储能电站状态感知与能量管理

课程信息

课程名称／课程号	适用范围与修读要求
储能电站状态感知与能量管理 ENER1002M	储能卓工班 · 26级实践课程 · 实践必修

课程简介

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本课程聚焦电化学储能电站的状态感知与能量管理核心技术。主要讲授电池电化学工作原理、单体构装实训与规程化性能测试（容量、内阻及老化特性）；重点讲授基于机器学习与数据驱动的电池健康状态（SOH）预测、故障诊断算法，以及电池管理系统（BMS）架构与电站能量调度控制。结合实验实操与工业电站真实数据分析，培养储能系统状态监测与智慧运维实战能力。

来源：教务网。

课程内容

分数构成

本课程打破单一期末考试模式，实行全过程多维评价机制，总评成绩由三部分构成：

过程任务占30%：重点评价自主学习、动手实操规范度与方案迭代。包含绿色低碳中心电芯构装实训记录（15%）、电池性能测试与老化数据分析作业（15%）；
小组成果占40%：各跨专业小组（3-5人）围绕4项真实工程项目之一，协同完成一份完整的工程方案设计报告。重点评价复杂工程问题分析深度、机理与算法融合度以及工程创新性；
个人报告及答辩占30%：包含独立撰写的个人技术报告与反思总结（15%），核实个人实际贡献；现场方案推演与技术答辩表现（15%），由校企联合评审组进行专业提问质询。将工程规范、数据诚信与责任伦理全面融入评价。

课程大纲

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第一次：电化学储能原理

主要内容：

电化学储能原理与新型电力系统重大需求；电荷储存与电极反应机理；锂离子电池及新型电容储能器件的微观工作过程；深入剖析额定容量与可用容量的内在差异；电池充放电倍率特性与极化电压构成；全生命周期性能衰减的物理化学诱因分析；紧扣国家“双碳”战略使命，融入能源安全与自主创新思政元素，结合张北风光储输重大示范工程开展能源报国与科学求真教育。

【课程思政】国家能源安全与“双碳”战略使命、科技自立自强精神、科学求真与唯物辩证思维。【典型案例】“张北百兆瓦级风光储输重大示范工程与我国储能自主创新突围之路”。结合我国“双碳”目标与新型电力系统重大战略需求，以张北风光储输国家示范工程为切入点，阐释电化学储能作为支撑高比例可再生能源接入与电网安全“战略支点”的核心地位；回顾我国在电化学储能关键材料与系统装备研发领域打破国外技术壁垒、实现自主可控的攻关历程，激发学生“能源报国”的家国情怀与科技自立自强的使命担当；通过电极微观反应机理与宏观储能特性、额定容量与可用容量的辩证统一分析，引导学生树立尊重客观规律、实事求是的科学思维。

阅读材料：

薄拯、温珍海、侯阳、毛舜、余柯涵、郑梦莲、杨化超编著，《新能源中的先进材料：基础及应用》，中国电力出版社，2020年12月，ISBN: 978-7-5198-4772-2（第二章：电化学储能原理与器件，第45-78页）。

别朝红、宋政湘、王楠、王丰、孟永庆、孟锦豪、孙丽琼、项彬编著，《储能系统设计与应用》，中国电力出版社，2024年12月，ISBN: 978-7-5198-9702-4（第一章：电化学储能系统基本理论，第1-32页）。

Winter M., Brodd R. J. What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? Chemical Reviews, 2004, 104(10): 4245-4270. DOI: 10.1021/cr020730k.

思考题：从电极反应动力学角度分析充放电倍率对电池端电压与可用容量的影响，说明为什么电站实际运行中可用容量与出厂额定容量存在显著差异。

第二次：储能安全运维项目导入

主要内容：

储能系统安全运行与智慧运维重大挑战；结合4项真实工程项目阐释电池工作状态与安全运行边界，明确各课题研究任务；多物理场耦合视角下的系统状态参数定义；数字孪生工具在储能方案优化中的作用；跨储能、控制及自动化专业组建3-5人小组，促进机理与算法交叉，确立课题研究方案雏形。

阅读材料：

别朝红、宋政湘等编著，《储能系统设计与应用》，中国电力出版社，2024年12月，ISBN: 978-7-5198-9702-4（第三章：电化学储能系统集成设计，第65-98页）。

国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》，中国标准出版社，2018年。

Feng X., Ouyang M., Liu X., Lu L., Xia Y., He X. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review. Energy Storage Materials, 2018, 10: 246-267. DOI: 10.1016/j.ensm.2017.05.013.

思考题：各跨专业小组选定工程课题方向，完成团队分工组建；结合储能实际工程约束，提炼出课题拟解决的关键技术指标，编制小组项目推进计划。

第三次：电池构装实训

主要内容：

依托绿色低碳能源与环境工程师技术中心开展电池构装实训；现场讲解正负极、隔膜、电解液与集流体的作用及匹配特性，演示装配操作全流程；学生在教师指导下穿戴规范防护装备，使用预备材料完成电芯组装与拆解操作；记录工艺步骤，分析界面接触状态与装配质量对电芯一致性、可靠性及安全特性的影响机理。

阅读材料：

薄拯、温珍海等编著，《新能源中的先进材料：基础及应用》，中国电力出版社，2020年12月，ISBN: 978-7-5198-4772-2（第五章：储能材料构效关系与界面电化学调控，第130-165页）。

杨裕生、程杰等编著，《电化学储能技术与工程应用》，科学出版社，2021年，ISBN: 978-7-03-068341-0（第四章：储能电池制造工艺与质量控制，第88-120页）。

Peled E., Menkin S. Review-SEI: Past, Present and Future. Journal of The Electrochemical Society, 2017, 164(7): A1703-A1719. DOI: 10.1149/2.1441707jes.

思考题：规范记录电芯组装关键参数，撰写装配实训记录；分析电芯制造与封装工艺偏差在长期运行中对电池安全特性的潜在影响。

第四次：电池性能测试规范

主要内容：

储能电池容量、内阻及效率测试规范与标准规程（GB/T 36276等）；充放电设备与电化学测试仪器工作原理；电池开路电压（OCV）、直流内阻（DCIR）测试条件设置、过程监测与数据记录；深入剖析工程测量误差，分析环境温度波动、采样精度与导线阻抗对测试结果的误差传递路径；结合实际数据建立测试误差校核方法。

阅读材料：

别朝红、宋政湘等编著，《储能系统设计与应用》，中国电力出版社，2024年12月，ISBN: 978-7-5198-9702-4（第四章：电化学储能测试与评价技术，第99-135页）。

国家能源局，NB/T 42084-2016《电化学储能系统用电池管理系统技术规范》，中国电力出版社，2016年。

Plett G. L. Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs: Part 2. Modeling and identification. Journal of Power Sources, 2004, 134(2): 262-276. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2004.02.032.

思考题：对比分析不同测试工况下电池电压与内阻响应曲线，定量计算环境温度与测量仪表精度引起的可用容量测定误差范围。

第五次：电池老化测试与健康评估

主要内容：

依托实验平台与历史运行数据分析电池衰减规律；观察充放电设备和老化测试流程；利用不同老化阶段的历史数据，比较容量、内阻及充放电曲线演变；实施电池健康状态（SOH）评估与预测；分析性能衰减对可用容量标定和维护决策的影响；评估电池管理系统（BMS）状态估算误差，讨论运行边界设置对容量利用率的影响。

阅读材料：

别朝红、宋政湘等编著，《储能系统设计与应用》，中国电力出版社，2024年12月，ISBN: 978-7-5198-9702-4（第五章：储能电站运行维护与状态监测，第136-172页）。

Severson K. A., Attia P. M., Jin N., Perkins N., Jiang B., Yang Z., Chen M. H., Aykol M., Herring P. K., Fragmin D., Braatz R. D., Holmes R. E., Chueh W. C. Data-driven prediction of battery cycle life before capacity degradation. Nature Energy, 2019, 4(5): 383-391. DOI: 10.1038/s41560-019-0356-8.

Xiong R., Li L., Tian J. Towards a smarter battery management system: A critical review on battery state of health monitoring methods. Journal of Cleaner Production, 2018, 202: 1229-1240. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.08.181.

思考题：各小组基于发放的历史老化数据，绘制不同循环周期的容量与内阻衰减曲线，完成健康状态（SOH）评估分析，撰写专题数据分析报告。

第六次：智能运维工程案例

主要内容：

结合上海美克生能源工业案例，系统讲授人工智能与机器学习驱动的储能电站状态评估与智能运维技术；解析AI算法在状态诊断中的特征提取逻辑与模型构建方法；深入剖析算法在工程实际中的工业适用边界、抗噪声能力及泛化性能；介绍微短路早期识别与安全预警工程实践；探讨如何结合物理机理提升数据驱动算法在复杂工况下的可靠性。

阅读材料：

Ren Z., Du C. A review of machine learning state-of-charge and state-of-health estimation algorithms for lithium-ion batteries. Energy Reports, 2023, 9: 2993-3021. DOI: 10.1016/j.egyr.2023.01.108.

Hong J., Wang Z., Yao Y. Fault prognosis of battery system based on accurate voltage abnormity prognosis using long short-term memory neural networks. Applied Energy, 2019, 251: 113381. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113381.

Han X., Wang Z., Wei Z. A novel approach for health management online-monitoring of lithium-ion batteries based on model-data fusion. Applied Energy, 2021, 302: 117511. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117511.

思考题：结合美克生工程案例，分析纯数据驱动算法在工业现场可能面临的数据质量干扰与适用局限，说明融入物理先验机理对提升AI诊断准确率的重要意义。

第七次：前进储能电站现场教学

主要内容：

深入杭州前进储能电站（50MW/100MWh）工程现场进行实地教学；实地勘察高压电池预制舱、温控系统、消防抑爆与变流升压装备；结合电池管理系统（BMS）与现场监控界面，实地教学电池电压、电流、温度等多源数据采集与传输机制；观察状态估算对电站运行调控与功率响应的赋能机制；剖析电芯一致性偏差对电站实际可用容量与运行性能的制约影响。

阅读材料：

国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，GB/T 36558-2018《电力系统电化学储能系统通用技术条件》，中国标准出版社，2018年。

住房和城乡建设部、国家市场监督管理总局，GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》，中国计划出版社，2014年。

惠东、高飞等编著，《电化学储能系统集成及运行控制技术》，中国电力出版社，2023年，ISBN: 978-7-5198-7512-1（第六章：储能电站监控系统与状态感知，第150-188页）。

思考题：结合现场考察记录，分析电站现场多源传感数据采集特点及一致性差异，针对提高电站可用容量利用率提出优化建议。

第八次：技术路线研讨与答辩

主要内容：

技术路线研讨与答辩评审；各小组依次汇报工程方案，重点论证安全、寿命与效率的多目标权衡；展示数字孪生模型优化结果与测试数据分析结论；开展方案推演与答辩评审，由校企专家进行专业提问与质询；学生进行技术答辩与方案自省；课程全流程总结，融入卓越工程伦理与大国工匠精神思政元素，结合储能重大安全警示案例强化安全红线与科研诚信底线，完成能力达成反馈。

【课程思政】工程伦理与“生命至上”安全底线意识、科研诚信与求真品格、大国工匠精神与时代担当。【典型案例】“国内外典型储能电站安全事故警示与国家储能全生命周期安全标准演进”。结合典型储能系统火灾与安全失效教训，深刻剖析工程决策中片面追求短期经济效益或忽视运行工况监测所引发的严重后果，阐释国家GB/T 36276、GB 51048等严密技术规范出台背后的伦理底线与社会生命财产重托；引导学生在技术方案推演与答辩自省中，牢固树立“安全第一、生命至上”的工程职业伦理与科研诚信红线，深刻体悟卓越工程师所肩负的社会公共责任，践行精益求精、科技报国的大国工匠精神。

阅读材料：

别朝红、宋政湘等编著，《储能系统设计与应用》，中国电力出版社，2024年12月，ISBN: 978-7-5198-9702-4（第七章：储能系统技术经济性评价与工程设计案例，第210-245页）。

中国工程教育专业认证协会，《工程教育认证标准》（CEEAA-2020），机械工业出版社，2020年。

Meng J., Cai L., Stroe D.-I., Ma J., Luo G., Teodorescu R. An optimized ensemble learning framework for lithium-ion Battery State of Health estimation in energy storage system. Energy, 2020, 206: 118140. DOI: 10.1016/j.energy.2020.118140.

思考题：各组根据专家评审意见修改完善工程设计方案终稿；每位学生提交包含测试分析与方案反思的个人总结报告，深入反思工程方案中的安全边界设定与工程伦理责任。

附：时间表

周次	学时	授课主题	备注
1	2	电化学储能原理	讲授+研讨
2	2	储能安全运维项目导入	讲授+研讨
3	2	电池构装实训（动手实操教学）	讲授+实践
4	2	电池性能测试规范（讲授与实训操作）	讲授+实践
5	2	电池老化测试与健康评估	研讨+实践
6	2	智能运维工程案例	工业案例研讨
7	2	前进储能电站现场教学	电站现场实训
8	2	技术路线研讨与答辩	方案推演+答辩