用于电网应用的Li-ion电池储能系统等效电路模型、退化特性及经济性的综述

2026-06-19 11:32:23

锂离子（Li-ion）电池储能体系（BESSs）已越来越多地布置在可再生动力发电体系中，其使用包含套利、削峰填谷和频率调理。对先进电池建模办法进行全面的总述和归纳剖析，关于精确评价电池运转状况、猜测电池寿数以及评价经济可行性至关重要。这样的作业将促进BESS电网服务更牢靠、更高效的施行。现有文献已经剖析和研讨了电池模型，增强了对电池特性的了解。但是，关于根据不同方针的BESS建模，仍缺乏深化的了解和归纳剖析。因而，本文回忆并评价了并网型BESS的建模及其参加电力存储的状况。详细而言，概述了并网型BESS的使用，并深化调查和剖析了电池的等效电路模型、衰减特性和经济模型。本文提出了一个面向方针的理论建模结构，使运营商可以有效地将BESS与技能和经济联系起来。随后，探讨了与并网型BESS施行和建模相关的应战与机遇。此外，还着重了未来作业的研讨要点，要点关注根据分数阶的等效电路建模。

引言

气候变化代表了最急迫的全球应战之一，对环境和公共健康具有深远的影响。极点天气事情日益添加的频率和严重程度凸显了采取立即举动的必要性。来自Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）的数据显现，全球气温已较工业化前水平上升约1.1摄氏度，且大气中二氧化碳（CO 2 ）浓度在2021年已超越410 ppm [1]。图1展现了2018年至2022年按区域区分的全球温室气体（GHG）排放量，以吨二氧化碳当量为单位。该数据涵盖了全球全体以及亚洲、北美洲、欧洲、非洲、南美洲和大洋洲。可以看出，在2020年前后排放量呈现了显着下降，这很可能是由于Coronavirus disease 2019（COVID-19）疫情的影响。这场全球危机导致工业活动和交通运输削减，但跟着经济开端复苏，排放量在2021年呈现反弹。尽管存在这些动摇，高排放水平的全体稳定性表明，当时的全球努力可能仍不足以显著削减GHG排放。高排放水平的继续存在已形成严重环境影响，例如极地冰盖加快融化和海平面上升 [2]。此外，这些趋势也给公共健康带来了风险，包含热相关疾病的添加以及呼吸体系p...
对联合国环境规划署（United Nations Environment Programme）2019年至2023年《排放差距陈述》（Emissions Gap Reports）的剖析凸显了应对气候变化日益急迫的需求。2019年的陈述着重，为实现1.5 °C的方针，全球温室气体排放量需在2020年至2030年间每年削减7.6 % [6]。但是，2020年的陈述指出，受COVID-19疫情影响，排放量呈现了暂时性下降，但正告称这不足以改变长时刻趋势 [7]。此外，2021年的陈述观察到，尽管许多国家做出了新的净零许诺，估计全球气温升幅仍维持在2.7 °C左右 [8]。2022年的陈述突显了发展不足的问题，猜测假如当时方针得不到加强，到本世纪末气温将上升约2.8 °C [9]。2023年这一忧虑再次被提及，该陈述着重渐进式的改进是不行的，并敦促采取更雄心壮志的举动，特别是在逐步淘汰化石燃料和添加气候融资方面 [10]。
这些陈述一起着重了人们日益到达的一项一致，即迫切需求采取更积极的办法来应对气候变化。因而，在对气候危机意识增强以及削减GHG排放的急迫需求推动下，可再生动力发电在全球范围内已气势强劲。此外，政府、企业和个人也认识到向清洁动力转型的要害性，以减轻环境影响并促进可继续发展。估计到2028年，可再生动力将占全球发电量的>42%，这一严重里程碑反映出为应对加强气候举动的急迫需求而向可继续动力做出的要害改变。详细而言，风能和太阳能光伏（PV）的合计比例估计将翻番，到达25%[11]。技能进步也发挥了重要作用，BESSs的使用处理了与可再生动力相关的间歇性问题，进一步支持其并入电网[12]。BESS电网服务是指在电力体系中利用电池实现多种意图，包含大宗动力服务、辅佐服务、输电基础设施服务、配电基础设施服务以及客户动力办理服务。跟着BESS电网服务的不断多样化，BESS项意图要点已转向使用和建模方面，特别是关于...
超级电容器（也称为超电容或双电层电容器）因其卓越的功率密度、快速充放电能力以及长循环寿数，在能量存储中发挥着要害作用[[13], [14], [15]]。这些特性使超级电容器可以供给高功率输出，并接受数百万次充放电循环而性能衰减极小。因而，它们在需求快速能量交换及在多变环境条件下牢靠运转的使用场景中非常有效。但是，尽管具有这些优势，超级电容器与电池相比表现出较低的能量密度。这一差异凸显了它们的首要优势在于功率密度和循环寿数，而非长时刻能量存储。相比之下，电池凭仗更高的能量密度，更适合大规模能量存储使用，由于在这种使用中，巨大的能量容量和继续的性能至关重要。
不同电池表现出各种特性和性能指标，适用于广泛的使用场景。下表Table 1总结了几种电池技能及其优缺点和环境影响指数。Li-ion电池因其功率和能量密度而备受喜爱，有望占有主导地位，构成全球电池市场的三分之二[16]。Fig. 2展现了Li-ion电池充放电的示意图。根本的Li-ion电池由四个首要部件组成：anode、cathode、electrolyte和separator。在放电循环期间，anode（一般由碳资料组成）中的Li-ions发生电离，并经过多孔塑料separator穿过electrolyte进入cathode资料。与此同时，电子从anode释放，发生流经外部电路的电流。充电时，cathode中的Li-ions经过separator迁移偏重新定位到anode中，然后答应必要时进行重复的充电循环。
电池内电化学反响的复杂性使得建模成为必要，以辅佐监测运转状况、猜测毛病以及评价并网BESS的寿数。此外，建模还用于剖析各种BESS电网使用的经济可行性。文献中有多篇总述论文评论了BESS。例如，Ref. [49]对并网Li-ion电池储能体系的建模、办理和使用进行了总述。Ref. [50]为风力发电建立了电池等效电路模型，并剖析了其在风力发电过程中瞬态毛病条件下的充放电特性。Ref. [51]建立了一个用于电池寿数评价的Li-ion电池退化模型，该模型结合循环计数办法来辨认非正常操作发生的应力循环，然后使该退化模型可以使用于任何电池储能（BES）场景。Ref. [52]全面总述了长时储能的使用、经济性和技能，考虑了包含能量时刻搬运和容量付出贡献在内的长时刻储能使用的经济可行性，并展现了与Li-ion电池表现良好的使用场景不同的本钱结构。
荷电状况（SOC）表示电池中剩余能量占其总容量的百分比。精确的SOC预算关于优化电池性能和寿数至关重要。它有助于避免过充或深度放电，这两者都会显著缩短电池寿数并影响性能[53]。详细而言，一般需求继续监测SOC，以保证高效的能量办理并最大化电池供电体系的运转功率。健康状况（SOH）衡量电池相关于其初始状况的全体状况。它反映了电池贮存和释放能量的能力。精确的SOH预算关于猜测剩余使用寿数（RUL）以及保证使用中的牢靠性和安全性至关重要[26]。此外，SOH对维护方案拟定、性能评价和保修考量也十分要害，可保证电池体系保持牢靠且有效。此外，退化模型被用于了解电池的老化机制并猜测其使用寿数。这些模型关于规划电池体系的生命周期办理至关重要，包含更换策略和随时刻推移的性能优化[54]。精确猜测退化状况有利于更好地规划电池更换，并能提高电池在各种使用中的本钱效益和可继续性。经济建模是BESS研讨的另一个要害方面。它评价财务方面的……
在此背景下，本文首要回忆了BESS的电网使用。随后，咱们针对三个详细方针对BESS建模办法的最新发展进行了全面研讨：用于预算SOC和SOH的等效电路模型、用于猜测电池寿数的衰减模型，以及用于布置项目本钱效益剖析的经济模型。根据客观剖析，提出了一种BESS建模的概念结构，旨在为BESS所有者供给清晰且全面的参考。最终，咱们概述了关于并网锂离子BESS建模与集成的未来研讨作业，要点阐述了咱们提出的研讨办法及其有效性。