基于鎳氫電池的192 V/200 Ah儲能系統

蔣志軍，吳保華，朱曉梅，秦 偉

(1.包頭昊明稀土新電源科技有限公司，內蒙古 包頭 014030；2.鄂爾多斯應用技術學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000；3.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

高原高寒地區微電網用二次電池目前主要為鉛酸電池[1]，儲能系統的規格主要為48 V/600 Ah，初期使用效果良好，但在經過一個冬季后，有效電量下降一半，次年甚至出現“一充就飽、一放就虧”的現象，難以滿足微電網負載的供電需求。在某些特定點，冬季擱置不用，來年準備啟動儲能系統，卻發現鉛酸電池已經凍裂，需要一年一換；另外，隨著用電設備功率的增加，48 V直流電(DC)轉換220 V交流電(AC)存在功耗較大等缺陷，在額定電壓192 V儲能系統的微電網中，鉛酸電池的劣勢更明顯。基于這些地區冬季嚴寒、搬運困難、維護響應速度慢、生態安全要求高、負載耗電波動大和局部氣候變化快等特征，應著重考慮電池對環境高低溫的適應性，尤其是長時間極端氣溫(-40 ℃)，這對儲能系統同時滿足高安全、耐寒和長壽命等指標，提出了更高的要求。張建等[1]用鎳氫電池組建了100 kW/200 kW·h儲能系統，但不能在微電網系統中連續應用。后續針對鎳氫電池儲能系統連續工作的研究，鮮有報道。

為滿足應用要求，解決現有高原高寒地區微電網儲能系統中存在的問題，本文作者探索用自行設計和制備的鎳氫電池，組建192 V/200 Ah儲能系統，并進行微電網供電應用。

1 192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統的設計

1.1 鎳氫電池的制作

根據文獻[2]，采用平面極板交替疊片的方式，制作方形鎳氫電池，正、負極片采用連續拉漿法制作。負極活性物質為MLNi3.9Co0.6Mn0.3Al0.3貯氫合金(包頭產，ML為富鑭混合稀土，La、Ce、Pr和Nd的質量分數分別為65.25%、25.20%、8.43%和1.12%)。將負極活性物質、添加劑ZnO(深圳產，電池級)、導電劑超細鎳粉(深圳產，電池級)、羥丙基甲基纖維素(揚州產，電池級)、黏結劑聚四氟乙烯(上海產，60%)和去離子水按質量比200∶1∶3∶2∶4∶50配成漿料，涂覆在集流體泡沫鎳(長沙產，面密度為320 g/m2，PPI=90)表面，涂層厚度為1.05 mm，在120 ℃下，循環熱風干燥3 min，然后用Φ600 mm輥壓機(邵陽產)以1.96×106N的壓力壓至(0.24±0.01) mm厚，再模切成220 mm×131 mm的極片，留5 mm白邊，以焊接鎳極耳(無錫產，0.15 mm厚)，制成負極。

將正極活性物質球形氫氧化亞鎳(新鄉產，動力型)、添加劑羥基氧化鈷(鄭州產，電池級)、羥丙基甲基纖維素、聚四氟乙烯和去離子水按質量比200∶5∶3∶4∶35配成漿料，涂覆在泡沫鎳集流體表面，涂層厚度為1.00 mm，在130 ℃下，循環熱風干燥3 min，然后用輥壓機以1.96×106N的壓力壓至(0.28±0.01) mm厚，再裁切成220 mm×132 mm的極片，留5 mm白邊，以焊接鎳極耳，制成正極。

正、負極活性物質按照1.0∶1.2的容量配比系數進行配比，采用0.18 mm厚的磺化隔膜(萊州產)，疊包組裝后，裝入方形電池鋼殼(淄博產，304不銹鋼)中，上蓋，用氬弧焊接，真空注液350 g，所用電解液為6.0 mol/L KOH(成都產，AR)+0.2 mol/L NaOH(成都產，AR)+0.1 mol/L LiOH(四川產，AR)，封口。單體電池尺寸為長136 mm×寬38 mm×高240 mm，質量為4 kg。

1.2 高壓箱設計

按圖1將電池管理系統(BMS)、DC/DC轉換器、手動開關、預充電阻、接觸器、指示燈、二極管模塊和分流器組裝，在高壓箱內集成。BMS利用DC/DC轉換器，從電池組取電，通過事先輸入的控制參數，對電池組的充/放電進行獨立控制，保證電池組的荷電狀態(SOC)為10%～90%，防止過充/過放，提高儲能系統的可靠性。此外，BMS還將采集的電壓、溫度、電流參數與邏輯指令等信息，通過485、控制器局域網(CAN)等通訊協議方式，發至需要接收的設備，如顯示器、能量管理系統等，實現遠程實時監測。

圖1 192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統電路圖Fig.1 Circuit diagram of 192 V/200 Ah Ni/MH battery for energy-storage system

1.3 24 V/200 Ah鎳氫電池模塊

將20只單體電池布置成兩列，按正/負極均從模塊正前方引出的方式，串聯成24 V/200 Ah的電池模塊，如圖2所示。

圖2 24 V/200 Ah鎳氫電池模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of 24 V/200 Ah Ni/MH battery module

該模塊配置提手和頂蓋，便于模塊搬運，防止異物進入造成電池短路；模塊背面中上部設置散熱風扇。運行時，若電池溫度達到報警值，散熱風扇會自動啟動，提供強制通風，加快儲能系統周邊空氣流動和熱交換，從電池組內部實現溫度控制，以提高電池組能量利用率。電壓采集線和溫度采集線末端固定在電池之間的連接片上，并與散熱風扇低壓線束共用一個位于模塊正面的插座接口，方便現場快速連接。

1.4 192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統構成

將8個電池模塊和高壓箱(按圖3所示)安裝在一個電池箱內，共5層，最上層為高壓箱，再依次串聯成192 V/200 Ah儲能系統。電池箱體由槽鋼和門板組合件現場拼裝構成，組合件表面噴有黑色絕緣漆，門板設置多排百葉窗。該箱體具有良好的通風散熱功能。根據單體電池200 A恒流持續放電30 min的能力，儲能系統可提供不低于38.4 kW的輸出功率，滿足大多數感性負載的瞬間用電需求。

1.5 鎳氫電池的電化學性能測試

制備的200 Ah鎳氫電池先用Fluke 287C多用表(沈陽產)測量電壓，常溫擱置3 h后，轉入高溫房(50 ℃)中擱置24 h，再用5 V/50 A測試系統(深圳產)進行恒流充放電化成。化成制度：0.20C充電7 h，0.20C放電至0.8 V或7 h，先到為準，重復3次，間隔時間為30 min。環境溫度為25 ℃。

依據GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》[3]、GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》[4]和GB/T 31486-2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》[5]，對化成后的200 Ah鎳氫電池進行安全和電化學性能檢測。

2 結果與討論

2.1 200 Ah鎳氫電池的放電曲線

200 Ah單體鎳氫電池化成后，在(20±5) ℃下以0.20C充電5.5 h，在不同溫度(-35 ℃、20 ℃和40 ℃)下擱置12.0 h，再以0.05C恒流放電，放電曲線見圖4。開始放電前，模擬實際應用場景，將低溫箱的制冷和高溫箱的加熱關閉。

圖4 200 Ah鎳氫電池在不同溫度下的0.05 C放電曲線Fig.4 Discharge curves of 200 Ah Ni/MH battery at different temperatures at 0.05 C

從圖4數據計算可知，單體電池以0.05C在-35 ℃、20 ℃和40 ℃下放電，放電容量分別185.8 Ah、205.9 Ah和194.8 Ah，容量相差不大。放電結束后，電池表面溫度分別為-20 ℃、25 ℃和41 ℃。實驗結果表明：該電池溫域較寬，放電產生的熱量在低溫下可給電池自身內部加熱。一方面，在高溫下，向外散熱的速率快，升溫反而慢，在儲能系統中結合強制風冷，能防止電池組溫度過高；另一方面，環境溫度與放電電壓平臺存在對應關系，在后續SOC校正中需進一步考慮。

2.2 200 Ah鎳氫電池的電化學性能

依據國家標準，對制備的200 Ah鎳氫電池進行安全和電化學性能檢測，其一次性通過，電化學性能較好：容量偏差小于3 Ah，電池SOC為30%時，開路電壓偏差低于10 mV，直流內阻低于0.6 mΩ。進一步檢測結果表明：SOC在0～70%時，可承受200 A持續充電30 min；SOC在30%～80%時，可承受200 A持續放電30 min。在192 V儲能系統中，該電池具有較高的輸入輸出功率，有助于應對系統運行中感性負載產生的峰值功率需求，也能滿足大負載和長時間的用電需求。

2.3 192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統運行模式

人工啟動192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統，當風/光發電功率大于負載用電功率時，電池組存儲電量。當電池組的SOC達到90%時，BMS發出指令，延時60 s后，斷開充電接觸器，但放電接觸器保持聯通，通過放電二極管模塊，保證電力不中斷輸出；當電池組的SOC低于90%時，BMS發出指令，聯通充電接觸器，電池組又恢復到隨時可接受風/光發出的多余電能的狀態。若風/光發電不足或用電負載一直在消耗電量，電池組保持放電；但當電池組的SOC降至10%時，BMS發出指令，斷開充/放電接觸器，儲能系統自動斷電。

儲能系統長期運行過程中，因電池自放電、電池性能衰減、BMS計算誤差等因素，若不進行SOC校正，產生的累計誤差會造成儲能系統運行紊亂，因此，要在凌晨時間段(0：00-5：00)進行在線SOC校正。儲能系統設定的校正條件為：儲能系統持續時間大于3 h內沒有充放電，參照校正表(見表1)在線進行SOC校正。

表1 192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統在不同溫度區間SOC與電壓的關系Table 1 Relation between state of charge(SOC) and voltage of 192 V/200 Ah Ni/MH battery for energy-storage system in different temperature ranges

與鋰離子電池相比，鎳氫電池具有全天候可充放電的優勢[6]，但溫度不同放電電壓曲線也不同：溫度低，放電電壓曲線偏低；溫度高，放電電壓曲線偏高。根據這一特點，將表1劃分為3個溫度區間，涵蓋全天候區間，以進一步提高SOC校正的精度。

2.4 微電網應用

2019年8月，192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統應用在兩個牧區點，分別是內蒙古自治區海拉爾和內蒙古自治區阿爾山，海拔均約為1 100 m。冬季氣溫-50～-30 ℃，持續時間30～75 d；夏季氣溫20～32 ℃，持續時間50～65 d。兩地的負荷如表2所示。

表2 海拉爾和阿爾山儲能系統的負荷及用電量Table 2 Load and power consumption of energy-storage system in Hailar and Aershan

192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統為微電網的儲能部分，經逆變器逆變為220 V AC供負載用電。截至2021年9月，儲能系統已運行2.75 a，應用情況良好，充放電穩定，電池無記憶效應，且不需要進行單獨的維護保養，而傳統鉛酸電池每運行一段時間，就需要補加電解液。在冬季低溫下，因風/光發電不足，電池組電量耗盡，自身溫度會逐漸降低，甚至低于-10 ℃，但一旦風/光發電開啟，儲能系統可自動恢復充電，并存儲電量。總體而言，該系統能滿足我國高原高寒地區微電網用192 V儲能系統的要求。

3 結論

本文作者通過電池模塊、高壓箱等集成的192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統，可應用于微電網，在高原高寒地區表現出高安全、適用溫域寬、無記憶效應和長壽命等優勢，并與現在的逆變器相匹配，產品穩定可靠，無需加液維護。總體而言，能滿足我國高原高寒地區微電網用192 V儲能系統的要求。

后續需要進一步實現鎳氫電池儲能系統在高原高寒地區的模塊化、標準化和便攜化，可陸續在西藏、新疆等區域推廣應用，具備較好的應用前景。