哈尔滨工业大学（深圳）副教授武俊伟：储能电池的SOC/SOH预测助力储能新发展

21年以来，随着“3060”目标的提出，一系列新能源利好政策的落实，储能迎来了前所未有的机遇。

11月17日，由中国高科技行业门户OFweek维科网主办，维科网储能承办的“OFweek 2022储能技术与应用高峰论坛暨储能行业年度颁奖典礼”在深圳成功举办。

此次高峰论坛线上超万名观众+线下500多位嘉宾齐聚一堂，充分探讨了储能行业的发展现状和未来发展趋势。

哈尔滨工业大学（深圳）副教授武俊伟发表了《储能电池的SOC/SOH预测》的精彩演讲。

图：哈尔滨工业大学（深圳）副教授武俊伟

碳中和催生储能发展

武俊伟首先对21年以来，碳中和背景下，国家能源局、地方能源局等机构推出的新能源政策进行了一些介绍。

2020年9月22日习总书记发表讲话——“中国力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和”。

“十四五”发展目标里，国家能源局锚定了新能源发展目标：2030年全国非化石能源消费比重达25%，风电光伏装机达12亿千瓦以上。

21年12月，国家能源局正式将电化学储能、压缩空气储能、飞轮等新型储能纳入并网主体管理；22年1月，发改能源推出完善支持储能应用的电价政策；22年6月，发改办运行提出，新型储能可作为独立储能参与电力市场。

武俊伟表示，“双碳”目标的提出，新能源电力系统的发展，以及相关行业政策的落实，为储能行业的蓬勃发展做好了充分的准备。

储能技术+盈利方式一览

武俊伟表示，储能技术主要分为三大类，抽水蓄能，新型储能和熔盐储热。

根据CNESA全球储能项目库的不完全统计，截至2021年底，新型储能市场增速最快，计装机规模5729.7MW，同比增长75%。

武俊伟着重介绍了新型储能中的电化学储能系统及其成本构成，以及电化学储能中的锂离子电池和钠硫电池。

电化学储能系统由集装箱、电池、储能变流器（PCS）、BMS、温控系统和消防系统等组成。其中，成本构成方面，电池是储能系统最重要的组成部分，成本占比60%；其次是储能逆变器，占比20%，EMS（能量管理系统）成本占比10%，BMS（电池管理系统）成本占比5%，其他为5%。

电化学储能包括锂离子电池、钠硫电池和液流电池等。锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成，是电池中比能量最高的实用型电池。

钠硫电池的阳极由液态的硫组成，阴极由液态的钠组成，中间隔有陶瓷材料的贝塔铝管。电池的运行温度需保持在300℃以上，以使电极处于熔融状态。由于它使用了金属钠，又运行在高温下，所以存在一定的风险。

随后，武俊伟还进一步介绍了当前储能的两种盈利方式。

第一，用户侧基于两部制电价进行用户电力的需量管理。储能系统通过实时监测关口功率，结合申报需量，在功率超出申报需量后，及时控制储能放电，降低最大需量。

第二，电网侧基于分时电价的削峰填谷。储能系统在电价低谷时从电网充电，在电价高峰时向电网放电。

电池SOC&SOH预测的策略

锂电池从设计出来，一直到二次利用，随着循环次数的增加，SEI膜生长，电解液消耗，正负极体积发生变化，达到一定程度，就会产生析锂，电解液分解，粘结剂失效的结果。

武俊伟用图像的形式，直观地展示了如何根据锂离子电池的电池健康状态（SOH），实现不同场景应用的原理。当最大可用充放电容量达到标称容量的80%时，需要更换电池。用于估计SOH的广泛使用的参数是电池老化期间的最大可用充电/放电容量和电池的内阻。

电池性能衰减可以通过搭建数学模型进行描述，不过这一建模过程较为复杂，需要操作者具备物理化学知识，同时收集相关的实验数据，才能保证模拟精度。

武俊伟介绍了三种模型预测方法。

第一，物理模型，这一模型可不需要或只要少量实验数据，构建等效电路、经验退化、电化学模型，缺点是不能描述动态过程。

第二，融合模型，这一模型需要大量实验数据，包括物理+数据驱动，数据+数据驱动，模型精度高、通用性强。

第三，数据驱动模型，这是一种纯数据驱动人工智能、统计模型、深度学习的模型，其精度取决于数据量及内容。

不过，通过种种模型预测，动力电池的寿命预测依然面临不确定性、建模复杂、鲁棒性差等困境。

对于未来储能系统的BMS研究需求，武俊伟认为主要有六个方向：要建立物理意义与ECM模型参数之间的关系；单个电池、电池组、串并联系统；多指标联合估计，要求简化计算；克服噪声干扰，实时估计；减少所需的训练数据集；集成所有电池状态来确定电池安全性，以防止危险故障。

储能电池安全方向

武俊伟指出，2011年起至2021年间，据不完全统计，世界范围内与锂电池安全性有关的储能电站事故有33起，电池安全问题亟待解决。

电池安全事故演化过程为：电解质分解后产生可燃气体，随后电解质燃烧，引起电池鼓胀、壳体破裂，最后气体释放，引发燃爆。

武俊伟表示，电池安全事故产生的三个原理分别是热诱因、热失效和热蔓延，事故的诱发因素则有四种。

第一，电池本体的制造瑕疵和使用老化。

第二，外部刺激源如外部短路、热冲击和电冲击。

第三，高温低温、水分粉尘等运行环境。

第四，BMS、PCS等管理系统问题。

如何提升电池的安全性需要上下游共同努力，最终目标是实现本征安全的单电池和电池组。

最后，武俊伟指出，氢气储能也是当前的热点方向。当前氢储能面临着四大挑战，分别是成本较高、氢气来源不足、加氢站覆盖率过低和需要具备高储氢容量成本的储氢材料。这些问题，需要氢储能领域同仁共同攻关克服。