儲能系統基礎知識大盤點，儲能入門必看！

儲能系統由：電池、電器元件、機械支撐、加熱和冷卻系統（熱管理系統）、雙向儲能變流器（Power Conversion System）、能源管理系統（Energy Management System）以及電池管理系統（Battery Management System）共同組成。

電池通過排列，連接組裝成電池模組，再和其他元器件一起固定組裝到柜體內構成電池柜體。

1、電池

作為新型儲能的關鍵技術路線之一，新型儲能電池在提高可再生能源消納比例、保障電力系統安全穩定運行等方面發揮重要作用。

鋰電池作為儲能關鍵器件，是決定電化學儲能進步的“中樞”。鋰電池按照正極材料不同分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

儲能市場主要以磷酸鐵鋰電池為主，消除晝夜峰谷差是儲能系統的主要應用場景，而產品使用時間直接影響到項目收益。

儲能單元，通常是指電池，是儲能系統中用于存儲和釋放電能的基本設備。

基本構成：

正極材料：電池中發生氧化反應的部分，常見的正極材料包括鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鐵磷酸鹽（LiFePO4）、鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）等。

負極材料：電池中發生還原反應的部分，常見的負極材料包括石墨、硅、錫等。

電解質：電池中離子傳輸的介質，可以是液態的，也可以是固態的（固態電解質）。電解質允許離子在正負極之間移動，完成充放電過程。

隔膜：位于正負極之間，作用是防止正負極直接接觸導致短路，同時允許離子通過。

集流體：通常由金屬（如銅和鋁）制成，用于將電芯的電流傳輸到外部電路。

電池殼體：電池的外部結構，用于保護內部組件并提供機械支撐。

電池管理系統（BMS）：負責監控和管理電池的充放電過程，確保電池安全運行并優化其性能和壽命。

工作原理：

充電過程：充電過程中，外部電源向電池提供電能，正極材料釋放鋰離子（或其他離子），這些離子通過電解質移動到負極材料中并嵌入其中，存儲能量。

放電過程：放電過程中，電池向外部設備提供電能，負極材料釋放鋰離子，這些離子通過電解質移動回正極材料，與正極材料反應，產生電流。

電化學反應：電池的充放電過程涉及到正負極材料之間的電化學反應，這些反應是可逆的，允許電池在充放電循環中重復使用。

作用：

能量存儲：電池能夠存儲電能，為電網、家庭、工業或電動汽車等提供備用電源。

峰谷削平：電池可以在電力需求低時存儲能量，在高峰時段釋放能量，幫助電網平衡供需。

可再生能源整合：電池可以存儲風能、太陽能等可再生能源產生的電能，提高能源的利用率。

提高電網穩定性：電池可以快速響應電網需求變化，提供頻率調節、電壓支持等服務，增強電網的穩定性。

移動電源：在電動汽車和便攜式電子設備中，電池作為移動電源，提供所需的電能。

應急電源：在緊急情況下，電池可以作為應急電源，保障關鍵設備和系統的運行。

儲能單元（電池）的設計和選擇需要考慮其能量密度、功率密度、循環壽命、安全性、成本和環境影響等多個因素，以滿足不同應用場景的需求。

2、熱管理

基本構成

傳感器：溫度傳感器、壓力傳感器等，用于實時監測電池和環境的溫度、壓力等參數。

控制單元：通常是一個微控制器或計算機系統，根據傳感器數據和預設的算法來控制熱管理設備的運行。

冷卻設備：

風冷系統：包括風扇、空氣通道、熱交換器等，通過空氣流動來散熱。

液冷系統：包括泵、冷卻液、散熱器、冷卻板等，通過冷卻液循環帶走熱量。

加熱設備：如電加熱器、相變材料加熱器等，用于低溫環境下加熱電池。

隔熱材料：用于減少外界環境對電池溫度的影響，保持內部溫度穩定。

執行器：如閥門、泵等，用于控制冷卻液或空氣的流動。

連接件：包括管道、電纜等，連接各個組件，確保系統正常工作。

工作原理

溫度監測：傳感器持續監測電池和環境的溫度，并將數據傳輸給控制單元。

數據分析：控制單元分析數據，確定是否需要啟動冷卻或加熱設備。

冷卻過程：

風冷：當溫度超過設定閾值時，風扇啟動，推動空氣流過電池表面，帶走熱量。

液冷：泵推動冷卻液通過冷卻板或直接與電池接觸，吸收熱量后流回散熱器進行熱交換。

加熱過程：在低溫環境下，加熱設備啟動，通過電能或相變材料釋放熱量，提高電池溫度。

溫度調節：控制單元根據實時數據調整冷卻或加熱的強度，確保電池溫度維持在最佳工作范圍內。

熱分布均勻性：通過設計合理的風道或冷卻液流動路徑，確保電池組內溫度分布均勻。

安全保護：系統還包括過熱保護、泄漏檢測等安全功能，以防止潛在的安全隱患。

智能優化：現代熱管理系統可能集成人工智能算法，以優化控制策略，提高能效和響應速度。

遠程監控：系統可能支持遠程監控和控制功能，便于維護人員實時了解系統狀態并進行調整。

關鍵作用：

溫度控制：熱管理系統通過調節電池溫度，確保它們在適宜的工作溫度范圍內，通常是23~25℃，以實現最高工作效率。

防止過熱：當電池溫度超過50℃時，熱管理系統需要采取措施，如啟動冷卻系統，以防止電池過熱，避免電池壽命的快速衰減和潛在的安全風險。

應對低溫：在低溫環境下，溫度低于-10℃時，電池會進入“冬眠”模式，無法正常工作。

熱管理系統則需要啟動加熱系統，確保電池能夠正常工作。

熱分布均勻性：熱管理系統需要確保電池組內的溫度分布均勻，避免局部過熱或過冷，這有助于維持電池的一致性和整體性能。

提高安全性：通過有效的熱管理，可以降低電池熱失控的風險，提高整個儲能系統的安全性。

延長壽命：通過維持適宜的工作溫度，熱管理系統有助于延長電池的使用壽命，減少維護成本和更換頻率。

適應環境變化：熱管理系統需要能夠適應不同的環境溫度，無論是高溫、低溫還是極端氣候條件，都能夠保證電池的穩定運行。

能效優化：熱管理系統的設計還需要考慮能效，以最小化能耗，提高系統的整體能源效率。

智能控制：現代熱管理系統通常具備智能控制功能，能夠根據實時監測的數據自動調節，以響應電池溫度的變化。

3、電池管理系統（BMS）

電池管理系統（Battery Management System）儲能系統中的核心組件，負責管理和監控電池組的運行狀態，確保電池的安全性、可靠性和高效運行。以下是BMS的基本構成、工作原理以及關鍵作用：

基本構成

01.硬件組成：

傳感器：用于監測電池的電壓、電流、溫度等物理參數。

電路板：包括主控電路板、通信電路板等，負責數據的處理和通信。

處理器：核心控制單元，對電池狀態進行分析和計算，并執行相應的控制策略。

繼電器和保護電路：用于在異常情況下切斷電池的充放電電路，保護電池不受損害。

通信接口：用于與外部系統（如車輛控制系統、服務器等）進行數據通信。

02.軟件組成：

監控軟件：實時監控電池狀態，進行數據采集和顯示。

控制算法：根據電池狀態執行充放電控制、均衡管理等策略。

通信協議：定義BMS與其他系統之間的數據交換格式和規則。

工作原理

數據采集：BMS通過傳感器實時采集電池的電壓、電流、溫度等參數。

數據處理：處理器對采集到的數據處理，計算電池的充放電狀態、剩余電量、內阻等關鍵信息。

控制策略執行：根據數據處理的結果，BMS執行相應的控制策略，如調節充放電電流、執行電池均衡等。

通信與反饋：BMS通過通信接口與外部系統交換數據，接收外部指令，并將電池狀態信息反饋給外部系統。

關鍵作用

電池管理系統（BMS）是電池與用戶之間的橋梁角色，確保電池的安全運行并優化其性能。

提高電池利用率：通過精確控制充放電過程，BMS能夠確保電池在其安全的工作范圍內運行，從而延長電池的使用壽命并最大化其能量輸出。

防止過度充電和過度放電：BMS通過監測電池的電壓和電流，防止電池充電到過高的電壓或放電到過低的電壓，這兩者都可能導致電池損壞或安全問題。

電壓、電流和溫度：是BMS監測的三個基本參數，是評估電池狀態的關鍵指標。電壓監測確保每個電池單元在安全電壓范圍內；電流監測幫助了解電池的充放電速率；溫度監測則確保電池不會過熱。

SOC（荷電狀態）：BMS通過復雜的算法，結合電壓、電流和溫度等數據，估算電池的剩余電量，這對于電池的健康管理和充放電策略至關重要。

熱管理系統：BMS可以控制熱管理系統的啟停，以維持電池在最佳溫度范圍內工作，防止過熱導致的性能下降或安全風險。

系統絕緣檢測：BMS能夠檢測電池系統的絕緣狀態，確保沒有漏電或短路的風險。

電池間均衡：通過均衡電路，BMS能夠調整電池組中各個電池單元的電壓，確保它們之間的一致性，避免某些電池單元過度充放電。

安全設計：BMS的設計應以安全為首要考慮，采用預防措施和控制策略來減少潛在的安全風險。

系統性安全管控：BMS需要系統性地解決電池的安全問題，包括實時監控、故障診斷、預警機制以及緊急情況下的快速響應。

4、雙向儲能變流器（PCS）

儲能變流器（PCS）可以類比為一個"超大號的充電器"，儲能系統中的關鍵設備，具備雙向轉換的能力，在儲能系統中發揮著關鍵的作用。用于實現儲能電池與電網之間的能量轉換和雙向流動。它能夠將直流電轉換為交流電或將交流電轉換為直流電，以滿足電網對儲能系統的充放電需求。PCS儲能變流器在儲能系統中扮演著“橋梁”的角色，連接著儲能電池和電網，確保儲能系統的高效、穩定運行。

基本構成

DC/AC雙向變流器：核心部分，負責實現直流電（DC）與交流電（AC）之間的雙向轉換。

控制單元：負責對PCS的操作進行智能化控制，包括充放電策略的制定、運行模式的切換等。

保護電路：確保系統在異常情況下能夠安全運行，保護電池和PCS本身不受損害。

監測單元：實時監測PCS和電池的工作狀態，收集數據以供控制單元決策。

通信接口：實現PCS與電網、用戶和其他系統之間的信息交換。

工作原理

電能接收：PCS接收來自太陽能電池板、風力發電機或其他直流電源的電能。

能量轉換：PCS內部的DC/AC變流器將直流電能轉換為交流電能，或者反向轉換，滿足不同工作狀態的需求。

充放電管理：PCS根據控制策略對電池進行充電或放電，充電時將電能儲存起來，放電時將儲存的電能釋放。

電能輸出：PCS將電能以適當的形式輸出到電網或負載。

關鍵作用

雙向能量轉換：與單向的手機充電器不同，PCS能夠實現交流電（AC）到直流電（DC）的轉換，以及直流電到交流電的轉換。這種雙向轉換能力是PCS區別于傳統充電器的重要特點。

充電過程：充電模式下，PCS作為整流器，將電網提供的交流電轉換為適合電池存儲的直流電，為電池堆充電。

放電過程：放電模式下，PCS作為逆變器，將電池堆中的直流電轉換為交流電，供電網或負載使用。

電網互動：PCS不僅在充電和放電時發揮作用，還可以根據電網需求進行功率調節，如在電網負荷高峰時放電，負荷低谷時充電，實現電網的削峰填谷。

能量管理：PCS通常配備有智能控制單元，能夠根據電網狀態和電池的SOC（State of Charge，電池的剩余電量）等參數，自動調整充放電策略，優化系統效率。

保護機制：PCS還具備電池保護功能，能夠監測電池狀態，防止過充、過放，確保電池安全和延長使用壽命。

適用性廣泛：PCS的應用不僅限于大規模儲能系統，也適用于家庭、商業和工業等多種場景，為不同類型的負載提供穩定和高質量的電能。

技術進步：隨著電力電子技術的發展，PCS的效率、可靠性和智能化水平不斷提高，為儲能系統的廣泛應用提供了強有力的支持。

5、能量管理系統（EMS）

儲能能源管理系統（Energy Management System，簡稱EMS）是儲能系統中的一個關鍵組成部分，它負責監控、控制和優化整個儲能系統的能量流動和運行效率。

“好方案源于頂層設計，好系統出于EMS”，可見EMS在儲能系統中的重要性。

能源管理系統的存在，是為了將儲能系統內各子系統的信息匯總，全方位的掌控整套系統的運行情況，并作出相關決策，保證系統安全運行。

EMS會將數據上傳云端，為運營商的后臺管理人員提供運營工具。同時，EMS還負責與用戶進行直接的交互。用戶的運維人員可通過EMS實時的查看儲能系統的運行情況，做到實施監管。

基本構成：

中央控制單元：EMS的大腦，負責處理數據、執行策略和做出決策。

數據采集系統：收集儲能系統各部分的實時數據，如電池狀態、PCS狀態、電網參數等。

通信接口：與儲能系統中的其他組件（如BMS、PCS）進行數據交換和指令下達。

用戶界面：提供系統狀態的可視化展示，以及操作界面供用戶進行系統設置和控制。

分析和優化算法：內置的軟件算法，用于分析數據、預測趨勢和優化充放電策略。

安全和保護邏輯：確保系統在各種工況下的安全運行，包括故障檢測和應急響應。

工作原理：

數據監測：EMS實時監測儲能系統中所有相關設備的狀態和參數。

狀態評估：基于收集的數據，EMS評估系統當前的工作狀態和電池的健康狀態。

策略制定：根據電網需求、電池狀態和預設的優化目標，EMS制定充放電策略。

指令下達：EMS向PCS和BMS等設備發送控制指令，執行充放電操作。

系統優化：EMS通過內置算法優化儲能系統的整體性能和效率。

安全監控：實時監控系統安全，確保在異常情況下能夠及時響應。

7、EMS的主要功能：

監測與控制：EMS能夠實時監控儲能系統的運行狀態，包括電池的充放電狀態、溫度、電壓、電流等關鍵參數，并控制儲能變流器（PCS）進行充放電操作，以保持電池在最佳工作狀態。

優化調度：EMS根據電網需求、電池狀態和成本等因素，優化儲能系統的充放電策略，提高能源利用效率，降低運營成本。

狀態估計與性能評估：EMS通過先進的算法對電池的狀態進行估計，包括電池的剩余容量、健康程度等，并評估電池的性能，為優化充放電策略提供依據。

安全管理：EMS包含了一系列的安全保護措施，如過溫保護、過充保護、過放保護、電池均衡管理等，以防止電池損壞或發生安全事故。

數據采集與分析：EMS收集儲能系統的運行數據，進行分析和處理，以識別系統性能趨勢，為系統優化和維護提供數據支持

通信與接口：EMS與其他系統（如電網調度系統、分布式能源管理系統等）進行通信，執行遠程控制指令，實現儲能系統與外部系統的互動。

能量預測與規劃：EMS可以根據歷史數據和天氣預報，預測電網負荷和可再生能源發電量，從而規劃儲能系統的運行策略。

8.輔助服務：EMS可以協調儲能系統提供輔助服務，如頻率調節、電壓控制等，以支持電網的穩定運行。

9.經濟運行：EMS通過分析市場價格和電網需求，優化儲能系統的運行模式，以實現經濟利益最大化。

10.故障診斷與維護：EMS能夠監測電池和系統的異常情況，提供故障診斷報告，輔助維護人員及時解決問題，并預測維護時間。

能量管理系統在儲能系統中發揮著至關重要的作用，它不僅能夠提高能源利用效率，降低運營成本，還能確保系統的安全性和可靠性。

來源：網絡

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