBM的影响，利用变接触角度(variable contact angle between liquid cooling pipe and battery，VCALB)对电池模组液冷管道的结构进行优化。结果表明：优化后MTBM由40.50 ℃降低至38.47 ℃，降低了5.01%；MTDBM由6.07 ℃降低到3.60 ℃，降幅达40.69%。增加ICF可以降低MTBM和MTDBM，但降低幅度逐渐减小，且会增大压差。增大LFCH、CALB以及降低ICT均能一定程度地降低MTBM，但冷却效果的提升不断减小，且会导致模组内温差过大的问题。本研究针对电池模组中的液冷散热系统温差过大的问题提供一种有效的解决方案，有利于液冷在电池热管理方向的进一步发展。

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风冷电池模组热性能及成组效率的多目标优化

徐晓斌, 徐业飞, 张恒运, 朱顺良, 王海峰

2022 (2): 553-562. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0407

摘要 ( 221 )

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PDF(3545KB) ( 287 )

本工作提出一种基于套筒式热扩散板结构的新型风冷电池热管理系统，通过数值仿真研究电池模组的风冷性能。将电池模组内圆柱形锂离子电池正交排列，电池底部通过电绝缘板与铝制底板连接，且在电池中部配置双层热扩散板，从而增强风冷电池模组的热性能。首先，搭建了相应的风冷实验系统，通过对相同风速条件下的实验结果和仿真结果进行对比，对数值模型的可行性进行了验证。接着对电池模组的进口风速与热扩散板结构参数进行仿真研究，根据中心复合实验设计(CCD)原则得出25个研究案例，为建立优化目标代理模型提供样本数据。然后结合期望函数和代理模型对热扩散板配置下的电池模组进行了多目标优化，包括最高温度、最大温差、进出口压差的望小设计以及电池模组成组效率的望大设计，得到热扩散板结构参数和模组进口风速的最优结构配置。相比常规无扩散板配置设计，优化电池模组的最高温度和最大温差分别降低16.12%(6.36 ℃)和48.48%(2.72 ℃)，并且重量成组效率为87.1%，与常规设计89.73%接近，在保证高成组效率的基础上显著提高了电池模组的温度一致性。

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压缩空气储能系统释能环节轴系建模与振荡分析

刘迪, 张甜甜, 彭宇维, 唐晓梅, 王丹, 毛承雄

2022 (2): 563-572. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0443

摘要 ( 213 )

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压缩空气储能系统因其具有容量大、寿命长、响应快和调节灵活的特点，有着广阔的应用前景。压缩空气储能的释能环节作为气体压力能向机械能转化并最终产生电能的中间环节，其轴系建模与稳定机理与传统发电机组、风力机组、微型燃气轮机等均存在不同之处。为了研究压缩空气储能系统的轴系振荡特性以进一步分析储能并网后电力系统的稳定性问题，重点介绍了一种典型的四级膨胀压缩空气储能系统释能环节结构，建立了其轴系分段集中质量弹簧模型，并推导了相应的轴系标幺模型。对一个10 MW级压缩空气储能系统进行了轴系固有特性分析，得到了其固有振荡频率和振荡模态，并从电网侧和膨胀机侧分别进行了轴系稳定性分析。基于轴系振荡特性，将系统潜在振荡形式分为冲击性振荡、次同步振荡和超同步振荡三类，对各类振荡形式进行了机理分析和仿真验证，仿真结果表明，CAES释能环节轴系存在多种潜在振荡形式，并根据各类振荡的特性提出了对应的抑制策略。

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抽蓄电站提供多时间尺度备用的优化策略

余晓鹏, 李晓萌, 张忠, 郝元钊, 李程昊, 陈幸伟, 崔惟, 高泽

2022 (2): 573-582. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0410

摘要 ( 194 )

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“碳达峰、碳中和”背景下，新能源发电将成为未来电力系统中的主要发电形式。然而，其随机性与波动性增加了电网不同时间尺度上的运行备用需求。抽水蓄能作为成熟的储能技术之一，具有调节速度快、容量大等优势，在电网辅助服务中的作用已备受重视。然而，抽蓄电站在电能量市场与各类辅助服务市场中的运行策略、收益最大化问题还有待深入研究。为此，本工作在电力市场环境下建立了抽蓄电站参与电能量市场与多时间尺度备用市场的优化决策模型，并着重分析了备用补偿价格对其运行策略的影响，为抽蓄电站参与电力市场的运行决策提供了解决方案。算例分析表明：抽蓄电站通过提供备用服务能够明显提高其运行收益；并且，抽蓄电站提供多种备用时的总收益明显高于提供单一备用时的收益。本文算例分析中，提供多种备用的总收益至少提高了44.37%。

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MW级飞轮阵列在风光储能基地示范应用

李树胜, 王佳良, 李光军, 汪大春, 崔亚东

2022 (2): 583-592. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0617

摘要 ( 213 )

HTML ( 38 )

PDF(17888KB) ( 151 )

针对风光等新能源对短时高频次储能的需求，本文开展了MW级飞轮阵列在风光储能基地示范应用研究。基于飞轮储能阵列的系统组成、工作原理和拓扑结构，首先开展了飞轮储能阵列系统设计，并在此基础上对风光储能基地增加飞轮阵列方案进行介绍。最后，基于搭建的飞轮阵列系统，分别于天津和青海风光储能基地开展了实验测试。测试结果表明：经过上千次的充放电循环，飞轮阵列系统运行稳定、可靠，其功率、容量和响应速度等均具有显著优势，为参与新能源调频任务奠定基础。

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游梁式抽油机飞轮储能系统设计及实验

周勇, 陈香玉, 简霖, 王扶辉, 田德高, 韩传军

2022 (2): 593-599. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0340

摘要 ( 254 )

HTML ( 26 )

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现役的游梁式抽油机耗电量超过油田生产总用电量的50%，其总效率往往低于30%，抽油机系统的效率低下造成了电能的较大浪费，而游梁式抽油机的工作原理及结构特点有利于采用飞轮储能装置提高其效率。本工作设计了适用于游梁式抽油机的飞轮储能系统，建立了抽油机动力学仿真模型，搭建了相应的实验测试平台，采用仿真分析和实验研究相结合的方法验证了储能系统的可行性，并探讨了加入储能飞轮后对抽油机能耗的影响。实验结果表明：储能飞轮在上冲程释放能量，在下冲程吸收能量；加入飞轮后电机功率曲线峰值由782 W减小为620 W，电机的谷值功率由-448 W变为-359 W，即降低峰值和增加谷值，使电机运行更加平稳。最后通过实验对比了仿真和测试数据，验证抽油机飞轮储能系统的节能效果：在冲程冲次不变，负载相近的情况下，实验所得结果与仿真分析的数据结果趋近，游梁式抽油机飞轮储能装置能节约15.7%的能量，具有明显节能效果，为游梁式抽油机应用飞轮储能系统实现节能降耗提供了参考。

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用于风电功率平抑的飞轮储能阵列功率协调控制策略

陈玉龙, 武鑫, 滕伟, 柳亦兵

2022 (2): 600-608. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0421

摘要 ( 252 )

HTML ( 21 )

PDF(2248KB) ( 327 )

风电输出功率存在随机性和波动性的问题，使得电网调频难度加大。采用飞轮储能匹配风电的形式可以减小其功率波动，提高并网能力。以交流母线并联的飞轮储能阵列为研究对象，首先针对现有功率分配策略中存在的问题，提出一种考虑功率分配上限和能使各单元荷电状态(SOC)趋于一致的功率协调控制策略。同时为保证功率控制精度和储能系统的响应速度，采用对储能阵列进行分层分组控制的方法。然后建立了飞轮储能单元功率跟随控制模型和飞轮储能阵列功率控制模型，并通过一组飞轮储能单元的充放电仿真验证了所提协调控制策略的可行性和优势。最后基于飞轮储能实时补偿风电功率中高频成分的方法来平滑风电输出功率的波动。采用2 MW的飞轮储能阵列匹配10 MW风电，其中2 MW飞轮储能阵列由8台250 kW/50 (kW·h)飞轮储能单元组成，10 MW风电由5台2 MW风电机组组成。飞轮储能阵列采用仿真模型，风电输出功率采用200 min的实测运行机组的数据。仿真结果验证了所提出的控制策略和分层分组控制方法的有效性，也表明了飞轮储能匹配风电可以显著降低风电功率的波动量，且能满足国家相关标准(GB/T 19963—2011)的要求。

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液流电池封装压力计算

李昂, 李晓蒙, 杨林, 王含, 项俊帆, 刘雨涵

2022 (2): 609-614. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0378

摘要 ( 233 )

HTML ( 32 )

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液流电池可用于大规模电力储存，辅助新能源电力并入电网，也可作为备用电源，进行小时级稳定的电力输送。其工程优势是系统的功率与储存容量自由匹配，是有效提高电能质量、保障电力输送稳定性的手段之一。本工作建立了一种基于胡克定律的力学模型，用于求解电池堆的密封压力。经数值仿真发现，电池堆刚度系数与单电池数量的增长呈对数减函数关系。装配中，堆体自重下压量与电池节数的增加呈现二次增函数。一个全尺寸的含有100节电池的电堆，理论计算结果与装配过程中记录的数据相符，电池堆通过了气密性检测，证明此数学模型有指导意义。

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基于双层规划模型的用户侧混合储能优化配置

郭斌, 邢洁, 姚飞, 景小敏

2022 (2): 615-622. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0508

摘要 ( 325 )

HTML ( 39 )

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利用用户侧峰谷电价差，优化配置储能系统并合理调度可降低用电成本。本文提出一种铅酸电池-超级电容混合储能系统的双层规划模型，以储能投资年回报率为外层目标函数，在目标函数中考虑了储能削峰填谷收益、需量防守收益、全生命周期成本等因素；以储能日调度收益为内层目标函数，研究了储能各时段最优充放电功率。在构建混合储能系统模型时，考虑到铅酸电池和超级电容在能量、功率特性上的不同，在约束条件中加入充放电频率约束对不同储能元件日运行充放电次数进行限制。基于某电力用户实际负荷，采用粒子群算法和CPLEX求解器对双层规划模型进行求解，得到混合储能系统的最优配置，验证了混合储能模型在月综合收益、年投资回报率上均优于单独储能系统。

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基于“端-边-云”架构的园区综合能源系统协调优化调度

李昊, 张静, 刘畅, 李文

2022 (2): 623-634. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0445

摘要 ( 175 )

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PDF(4738KB) ( 226 )

园区综合能源系统具有供能子系统繁多的特点，亟需对多个供能子系统进行协调优化调度以提高系统运行经济性。为此，提出一种基于“端-边-云”架构的园区综合能源系统协调优化调度方法。该方法考虑园区中相邻供能子系统之间的电、热、气互济互补，在云端建立综合能源系统优化模型，在边缘侧利用同步型ADMM算法求解调度方案，在端侧将最优化调度方案下控至各用能设备。算例结果表明，所提优化调度方法可有提升系统运行的经济性与可靠性，并缓解调度中心的计算压力。

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“双碳”目标下我国低碳清洁氢能进展与展望

刘玮, 万燕鸣, 熊亚林, 刘坚

2022 (2): 635-642. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0385

摘要 ( 841 )

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PDF(1232KB) ( 828 )

2020年是氢能发展加速之年。中国国家主席习近平在第75届联合国大会期间提出，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。应对气候变化的脱碳愿景逐步成为氢能大规模部署的最重要驱动力。但我国目前在碳中和战略下氢能产业发展目标和路径尚不明确，本文应用情景分析方法和长期能源替代规划(LEAP)模型的计算，对我国交通、工业、建筑与发电等领域的氢能进行需求分析测算，研究结果表明，为实现2060年碳中和目标，我国氢气的年需求量将从目前的3342万吨增加至1.3亿吨左右，在终端能源体系中占比达20%。随着深度脱碳需求的增加和低碳清洁氢经济性的提升，氢能在工业、交通、建筑与发电等领域逐步渗透，氢能供给结构从化石能源为主的非低碳氢逐步过渡到以可再生能源为主的清洁氢，并将提供80%氢能需求。2060年，低碳清洁氢供氢体系二氧化碳减排量约17亿吨/年，约占当前我国能源活动二氧化碳总排放量的17%。

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一种可工程化检测磷酸铁锂电池问题的方法

赵尚玉, 张震, 王宝源, 曾驱虎

2022 (2): 643-651. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0437

摘要 ( 217 )

HTML ( 56 )

PDF(2531KB) ( 459 )

磷酸铁锂电池广泛应用在大规模储能电站系统，为提高电池系统运行性能和保证电池系统安全性，迫切需要一套可工程化、在线、快速、精准定位不一致电芯的方法，便于系统快速诊断和维护。本工作提出了一种基于电池充放电特征，利用多种离群值检测的算法，实现问题分类。在此基础上计算电池偏差容量，以之作为优化系数，对上述各类问题进行优先处理级别排序，给工程运维带来了极大的便利。实践结果表明，本工作提出的方法具有辨识准确度高、调参简便、计算复杂度低的特性，十分适合在线工程，对储能电站的维护具有重要指导意义。

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全氟己酮及细水雾灭火装置对大容量三元锂离子电池的灭火实验

谢卓衡, 王子阳, 张刚, 辜振宁, 石晓龙, 姚斌

2022 (2): 652-659. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0402

摘要 ( 519 )

HTML ( 58 )

PDF(5993KB) ( 591 )

本工作搭建了锂电池燃烧-抑制实验平台，以额定容量为150 A·h的三元铝壳动力锂离子电池单体为研究对象，采用电加热方法诱导其发生热失控，研究全氟己酮及细水雾灭火装置对热失控锂离子电池的灭火降温效果，测试了不同工况下的灭火时间、最高温度、质量损失、灭火效率。实验结果表明：标准设计下的全氟己酮灭火装置能够快速灭火，最大降温速率为-15.4 ℃/s，但随着实验箱内灭火剂浓度下降，灭火后60 s锂离子电池发生了复燃；细水雾灭火装置可以有效灭火，在喷雾后锂离子电池温度降至78.8 ℃左右，最大降温速率为-26.9 ℃/s，后续未发生复燃现象，但是其用水量较大，难以开展实际应用。本工作可以为三元锂离子电池进一步的灭火技术研究提供实验支撑。

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基于双自适应卡尔曼滤波的锂电池状态估算

黄鹏超, 鄂加强

2022 (2): 660-666. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0411

摘要 ( 304 )

HTML ( 35 )

PDF(1331KB) ( 255 )

精准的锂电池建模是保证电池储能系统可靠性至关重要的手段。荷电状态(state of charge，SOC)的准确估计保证了特定应用程序的安全高效运行。为了提高SOC的估计精度，首先建立等效电路模型，利用遗忘因子的偏差补偿最小二乘法(bias compensation recursive least squares，BCRLS)对电池模型进行参数辨识。然后，利用自适应无迹卡尔曼滤波(adaptive unscented Kalman filter，AUKF)算法来估计SOC。由于无迹无迹卡尔曼滤波算法易受非线性因素的干扰，因此提出了利用权重量定义AUKF算法提高SOC的估计精度。由于电池在放电过程中，电池内部特性会发生变化，而电池欧姆内阻会对SOC估计结果产生直接影响。基于此，本工作提出了双自适应无迹卡尔曼滤波来进一步提高SOC的估计精度。通过和不同算法进行比较，实验结果表明，所提算法估计SOC的误差控制在2%以内，验证了算法的有效性。

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基于SOC的动力电池组主动均衡研究

刘春辉, 任宏斌

2022 (2): 667-672. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0420

摘要 ( 283 )

HTML ( 48 )

PDF(1527KB) ( 292 )

动力电池单体容量不一致会导致动力电池组在充放电过程中失去平衡，影响动力电池组的使用效果，降低动力电池组的使用寿命。为了解决这一难题，本工作设计了一种基于荷电状态(SOC)值的主动均衡电池管理系统。该电池管理系统利用安时积分法估计动力电池组中各电池单体的SOC值，在此基础上计算动力电池组的SOC平均值，然后将各动力电池单体的SOC值与动力电池组的SOC平均值进行比较，若二者的差值大于或小于设定的阈值，电池管理系统将控制DC/DC变换器和开关电路对相应的电池单体进行充电或放电，实现电池组能量的转移，从而达到均衡的目的。以4块动力电池单体串联而成的动力电池组为例，对该主动均衡电池管理系统的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明，经过该系统的主动均衡，3608 s后各动力电池单体之间的SOC差值由初始的7.8%迅速减小到3%以内，5600 s后减小到1%，大大降低了动力电池中各电池单体SOC值的不一致。

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基于EIS和神经网络的退役电池SOH快速估计

耿萌萌, 范茂松, 杨凯, 赵光金, 谭震, 高飞, 张明杰

2022 (2): 673-678. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0503

摘要 ( 399 )

HTML ( 33 )

PDF(1433KB) ( 464 )

为了提高退役电池健康状态估计的速度和精度，针对某电动大巴车退役的方形磷酸铁锂电池，选取其中8只电池继续进行循环老化实验，并在不同循环周期后进行电化学阻抗测试。根据锂离子电池阻抗特性，提取300 Hz、60 Hz以及1 Hz下的实部、虚部和模值为特征参量，将测试时间由十几分钟缩短至几秒钟。以特征参量为输入参数，结合BP神经网络算法，搭建了基于电化学阻抗和BP神经网络的退役电池健康状态快速估计模型，采用19组未参与模型训练的数据对模型进行验证，验证样本的健康状态估计值的平均绝对百分误差(MAPE)为1.46%，均方根误差(RMSE)为1.60%，结果表明整体误差较低。该方法估测精度高，测试时间短，实现了退役电池健康状态快速估计，更有利于实际应用。

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老化电池的放电性能与充放电产热特性

陈兵, 郑莉莉, 李希超, 冯燕, 许卓, 戴作强

2022 (2): 679-689. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0408

摘要 ( 235 )

HTML ( 41 )

PDF(7508KB) ( 212 )

当前车用动力电池老化性能衰退问题日益凸显，动力电池老化后的性能受到了广泛关注。本文以18650型NCM811锂离子电池为研究对象，探究电池老化后的放电性能和充放电产热特性。为说明电池老化后的性能变化，以同型号新电池的对应性能参数作为参考量。开展了不同环境温度和不同放电倍率条件下电池的放电性能试验，得到电池放电电压曲线、放电容量以及放电过程中电池外表面的温度变化规律。并用等温绝热量热仪测试电池在充放电过程中的产热功率及产热量。结果表明：25 ℃时，0.2 C、0.5 C、1 C、2 C放电，老化电池放电容量分别占新电池放电容量的72%、69.5%、66.2%、62.2%，老化电池表面温升分别是新电池的147%、208%、331%、138%；0.5 C时，-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃放电，老化电池容量分别是新电池的57.5%、63.4%、66.9%、69.5%、69.3%，老化电池温升分别是新电池温升的91%、120%、106%、208%、146%；充放电过程中，老化电池的产热功率和产热量基本大于新电池，但由于老化电池有时充放电时间较短，会出现老化电池产热功率或产热量小于新电池的情况。

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锂离子电容器自放电检测方法研究

袁玉和, 刘亮, 张洪涛, 衣启正, 张永鹏, 郭延哲, 苑文畅, 李希超

2022 (2): 690-696. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0395

摘要 ( 293 )

HTML ( 37 )

PDF(1348KB) ( 264 )

自放电是锂离子电容器的一项重要性能指标。基于电化学理论并从实际应用角度出发，本工作研究了锂离子电容器单体在3.8 V和3 V时的电压保持能力(K值)，实验发现：锂离子电容器单体在3.8 V时的K值介于0.0037～0.0102 V/d，3 V时的K值介于-0.0003～0.0007 V/d；采用3.8 V时的K值可以更快速地检测单体自放电性能。为进一步提高单体自放电检测效率，本工作基于锂离子电容器自放电机理，还首次提出了一种锂离子电容器单体自放电性能检测方法(漏容量法)。经验证，在检测锂离子电容器单体自放电性能时，电压保持能力法往往需要几十个小时，而漏容量法可以在1 h内完成检测，其自放电检测效率更高。漏容量法在单体自放电检测的工程应用中具有很好的普适性。

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锂离子电池建模现状综述

李建林, 肖珩

2022 (2): 697-703. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0450

摘要 ( 726 )

HTML ( 98 )

PDF(1418KB) ( 921 )

简述了我国用于大规模储能的锂离子电池建模技术的最新研究进展。由于储能技术可以起到平抑波动、提高电能质量的作用，所以近年来电网对于储能的需求也逐年增大。大规模储能系统由锂电池组、双向逆变器和电池能量管理系统组成，在双向逆变器和电池能量管理系统有现成可用模型的前提下，建立精确、可靠的锂离子电池模型便成了实现大规模储能工程应用的重点。本文阐述了目前流行的电池建模方法：通过对电池电化学反应过程的模拟形成了电化学模型，虽然精度较高，但是模型复杂，使用时应当对其做适当简化，一般用于电池原理分析；通过对电池外特性不同程度的模拟形成了不同的等效电路模型，虽然不注重对原理的仿真，但是比较适合在工程实践中应用；通过对电池输入输出关系的研究形成了神经网络模型，但是其精度对于数据的数量和质量要求较高；最后总结指出为了更好地实现在电力系统中的应用，应当更加深入地研究锂离子电池反应原理并对其进行方程量化描述，提升模型在不同场景下的应用能力。

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双碳目标下储能参与电力系统辅助服务发展前景

刘志成, 彭道刚, 赵慧荣, 王丹豪, 刘育辰

2022 (2): 704-716. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0431

摘要 ( 719 )

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双碳目标改变了风电和光伏在能源产业中的发展地位，但大规模间歇式新能源并网给电网稳定运行带来了新的挑战，而储能是保证电网电能质量稳定的重要途径和手段。随着储能市场的日益发展壮大，对储能系统协调控制和性能参数的要求更加苛刻。储能市场环境演变规律体现了储能政策呈现利好趋势。通过系统梳理储能联合火电、风电、光伏等能源联合参与电力市场辅助服务的运行现状以及典型案例，发现储能系统收益较低且渠道狭窄，无法完成系统成本有效疏导。因此，本文阐述了在双碳目标下新能源发展趋势、电力行业需求和储能角色定位，探讨了在优化储能政策、加快储能设备研究、多种能源配备储能、“储能+”发展理念等方面的关键问题。最后，针对储能市场未来发展的政策改革、电池研究、协同控制、分布式储能集中管控等关键性内容提出建设性意见，助力实现“碳中和”远景目标。

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梯次利用动力电池规模化应用经济性及经济边界分析

李雄, 李培强

2022 (2): 717-725. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0487

摘要 ( 311 )

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电动汽车动力电池的退役潮来临，大量退役动力电池的处理成为当前的一大难题，将其规模化应用于储能系统是解决该问题的有效途径，研究梯次储能的经济性对促进规模化应用具有重大现实意义。首先分析了梯次储能系统的成本构成，并采用平准化成本模型分析了梯次储能的成本参数敏感性。其次，分析了退役电池梯次利用现状，探讨了梯次利用关键技术发展趋势；最后分析了梯次储能规模化应用时在实现盈利和优于新电池情况下的边界值，为梯次利用提供参考。

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储能科学与工程本科专业核心课程建设探讨

谈鹏, 胡茂彬

2022 (2): 726-730. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0498

摘要 ( 250 )

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PDF(778KB) ( 368 )

随着《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024年)》的发布，全国至今已有26所高校设置了“储能科学与工程”本科专业。储能科学与工程是一个多学科深度交叉的专业，涉及材料、电化学、工程热物理等众多领域。因此，本科专业知识体系与课程设计非常重要，尤其是专业核心课程的设置。以几所代表性高校的储能科学与工程课程体系为例，并结合相关传统专业中的核心课程设置，针对国家需求和学科体系中专业知识的覆盖程度，建议选取储能材料、工程热力学、工程力学、传热传质学、电工电子技术和控制理论作为储能科学与工程本科专业的核心课程，并分析了课程内容设置情况和培养目标，希望为我国储能学科的建设提供启示。

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碳中和背景下太阳能光伏产业现状及发展

王捷, 林余杰, 吴成坚, 杨斌浩

2022 (2): 731-732.

摘要 ( 144 )

HTML ( 34 )

PDF(286KB) ( 499 )

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基于区块链的共享储能应用及交易模式探讨

闫铮

2022 (2): 733-734.

摘要 ( 89 )

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PDF(351KB) ( 227 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

全钒液流储能电池数学模型的研究

瞿娟

2022 (2): 735-736.

摘要 ( 94 )

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分布式化学储能系统数据分析模型构建研究

唐雨薇

2022 (2): 737-738.

摘要 ( 100 )

HTML ( 23 )

PDF(305KB) ( 282 )

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