来源：快猛电池 发布日期：2026-07-09 20:46:19

在寒冷地区，低温与强降雪常导致断电事故。便携式储能系统（PESS）在这些区域需求旺盛，可有效缓解电力中断的负面影响。然而，此类系统的效率电池性能恶化，其在低温环境下的容量会显著衰减。现有的离网电池热管理系统均基于单一电池类型设计，在极端低温条件（-30°C）下可能失效∘C) 受限于电池性能。为此，本研究设计了一种适用于低温环境的双电池电力储能系统（PESSLT）以解决该问题，并完成了样机制造。所提出的PESSLT通过结合电池热管理技术与混合储能存储方法，实现极低温条件下高充放电效率与低容量衰减的目标。为实现精准的能量管理在PESSLT研究中，我们构建了一种新型凸电池模型，该模型综合考虑了温度与功率对电池充放电效率的影响。同时，针对双电池PESSLT系统，建立了兼顾多领域约束条件的完整运行模型。基于真实数据的模拟实验表明，在-30℃工况下——∘常用的磷酸铁锂(LFP)电池配备加热器时平均充放电效率仅为39%。此外，该方法存在四大缺陷：启动不稳定、容量快速衰减、安全风险及无法即时使用。所提出的双电池PESSLT方案虽使重量增加24%、初始投资提高72%，但实现了67%的平均充放电效率，不仅解决了上述所有问题，还显著延长了使用寿命。

引言

目前，约有8000万人口居住于冬季气温低于零下30℃的寒冷地区。制约电力储能系统在极低温环境下运行的主要因素在于缺乏适用的低温电池体系。当前低温电池系统的研究进展可分为两类。∘C. 寒冷地区常见的低温与大雪天气易引发电网线路故障及停电事故[1][2][3]。便携式储能系统(PESS)可缓解停电带来的负面影响[4]，并降低供电恢复成本[5]。因此寒冷地区对PESS存在强烈需求。然而，尽管已有大量研究围绕电力储能系统（PESS）在提升微电网韧性[6]、电力系统灾后恢复[7]、经济效益优化[8]以及缓解短期电力短缺[9]等方面展开，目前尚未出现针对PESS在约−30℃极低温环境下运行的相关研究。∘第一类研究致力于通过改良电池材料提升低温性能。例如，采用乙酸甲酯基电解液的电池经过优化后可在零下60℃保持液态。
C [10]，而纳米级钛酸锂被用作电极材料，以实现-80的放电容量∘C [10], and lithium titanate at the nanoscale is used as an electrode material to achieve a discharge capacity of −80 ∘其容量为室温放电容量的60%[11]。然而，由于成本、生产工艺难度及成品率低等问题，这些方法尚未实现商业化。目前可用于电力储能系统的商用电池类型包括铅酸电池、三元锂电池、磷酸铁锂(LFP)电池和钛酸锂(指采用钛酸锂作为负极材料的电池)。4C及以下温度时，其充电效率极低或完全无法充电，同时伴随显著的容量衰减和安全风险[12][25]。因此，现有的电池热管理方法均不适用于−304Ti5O12 batteries (which refer to batteries with Li4Ti5O12作为负极材料；为便于表述，下文简称LTO）等。每种电池均具有特定优势与局限性，其特性概况如表1[12]所示。铅酸电池成本较低，但存在能量密度低、循环寿命短的缺点。三元锂电池虽具备高能量密度，但其运行安全性问题备受关注[13]。相比之下，LFP与LTO电池不仅安全性优于三元锂电池，还能实现高倍率充放电，同时展现出独特性能特征。钛酸锂电池(LTOs)在低温环境下具有优异的充放电效率，但其成本高昂且能量密度较低。磷酸铁锂电池(LFPs)虽具备低成本与高能量密度特性，但在低温条件下效率显著下降，容量衰减明显[14][15]。因此，当前尚无商业化电池能够完全满足低温环境下电力储能系统(PESSs)的全部要求[16]，这些要求包括：低温高效充放电性能、商业化应用成熟度，以及合理的重量与成本。
第二类涉及通过消耗电能提升电池温度以改善低温环境下电池效率的热管理方法[17]。这类方法可分为外部加热与内部加热两种类型。外部加热法指利用其他装置从外部对电池进行加热，包括空调[18]、液体介质[19]、电热板[20]以及珀耳帖效应元件[21]等方式。内部加热法是通过电流流经电池，利用其内阻进行加热，包括直流预热[22]、交流预热[23]和脉冲预热[24]。这些电池热管理方法在接入电网时表现良好，因为它们可以从电网获取电能来加热电池（例如通过电网为电动汽车充电）。然而，对于偏远地区频繁需要应急供电的PESS系统而言，无论是外部还是内部加热方法，都需要通过电池放电来实现电池加热。现有电池热管理方法均基于单一电池类型。如前所述，LTO电池价格昂贵且能量密度较低。其他商用电池类型可能无法在-30℃条件下进行充放电。∘C and below or can only do so with extremely low efficiency, accompanied by significant capacity fading and safety risks [12], [25]. Therefore, the existing battery thermal management methods are not suitable for PESSs at temperatures of −30 ∘C及以下温度。
既往研究已探索通过混合储能系统(HESSs)来整合不同类型储能技术的优势[26]。例如，超级电容/电池混合系统被开发以实现高功率密度与能量密度[27]。在电动汽车领域，采用双电池的混合方案也被用于缓解电池性能衰减问题[28]。为解决固有功率波动问题，有研究提出将超导磁储能系统与蓄电池相结合的混合系统[29]，而据报道超级电容器/燃料电池混合系统可确保不间断电力生产[30]。然而，现有混合储能系统尚未实现低温环境下蓄电池效率的提升[26]。
此外，极低温环境下电力储能系统（PESSs）的运行需要精确且易于求解的电池模型。现有电池模型可分为两类：第一类是基于电池机理分析的电化学模型。Doyle提出的电池伪二维模型（P2DM）[31]为电池电化学模型奠定了基础。参考文献[32]通过假设电极内电流密度分布均匀并忽略液相电势和锂浓度空间变化，简化了P2DM模型，从而得到单颗粒模型(SPM)。随后研究者们对SPM进行了持续改进，例如Eric Prada等人[33]提出应考虑双电层效应。然而由于电池复杂的电化学特性，现有电化学模型均具有非凸性[16]，导致其计算难度大且不适用于电力系统运行优化[34]。第二类为目前电力系统采用的电池线性模型(LM)，该类模型通过对电池充放电过程进行简单线性近似以提高可求解性。为提高线性模型的精度，Pandžić与Bobanac[35]提出了一种考虑荷电状态(SOC)对最大充电功率影响的线性模型。文献[36]指出不同类型电池存在显著性能差异，因此应采用不同的线性模型。然而现有线性电池模型通过将电池充放电效率设为常数来规避非线性问题，该常数通常基于常温环境数据确定，这导致极低温工况下会出现显著误差。因此目前尚不存在能同时考虑低温、功率与电池类型对充放电效率影响的凸电池模型[16]，如表2所示，该缺陷使得寒区储能用飞轮系统(PESSs)的能量管理难以实现。
为解决这些问题，本文提出了一种新型实用的低温双电池PESS系统（PESSLT）。本研究的主要贡献可概括如下：

• 1)
  本研究提出通过结合电池热管理与混合储能方法，缓解低温对电池的各种负面影响。具体而言，通过协同磷酸铁锂（LFP）、钛酸锂（LTO）与加热装置，该方法使极低温动力储能系统（PESSLT）在-30℃环境下实现高充放电功率、低容量损失、自启动能力及即插即用功能。∘C.
• 2)
  本文提出了一种考虑温度和功率对电池充放电效率影响的新型电池模型，该模型保持凸性。与现有凸电池模型相比，该模型能够更精确地模拟低温下的电池运行。
• 3)
  开发了一个考虑电气、热能和电热转换、容量衰减以及可再生能源不确定性的PESSLT运行优化模型。此外，还制造了所提出PESSLT的原型。

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