第5章 儲能系統結構與電氣設計
5.1 概述
一個完整的儲能系統由電池組單元、能量管理系統（EMS）、電池管理系統（BMS）、儲能變流器（PCS）及其他設備（貨櫃、匯流、配電、溫控、消防、影片監控、照明、箱內電纜等輔助系統）構成。其中電池組是儲能系統最核心的構成部分。
本章主要針對儲能系統中電池預製艙內的電池組整合技術及其內部關鍵設備的設計思路進行介紹。
5.2 結構設計
儲能系統結構設計需要滿足一些基本的設計準則，主要包括：製造工藝及可裝配性設計準則、結構強度設計準則、環境適應性設計準則、結構安全防護設計準則、熱防護設計準則等。
5.2.1 製造工藝及可裝配性設計
儲能系統結構設計過程中需要滿足結構件在製造工藝及可裝配性方面的設計準則。結構件常用的製造工藝包括鈑金、注塑、鑄造、鍛造、焊接等。
（1）製造工藝
實際生產中，結構工藝性受到諸多因素的制約，比如：生產設備、批次可製造性、造型、加工精度、熱處理、成本等。因此，結構設計中也需要充分考慮上述因素對工藝性的影響。
從產品結構工藝性出發，對結構設計有以下基本要求：
①儲能系統的總體布局和整體結構盡可能簡單，並合理地劃分為若干個元件。
②合理選擇材料和熱處理方法，並按材料特性和加工工藝特點設計零件形狀、標記尺寸、提出公差和技術要求。
③為了提高整機的可靠性和安全性，設計中盡可能採用經過驗證的成熟結構。
（2）可裝配性
結構件可裝配性，就是結構件及其裝配元件（零件或子裝配體）容易裝配的能力和特性。
可裝配性是制約生產自動化的主要因素，故在結構設計的同時，盡可能兼顧下游的裝配環節及其相關因素，即在產品設計階段應儘早排除下游的隱患，避免大批次地返工。
從產品結構可裝配性出發，對結構件的可裝配性主要考慮如下三個特性：技術特性、經濟特性、社會特性。
5.2.2 結構強度設計
儲能產品的結構強度，需要結合其全生命使用週期，對產品各個階段不同工況進行針對性的考慮。
對於一款儲能產品來說，其完整的生命週期為製造－運輸－偵錯－運維。針對生命週期當中的各個階段，都有相應的評估和與之對應的結構強度設計準則。
（1）生產製造階段
主要的考慮要素為電池模組、電池簇和貨櫃的生產節拍、移動、搬運、吊裝等短距離運輸的安全可靠，主要的載荷是垂直方向的重力加速度載荷，而固定方式則和產品的轉運設備及產線設計強相關。
（2）運輸階段
運輸階段可以分為海路（航空）運輸、公路運輸和野外短途運輸。
①海路（航空）運輸主要以面向海外的儲能產品為主，一般依照聯合國針對危險品運輸專門制定的《聯合國危險物品運輸試驗和標準手冊》的第3部分38.3款進行，即UN 38.3認證。這一認證要求鋰電池運輸前，必須要通過高度模擬、高低溫循環、振動試驗、衝擊試驗、55℃外短路、撞擊試驗、過充電試驗、強制放電試驗，才能確保鋰電池運輸安全，其中，與機械強度相關的測試項目便是海路運輸中的主要要求。
②公路運輸主要指國內儲能產品從生產場地運輸至設備現場期間，車輛在公路上行駛的部分。此類運輸路況通常較為可控，路面顛簸程度相對較低，但運輸歷程較長。相關機械強度設計，可參考運輸包裝件垂直隨機振動試驗、寬頻隨機振動試驗、實驗室環境振動試驗及大型電力設備運輸等技術規範。
③對於運輸條件較為嚴苛的場景，可參考嚴苛環境下的振動試驗方法進行針對性設計。同時，也可依據環境試驗中的正弦振動試驗與衝擊試驗方法，針對客戶現場的實際運輸條件進行荷載採集與試驗驗證。
（3）偵錯階段
偵錯階段主要包括設備的吊裝、就位等工作。隨著儲能系統整合程度的提升，儲能系統（預製艙）的電量從1～2MWh逐步擴展到3～6MWh，對於設備到現場後的吊裝以及相關的設計提出了更高的要求。
（4）運維階段
運維階段需要對於儲能產品在運轉維護過程中抵抗惡劣環境的能力進行針對性設計，主要考慮環境荷載、工作荷載和地震荷載。
①環境荷載，是指產品在所在地自然環境與氣象條件下所承受的荷載，包括風荷載、雪荷載與積冰荷載。其中，風荷載與雪荷載可參考建築結構荷載相關技術規範中的資料進行校核；積冰荷載則可參考高聳結構設計相關規範中的資料進行校核。
②工作荷載，是指產品在運轉階段及維護期間所承受的外部作用力，包括動荷載與使用荷載。動荷載主要來自運維人員、設備與工具進入貨櫃基座或艙室時所產生的荷載，可依建築結構荷載相關技術規範設置地面荷載與動荷載。使用荷載則包括儲能產品自身長期承受的靜態重力荷載，以及因膨脹變形對結構件施加的作用力。相關機械強度設計，應依產品重量、使用場景、結構條件與安全等級進行綜合評估。
③地震荷載，是指地震過程中地基晃動所產生的荷載。為抵抗地震荷載造成的結構變形與應力，需要針對不同荷載形式對儲能產品進行抗震設計。產品抗震設計應依專案所在地適用的建築抗震設計規範、設備抗震設計要求與地震動參數資料進行；部分荷載組合形式及安全係數，可參考高安全等級設施或特殊電力設備的抗震設計要求。對於國際專案，則需根據專案所在地區、客戶需求與當地法規進行針對性設計，也可參考變電站抗震設計與變電站結構設計等相關國際規範作為設計基準。
5.1 概述
一個完整的儲能系統由電池組單元、能量管理系統（EMS）、電池管理系統（BMS）、儲能變流器（PCS）及其他設備（貨櫃、匯流、配電、溫控、消防、影片監控、照明、箱內電纜等輔助系統）構成。其中電池組是儲能系統最核心的構成部分。
本章主要針對儲能系統中電池預製艙內的電池組整合技術及其內部關鍵設備的設計思路進行介紹。
5.2 結構設計
儲能系統結構設計需要滿足一些基本的設計準則，主要包括：製造工藝及可裝配性設計準則、結構強度設計準則、環境適應性設計準則、結構安全防護設計準則、熱防護設計準則等。
5.2.1 製造工藝及可裝配性設計
儲能系統結構設計過程中需要滿足結構件在製造工藝及可裝配性方面的設計準則。結構件常用的製造工藝包括鈑金、注塑、鑄造、鍛造、焊接等。
（1）製造工藝
實際生產中，結構工藝性受到諸多因素的制約，比如：生產設備、批次可製造性、造型、加工精度、熱處理、成本等。因此，結構設計中也需要充分考慮上述因素對工藝性的影響。
從產品結構工藝性出發，對結構設計有以下基本要求：
①儲能系統的總體布局和整體結構盡可能簡單，並合理地劃分為若干個元件。
②合理選擇材料和熱處理方法，並按材料特性和加工工藝特點設計零件形狀、標記尺寸、提出公差和技術要求。
③為了提高整機的可靠性和安全性，設計中盡可能採用經過驗證的成熟結構。
（2）可裝配性
結構件可裝配性，就是結構件及其裝配元件（零件或子裝配體）容易裝配的能力和特性。
可裝配性是制約生產自動化的主要因素，故在結構設計的同時，盡可能兼顧下游的裝配環節及其相關因素，即在產品設計階段應儘早排除下游的隱患，避免大批次地返工。
從產品結構可裝配性出發，對結構件的可裝配性主要考慮如下三個特性：技術特性、經濟特性、社會特性。
5.2.2 結構強度設計
儲能產品的結構強度，需要結合其全生命使用週期，對產品各個階段不同工況進行針對性的考慮。
對於一款儲能產品來說，其完整的生命週期為製造－運輸－偵錯－運維。針對生命週期當中的各個階段，都有相應的評估和與之對應的結構強度設計準則。
（1）生產製造階段
主要的考慮要素為電池模組、電池簇和貨櫃的生產節拍、移動、搬運、吊裝等短距離運輸的安全可靠，主要的載荷是垂直方向的重力加速度載荷，而固定方式則和產品的轉運設備及產線設計強相關。
（2）運輸階段
運輸階段可以分為海路（航空）運輸、公路運輸和野外短途運輸。
①海路（航空）運輸主要以面向海外的儲能產品為主，一般依照聯合國針對危險品運輸專門制定的《聯合國危險物品運輸試驗和標準手冊》的第3部分38.3款進行，即UN 38.3認證。這一認證要求鋰電池運輸前，必須要通過高度模擬、高低溫循環、振動試驗、衝擊試驗、55℃外短路、撞擊試驗、過充電試驗、強制放電試驗，才能確保鋰電池運輸安全，其中，與機械強度相關的測試項目便是海路運輸中的主要要求。
②公路運輸主要指國內儲能產品從生產場地運輸至設備現場期間，車輛在公路上行駛的部分。此類運輸路況通常較為可控，路面顛簸程度相對較低，但運輸歷程較長。相關機械強度設計，可參考運輸包裝件垂直隨機振動試驗、寬頻隨機振動試驗、實驗室環境振動試驗及大型電力設備運輸等技術規範。
③對於運輸條件較為嚴苛的場景，可參考嚴苛環境下的振動試驗方法進行針對性設計。同時，也可依據環境試驗中的正弦振動試驗與衝擊試驗方法，針對客戶現場的實際運輸條件進行荷載採集與試驗驗證。
（3）偵錯階段
偵錯階段主要包括設備的吊裝、就位等工作。隨著儲能系統整合程度的提升，儲能系統（預製艙）的電量從1～2MWh逐步擴展到3～6MWh，對於設備到現場後的吊裝以及相關的設計提出了更高的要求。
（4）運維階段
運維階段需要對於儲能產品在運轉維護過程中抵抗惡劣環境的能力進行針對性設計，主要考慮環境荷載、工作荷載和地震荷載。
①環境荷載，是指產品在所在地自然環境與氣象條件下所承受的荷載，包括風荷載、雪荷載與積冰荷載。其中，風荷載與雪荷載可參考建築結構荷載相關技術規範中的資料進行校核；積冰荷載則可參考高聳結構設計相關規範中的資料進行校核。
②工作荷載，是指產品在運轉階段及維護期間所承受的外部作用力，包括動荷載與使用荷載。動荷載主要來自運維人員、設備與工具進入貨櫃基座或艙室時所產生的荷載，可依建築結構荷載相關技術規範設置地面荷載與動荷載。使用荷載則包括儲能產品自身長期承受的靜態重力荷載，以及因膨脹變形對結構件施加的作用力。相關機械強度設計，應依產品重量、使用場景、結構條件與安全等級進行綜合評估。
③地震荷載，是指地震過程中地基晃動所產生的荷載。為抵抗地震荷載造成的結構變形與應力，需要針對不同荷載形式對儲能產品進行抗震設計。產品抗震設計應依專案所在地適用的建築抗震設計規範、設備抗震設計要求與地震動參數資料進行；部分荷載組合形式及安全係數，可參考高安全等級設施或特殊電力設備的抗震設計要求。對於國際專案，則需根據專案所在地區、客戶需求與當地法規進行針對性設計，也可參考變電站抗震設計與變電站結構設計等相關國際規範作為設計基準。
