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    2019年, 第8卷, 第3期 刊出日期:2019-05-01 上一期    下一期
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    2019 (3):  0-0. 
    摘要 ( 55 )   PDF(502KB) ( 58 )  
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    进展与评述
    锂电池研究中的X射线多晶衍射实验与分析方法综述
    张杰男, 汪君洋, 吕迎春, 禹习谦, 李泓
    2019 (3):  443-467.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0212
    摘要 ( 216 )   PDF(34443KB) ( 746 )  
    X射线多晶衍射技术是研究晶体结构的重要手段,通过对衍射数据的分析,能够得到材料的晶胞参数、原子占位、晶粒大小、晶粒取向、应力分布等信息,对研究材料结构与性能之间的关系具有重要意义。在锂离子电池研究领域,X射线衍射技术广泛应用于材料合成、电芯检测及失效分析中的物相检测,极大地推动了电池材料的进步与发展。本文主要介绍了X射线多晶衍射基本原理与实验方法、测试过程常用参数设置、数据处理与结构精修方法,并结合实例介绍了X射线衍射技术在研究锂离子电池材料结构演化、反应机制、安全性能等方面的应用。
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    基于电力调频的串联锂离子电池组均衡技术分析
    李佳娜, 刘丹丹, 朱峰, 谢晨, 侯洋, 陈永翀
    2019 (3):  468-476.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0011
    摘要 ( 144 )   PDF(644KB) ( 217 )  
    近年来,锂离子电池在储能电站调频领域得到了飞速发展。为满足调频电站的电压和功率要求,需将大量电池单体进行串联,如此产生的电池组串联不一致性问题,以及调频过程中高倍率和频繁切换充放电状态对不一致性程度的加剧,严重影响电池组的使用寿命和安全性能。针对上述问题,本文基于调频储能串联锂离子电池模组不一致性问题的形成原因,归纳分析用于改善电池组串联不一致性问题的均衡技术和均衡策略。其中,均衡拓扑结构按能量流向角度进行分类梳理,均衡控制策略则基于均衡的不同目标进行优劣分析。在此基础上对锂离子调频电池模组均衡技术的发展趋势进行展望。
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    直接接触式蓄热技术的发展及研究现状
    金光, 赵文秀, 赵军, 郭少朋
    2019 (3):  477-487.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0031
    摘要 ( 79 )   PDF(1455KB) ( 112 )  
    直接接触式蓄热技术利用换热工质与蓄热材料接触并形成对流换热的特点,强化了蓄热器内的换热效果,提高了蓄放热速率,在国内外受到了广泛关注。本文针对直接接触式蓄热技术,从蓄热材料、蓄热器和应用案例三个方面对该技术的发展和研究现状进行了总结,将直接接触式蓄热技术常见材料分为了有机类材料和无机类材料,并对材料的热物性参数和性能进行了比较,讨论了过冷、相分离、导热系数较低和热稳定性等影响材料性能的关键指标。在蓄热器方面,总结了直接接触式蓄热器内材料熔化和流动规律、归纳了直接接触式蓄热器传热和优化方法,针对目前解决直接接触式蓄热器材料沉积问题的措施进行了分析,并给出了建议措施。最后,结合示范工程或商业案例对直接接触式蓄热技术的应用情况进行了回顾,旨在总结应用经验,为该技术的进一步推广提供依据和支持。
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    钠离子电池硫化物负极材料的研究进展
    马艳梅
    2019 (3):  488-494.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0217
    摘要 ( 175 )   PDF(9303KB) ( 482 )  
    本文回顾了一些金属硫化物在钠离子电池中的应用,钠与锂同族,钠离子电池有望和锂离子电池一样,成为一种极具发展前景的储能装置,所以其电极材料是当下研究的热点。重点介绍了这些材料目前面临的问题,钠离子较大的半径使其在电极材料中存在脱嵌困难、体积膨胀等问题,鉴于层状金属硫化物拥有良好的钠嵌入平台,因而受到研究人员的广泛关注。综述了二硫化钼、二硫化钨、二硫化锡、二硫化钒、二硫化钛几种层状过渡金属二硫化物和硫化镍、硫化锌、硫化铜、硫化亚铁几种非二硫化物负极材料在钠离子电池中的电化学性能,包括了容量和循环性能等。分析了这些材料目前所面临的主要问题是体积膨胀、钠离子扩散缓慢、充放电效率低、多硫化物溶解-穿梭等问题。指出缓解硫化物体积膨胀问题的方法有与碳复合、材料纳米化、控制形貌等,对于层状过渡金属二硫化物还可以通过扩大层间距、调节截止电压等方式提高其电化学性能。最后对过渡金属硫化物负极材料的研究前景进行了展望。
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    储能用磷酸铁锂(LFP)电池消防技术研究进展
    吴静云, 黄峥, 郭鹏宇
    2019 (3):  495-499.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0010
    摘要 ( 171 )   PDF(422KB) ( 314 )  
    随着电化学储能市场的蓬勃发展,电化学储能电池本身的安全性越来越受到关注,如何最大程度地降低储能电池组火灾风险是电化学储能大规模应用时亟需解决的问题。本文综述目前国内外针对锂离子电池热失控已有的研究成果,包括磷酸铁锂电池的燃烧特性、火灾危险等级以及在储能电站预警系统中应用的锂离子电池热失控及热扩散参数;梳理不同灭火剂对电池火灾的灭火效率;同时总结电化学储能电站的灭火系统选择,为电网储能工程应用提供参考,有效支持锂离子储能电池的大规模工程需求。
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    锂离子电池热安全性研究进展
    杜光超, 郑莉莉, 张志超, 冯燕, 王栋, 戴作强
    2019 (3):  500-505.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0028
    摘要 ( 88 )   PDF(479KB) ( 441 )  
    随着锂离子电池在生活和工作中的普及,锂离子电池的安全事故逐年增加,锂离子电池的安全研究逐渐引起学术界的关注。研究锂离子电池的热安全性,可以有效分析锂离子电池发生起火和爆炸的内在原因,指导锂离子电池安全性研究的开展。本文介绍了锂离子电池工作过程中产热的来源和影响因素,以及锂离子电池热失控发生时的内部反应和反应对应的温度,并对电池热失控时的热特性参数进行了总结。
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    锌镍电池在储能技术领域中的应用及展望
    王江林, 徐学良, 丁青青, 朱军平, 马永泉, 赵磊, 刘孝伟
    2019 (3):  506-511.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0053
    摘要 ( 88 )   PDF(856KB) ( 186 )  
    本文介绍了近几年电力储能在全球储能领域的现况及电力储能在现有储能系统中的应用规模。针对目前较成熟的电化学储能电池进行了分析,着重分析了锌镍电池的特点,首先对锌镍电池的低温放电性能、寿命、大电流充放等性能进行了阐述,模拟储能系统充放电实验的结果表明锌镍电池具有循环寿命长和充放电效率高等特点。其次对单液流锌镍电池的工作原理进行了介绍,就目前单液流锌镍电池的各个型号的中试产品以及50 kW·h储能系统进行了总结和讨论,分析表明锌镍电池作为一种新型的蓄电池,其循环寿命长、安全性能好、制造和维护成本较低,随着近几年新材料的发展,锰正极的锌基电池实验成功,促进了锌空气电池、锌铁电池等系列锌基电池的研发,锌镍电池未来在储能市场将会大放异彩。
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    研究开发
    风光互补系统中混合储能容量优化配置研究
    李瑞民, 张新敬, 徐玉杰, 孙雯雯, 周学志, 郭丛, 陈海生
    2019 (3):  512-522.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0014
    摘要 ( 89 )   PDF(2689KB) ( 173 )  
    储能系统可以有效解决微电网中分布式可再生能源特别是风光互补发电的间歇性、波动性以及“源”与“荷”错位的问题。不同储能技术在响应时间、容量规模、技术成熟度及成本等方面各有特点,两种或多种储能技术耦合将可以更有效地满足用电系统的技术性和经济性的要求。针对电力用户对分布式可再生能源的利用情况,本文提出一种由压缩空气储能、锂电池和超级电容器组成的混合储能系统,建立了三种储能的数学模型,针对其不同的特性,提出了基于二次移动平均滤波的储能系统功率分配方法和基于连续性运行的容量优化配置方法。基于某个实际的用户负荷进行了案例分析,得到了混合储能系统的功率和容量配置结果,并分析了其运行特性。研究表明,在分布式可再生能源微电网中,多种储能技术耦合既能充分发挥每种储能的优势,又可以通过相互配合弥补各自的劣势,这对于可再生能源的充分利用和满足用电负荷的严苛需求具有重要的作用和意义,在分布式能源利用领域具有较好的工程应用前景。
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    层层自组装MoS2多晶片增强锂硫电池性能
    姚琳, 周玲, 李世雄, 李晓敏, 何凯, 何青泉, 宰建陶, 任奇志, 钱雪峰
    2019 (3):  523-531.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0007
    摘要 ( 145 )   PDF(1622KB) ( 212 )  
    提高硫的电化学活性和抑制多硫离子的溶解是提高锂硫电池性能的关键问题。层状二维金属硫化物的边缘位点相对于平面位点具有更强的吸附多硫离子的能力。然而利用液相法控制合成具有丰富边缘位点的层状二维过渡金属硫化物材料仍是一个挑战。本文以碳布作为导电基体,设计生长了由小尺寸单层S-Mo-S单元通过层层自组装而成的MoS2多晶纳米片(V-MoS2/CC)。探究了该复合材料作为活性物质S载体时对锂硫电池倍率性能和循环稳定性的影响。垂直生长的MoS2纳米片暴露较多的S-Mo-S层边缘活性位点,不仅可以使得随后负载的硫单质的尺寸保持在纳米级(5~10 nm),而且对多硫化锂的催化转化及抑制溶解具有一定程度的促进作用。同时,基底材料碳布的存在使得电极材料无需添加导电剂和黏结剂且提高了整体导电性。使用V-MoS2/CC@S复合材料组装而成的半电池,在1 C和2 C下循环400和800圈后比容量维持在857 mA·h/g和579 mA·h/g。
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    环氧树脂板对锂离子电池热失控扩展的阻隔作用
    陈才星, 牛慧昌, 李钊, 李磊, 莫善军, 黄鑫炎
    2019 (3):  532-537.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0026
    摘要 ( 88 )   PDF(1155KB) ( 164 )  
    动力电池热失控扩展阻隔是抑制大规模电池火灾的重要途径。本文采用环氧树脂板(ERB)阻隔锂离子电池的热失控扩展,分析不同厚度ERB对串联及并联模组的热失控阻隔作用。结果表明,ERB可降低热失控电池模组的最高温度,减轻电池热失控剧烈程度,避免喷射火焰的产生;对于并联的电池模组,采用2 mmERB的锂电池模组的电池间热失控扩展平均时间间隔为198 s,为无ERB时的2.29倍,采用4 mm ERB时平均时间间隔延长至无ERB时的5.57倍;对于串联的电池模组,采用2 mm ERB时电池热失控扩展平均时间间隔延长至无ERB锂电池模组的2.09倍,采用4 mm ERB时可完全阻止热失控扩展;研究发现并联的电池模组相对于串联模组更容易扩展,其原因为并联模组单个电池热失控时会形成电回路并产生焦耳热。
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    流固耦合固体相变蓄热建模与分析方法
    杨岑玉, 胡晓, 李雅文, 邢作霞, 高运兴, 董佳仪, 徐桂芝
    2019 (3):  538-543.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0239
    摘要 ( 75 )   PDF(5624KB) ( 98 )  
    固态电热储能技术可以有效地解决风电、光伏、核电等清洁能源消纳问题,成为大规模储能的研究热点之一。针对固态电热储能系统相变材料的传热性能进行研究,根据外置电阻式蓄热体结构特点,提出一种基于流固耦合的蓄热体建模与仿真方法,对流场、温度场耦合的问题进行三维数值模拟,从而得到蓄热体在不同工作时刻的温度场、流场分布。通过数值模拟结果与实验数据进行对比,验证流固耦合建模与分析方法的正确性。
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    管内熔融盐强制对流传热的数值模拟
    孟强, 陈梦东, 胡晓, 王乐, 杨岑玉, 徐桂芝
    2019 (3):  544-550.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0247
    摘要 ( 92 )   PDF(5022KB) ( 96 )  
    熔融盐作为太阳能热发电中的重要的传热蓄热介质,其强制对流传热特性对如何强化对流传热和设计以熔融盐作为工质的换热器具有很重要的指导意义。建立了熔融盐-油套管式换热器内不同种类的熔融盐在不同工况下的强制对流传热模型,数值模拟并理论研究了管内熔融盐强制对流传热特性,提出数值模拟的熔融盐对流传热关联式;并将数值模拟结果与实验结果进行了对比。在此基础上分析了流速对管内熔融盐对流传热系数和热流密度的影响规律。结果表明在Re处于10000~60000的范围内数值模拟和实验结果具有较好的一致性。
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    基于改进型量子遗传算法的储能系统容量配置与优化策略
    夏新茂, 关洪浩, 丁鹏飞, 孟高军
    2019 (3):  551-558.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0240
    摘要 ( 133 )   PDF(8427KB) ( 144 )  
    针对用于电网削峰填谷的储能系统容量配置经济性不足的问题,本文提出一种基于改进型量子遗传算法的储能系统容量经济性评估方法。首先,建立储能系统削峰填谷的数学模型,并在综合考虑充放电、荷电状态及潮流平衡等约束下进行储能系统的容量配置,在此基础上,采用内点法将约束问题转化为非约束问题进行求解,随后,应用改进型量子遗传算法优化储能系统容量配置方案,以缩短运算周期、提高算法计算效率与全局寻优能力,并使储能系统经济性成本最低。最后,通过算例证明了在约束条件下,所提方法使储能系统在满足对日负荷削峰填谷的前提下,实现最优经济成本的容量配置,为储能系统容量配置提供了有效参考。
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    圆柱型磷酸铁锂电池针刺热失控实验研究
    李宇, 杜建华, 杨世治, 张萌启, 涂然, 张认成, 毕坤
    2019 (3):  559-566.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0006
    摘要 ( 287 )   PDF(14835KB) ( 293 )  
    锂离子电池在发生针刺之后会造成内部短路,进而产生大量热量和浓烟以至引发热失控。本文通过模拟实验剖析圆柱型磷酸铁锂电池针刺后的内部结构,结合理论分析探究针刺热失控产热机理。以自行设计搭建的磷酸铁锂电池针刺热失控实验平台为基础,在初始20℃室温下采用Φ5 mm的钨钢针刺穿电池,观测电池的热失控发展情况以及电池电压、表面温升变化规律。根据实验结果得到以下结论:①针刺对圆柱型磷酸铁锂电池造成的热失控剧烈情况带有随机性;②电池电压在针刺后下降至0V,若破坏过程中电池内部热反应气体泄漏甚至发生爆炸则电压下降更迅速;③电池温度在被刺破后迅速上升,其温升趋势总体随破坏程度增加而加快。综合来看,针刺对磷酸铁锂电池的损坏是不可逆且通常会并发热失控,因此建议在设计电池结构时应当充分考虑防针刺及对电池进行额外保护。
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    基于汽车制动能量回收的两级式飞轮设计分析
    赵小婷, 储江伟, 袁善坤, 管湘源
    2019 (3):  567-574.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0008
    摘要 ( 48 )   PDF(1857KB) ( 89 )  
    相比于其他储能方式,飞轮储能的高功率密度和高效率能量存储方法有很大的优越性,但也带来了其质量较大的困扰。基于传统模式单级飞轮储能结构,提出了一种新型两级式飞轮储能装置,并通过选用某种确定车型的车辆制动时所能够回收的能量,证明在一定程度上提供相同的储能容量时,该装置的质量可以明显降低。基于证明结果,通过Ansys软件对飞轮转子系统进行了10阶的模态分析和等效应力分析。仿真结果表明:该飞轮转子系统不会发生共振情况且满足强度要求,可以安全可靠的工作。
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    基于萤火虫神经网络的动力电池SOC估算
    吴华伟, 张远进, 叶从进
    2019 (3):  575-579.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0230
    摘要 ( 147 )   PDF(7256KB) ( 129 )  
    针对BP神经网络算法对电动汽车电池荷电状态(state of charge,SOC)估算的缺陷,提出一种基于萤火虫(firefly algorithm,FA)神经网络的SOC估算方法。以磷酸铁锂电池为测试对象,在ARBIN公司生产的EVTS电动车动力电池测试系统装置上进行测试,收集锂电池的各项性能参数。采用端电压和放电电流作为输入参数,SOC作为输出参数,建立FA-BP神经网络模型,用于估算锂离子电池充放电过程中的任一状态下的SOC。仿真实验结果表明,与现有的BP神经网络估算方法相比,基于FA-BP神经网络的锂电池SOC估算方法准确度高,具备很好的实用性。
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    沥青包覆人造石墨炭化处理工艺
    冯国飞, 武建国, 刘伟, 徐生华, 林治珠
    2019 (3):  580-582.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0117
    摘要 ( 112 )   PDF(386KB) ( 133 )  
    为了提高人造石墨包覆后的炭化收率和电化学性能,本文采用改性沥青对人造石墨进行包覆,并经预氧化处理后再炭化。采用激光粒度分布仪、振实密度仪和比表面及孔径测试仪对炭化样品进行表征,并进一步对其电化学性能进行了研究。结果表明:炭化过程加入预氧化处理,有效地改善了结块现象,并极大的提高了负极材料的电化学性能。
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    热点点评
    锂电池百篇论文点评(2019.02.01—2019.03.31)
    金周, 詹元杰, 起文斌, 田丰, 赵俊年, 武怿达, 张华, 贲留斌, 俞海龙, 刘燕燕, 黄学杰
    2019 (3):  583-594.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0064
    摘要 ( 166 )   PDF(553KB) ( 629 )  
    该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2019年2月1日至2019年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2208篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了层状材料的结构演变及表面包覆对层状和尖晶石材料的影响。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,金属锂负极的研究侧重于通过集流体、三维电极和表面覆盖层的设计以及电解液添加剂来提高其循环性能,并与锂硫和固态电池应用结合研究。固态电解质侧重于制备方法和离子输运机理研究,电解液添加剂的研究目标是提高电池充电至高电压时的稳定性。全固态电池的重点在于电极和电池设计和工艺研究。除了以材料为主的研究之外,针对电池分析、理论模拟和电池模型的研究论文也有多篇。
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    应用技术
    储能飞轮的转子动力学分析与测试试验
    彭龙, 李光军, 崔亚东, 王芳
    2019 (3):  595-601.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0232
    摘要 ( 64 )   PDF(7511KB) ( 60 )  
    以250 kW/3 kW·h的磁悬浮储能飞轮为研究对象,通过理论分析、仿真计算、测试试验相结合的方式,研究储能飞轮转子系统的动力学特性。首先,基于转子动力学有限元法的Timoshenko梁理论推导出了转子单元的运动方程。其次,利用ANSYS软件分别对转子的临界转速和不平衡响应进行仿真有限元分析。最后,通过径向磁轴承的传感器采集位移信号,测试储能飞轮转子在升速过程中的振动波形,验证转子的动力学参数及仿真分析结果的准确性。通过转子的频谱瀑布图和振动位移响应曲线,与仿真分析的Campbell图和不平衡响应图进行对比。结果表明,测试试验结果与仿真分析结果一致。通过研究储能飞轮转子的转子动力学特性,设计出了合理的转子动力学的参数,并得到了试验验证。
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    储能专利
    锂电池储能系统专利技术发展态势
    陈锦攀, 赵鸿, 钟国彬, 胡巧明, 邓雯, 徐立新, 赖俊科, 李超凡, 陈晓川
    2019 (3):  602-608.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0013
    摘要 ( 113 )   PDF(483KB) ( 215 )  
    锂离子电池是目前最具发展前景的高效二次电池和发展最快的化学储能电源,已成为各国竞相竞争的技术热点。专利技术能够反映某一技术领域创新发展的现状和历程,已成为开展竞争情报的重要信息源。本文从专利角度出发,通过对锂离子电池储能系统领域专利的分析,发现和了解锂离子储能系统的发展态势,以期为我国政府与企业的战略决策提供参考与借鉴。
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    丰田在锂离子固体电解质上的专利技术分析
    余志敏, 苏佳
    2019 (3):  609-612.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0021
    摘要 ( 118 )   PDF(439KB) ( 348 )  
    采用易燃有机溶剂的液体电解质的锂离子电池存在安全隐患,固体电解质在安全性、热稳定性等方面具有明显优势,因此发展固体电解质是提高动力电池安全性能的有效途径。使用锂离子动力电池的新能源汽车目前强势发展,丰田作为汽车领域的领军企业,其对锂离子固体电池的发展对汽车行业具有重要参考价值。本文主要以CNABS专利数据库以及DWPI专利数据库中的检索结果为分析样本,从专利文献的视角对丰田在锂离子固体电解质的专利进行了全面统计。结果表明,丰田关于锂离子固体电池的专利申请主要分布在日本、美国和中国,在固体电解质上的重点研究方向为硫化物固体电解质,并且重点围绕提高其锂离子传导率、减少硫化物气体的产生、降低界面电阻等方面。
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    基于专利视角的电力储能领域发展态势与对策
    陈锦攀, 刘俏, 裘钢
    2019 (3):  613-618.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0071
    摘要 ( 62 )   PDF(854KB) ( 128 )  
    随着能源互联网发展,电力储能技术越来越重要,它是电网运行过程中“采发输变配用储”等各大环节的重要组成部分,特别是储能电池、储能控制、储能系统集成、储能管理运营等的储能领域相关技术非常关键,技术竞争也日趋激烈。专利信息是自主创新成果的重要载体,是开展竞争情报的重要信息源。基于专利视角,利用先进的语义专利检索系统,对电力储能领域专利的申请量、同族、PCT、地域、申请人、申请人与国际分类分布等进行分析,揭示电力储能领域研发态势和专利竞争态势,为我国政府、企业、科研院所等在电力储能领域的研发决策、产业化布局等方面提出专利战略先行,制定研发路径;根据储能市场和自身战略,考虑合理布局国内与国际市场;聚焦各自优势形成技术竞争壁垒,掌握话语权等三方面建设性发展对策。
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