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(nèi)蒙古 包頭 014030；2.鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

高原高寒地區(qū)微電網(wǎng)用二次電池目前主要為鉛酸電池[1]，儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)格主要為48 V/600 Ah，初期使用效果良好，但在經(jīng)過一個(gè)冬季后，有效電量下降一半，次年甚至出現(xiàn)“一充就飽、一放就虧”的現(xiàn)象，難以滿足微電網(wǎng)負(fù)載的供電需求。在某些特定點(diǎn)，冬季擱置不用，來年準(zhǔn)備啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，卻發(fā)現(xiàn)鉛酸電池已經(jīng)凍裂，需要一年一換；另外，隨著用電設(shè)備功率的增加，48 V直流電(DC)轉(zhuǎn)換220 V交流電(AC)存在功耗較大等缺陷，在額定電壓192 V儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)中，鉛酸電池的劣勢(shì)更明顯。基于這些地區(qū)冬季嚴(yán)寒、搬運(yùn)困難、維護(hù)響應(yīng)速度慢、生態(tài)安全要求高、負(fù)載耗電波動(dòng)大和局部氣候變化快等特征，應(yīng)著重考慮電池對(duì)環(huán)境高低溫的適應(yīng)性，尤其是長時(shí)間極端氣溫(-40 ℃)，這對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)滿足高安全、耐寒和長壽命等指標(biāo)，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(chǔ)能系統(tǒng)，但不能在微電網(wǎng)系統(tǒng)中連續(xù)應(yīng)用。后續(xù)針對(duì)鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)連續(xù)工作的研究，鮮有報(bào)道。

為滿足應(yīng)用要求，解決現(xiàn)有高原高寒地區(qū)微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中存在的問題，本文作者探索用自行設(shè)計(jì)和制備的鎳氫電池，組建192 V/200 Ah儲(chǔ)能系統(tǒng)，并進(jìn)行微電網(wǎng)供電應(yīng)用。

1 192 V/200 Ah鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 鎳氫電池的制作

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，采用平面極板交替疊片的方式，制作方形鎳氫電池，正、負(fù)極片采用連續(xù)拉漿法制作。負(fù)極活性物質(zhì)為MLNi3.9Co0.6Mn0.3Al0.3貯氫合金(包頭產(chǎn)，ML為富鑭混合稀土，La、Ce、Pr和Nd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65.25%、25.20%、8.43%和1.12%)。將負(fù)極活性物質(zhì)、添加劑ZnO(深圳產(chǎn)，電池級(jí))、導(dǎo)電劑超細(xì)鎳粉(深圳產(chǎn)，電池級(jí))、羥丙基甲基纖維素(揚(yáng)州產(chǎn)，電池級(jí))、黏結(jié)劑聚四氟乙烯(上海產(chǎn)，60%)和去離子水按質(zhì)量比200∶1∶3∶2∶4∶50配成漿料，涂覆在集流體泡沫鎳(長沙產(chǎn)，面密度為320 g/m2，PPI=90)表面，涂層厚度為1.05 mm，在120 ℃下，循環(huán)熱風(fēng)干燥3 min，然后用Φ600 mm輥壓機(jī)(邵陽產(chǎn))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(chǎn)，0.15 mm厚)，制成負(fù)極。

將正極活性物質(zhì)球形氫氧化亞鎳(新鄉(xiāng)產(chǎn)，動(dòng)力型)、添加劑羥基氧化鈷(鄭州產(chǎn)，電池級(jí))、羥丙基甲基纖維素、聚四氟乙烯和去離子水按質(zhì)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(huán)熱風(fēng)干燥3 min，然后用輥壓機(jī)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(fù)極活性物質(zhì)按照1.0∶1.2的容量配比系數(shù)進(jìn)行配比，采用0.18 mm厚的磺化隔膜(萊州產(chǎn))，疊包組裝后，裝入方形電池鋼殼(淄博產(chǎn)，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(chǎn)，AR)+0.2 mol/L NaOH(成都產(chǎn)，AR)+0.1 mol/L LiOH(四川產(chǎn)，AR)，封口。單體電池尺寸為長136 mm×寬38 mm×高240 mm，質(zhì)量為4 kg。

1.2 高壓箱設(shè)計(jì)

按圖1將電池管理系統(tǒng)(BMS)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、手動(dòng)開關(guān)、預(yù)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(nèi)集成。BMS利用DC/DC轉(zhuǎn)換器，從電池組取電，通過事先輸入的控制參數(shù)，對(duì)電池組的充/放電進(jìn)行獨(dú)立控制，保證電池組的荷電狀態(tài)(SOC)為10%～90%，防止過充/過放，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。此外，BMS還將采集的電壓、溫度、電流參數(shù)與邏輯指令等信息，通過485、控制器局域網(wǎng)(CAN)等通訊協(xié)議方式，發(fā)至需要接收的設(shè)備，如顯示器、能量管理系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 192 V/200 Ah鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)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(fù)極均從模塊正前方引出的方式，串聯(lián)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(yùn)，防止異物進(jìn)入造成電池短路；模塊背面中上部設(shè)置散熱風(fēng)扇。運(yùn)行時(shí)，若電池溫度達(dá)到報(bào)警值，散熱風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，提供強(qiáng)制通風(fēng)，加快儲(chǔ)能系統(tǒng)周邊空氣流動(dòng)和熱交換，從電池組內(nèi)部實(shí)現(xiàn)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(fēng)扇低壓線束共用一個(gè)位于模塊正面的插座接口，方便現(xiàn)場(chǎng)快速連接。

1.4 192 V/200 Ah鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

將8個(gè)電池模塊和高壓箱(按圖3所示)安裝在一個(gè)電池箱內(nèi)，共5層，最上層為高壓箱，再依次串聯(lián)成192 V/200 Ah儲(chǔ)能系統(tǒng)。電池箱體由槽鋼和門板組合件現(xiàn)場(chǎng)拼裝構(gòu)成，組合件表面噴有黑色絕緣漆，門板設(shè)置多排百葉窗。該箱體具有良好的通風(fēng)散熱功能。根據(jù)單體電池200 A恒流持續(xù)放電30 min的能力，儲(chǔ)能系統(tǒng)可提供不低于38.4 kW的輸出功率，滿足大多數(shù)感性負(fù)載的瞬間用電需求。

1.5 鎳氫電池的電化學(xué)性能測(cè)試

制備的200 Ah鎳氫電池先用Fluke 287C多用表(沈陽產(chǎn))測(cè)量電壓，常溫?cái)R置3 h后，轉(zhuǎn)入高溫房(50 ℃)中擱置24 h，再用5 V/50 A測(cè)試系統(tǒng)(深圳產(chǎn))進(jìn)行恒流充放電化成?；芍贫龋?.20C充電7 h，0.20C放電至0.8 V或7 h，先到為準(zhǔn)，重復(fù)3次，間隔時(shí)間為30 min。環(huán)境溫度為25 ℃。

依據(jù)GB/T 31484-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》[3]、GB/T 31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》[4]和GB/T 31486-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》[5]，對(duì)化成后的200 Ah鎳氫電池進(jìn)行安全和電化學(xué)性能檢測(cè)。

2 結(jié)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，將低溫箱的制冷和高溫箱的加熱關(guān)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(shù)據(jù)計(jì)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(jié)束后，電池表面溫度分別為-20 ℃、25 ℃和41 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電池溫域較寬，放電產(chǎn)生的熱量在低溫下可給電池自身內(nèi)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(chǔ)能系統(tǒng)中結(jié)合強(qiáng)制風(fēng)冷，能防止電池組溫度過高；另一方面，環(huán)境溫度與放電電壓平臺(tái)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，在后續(xù)SOC校正中需進(jìn)一步考慮。

2.2 200 Ah鎳氫電池的電化學(xué)性能

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)制備的200 Ah鎳氫電池進(jìn)行安全和電化學(xué)性能檢測(cè)，其一次性通過，電化學(xué)性能較好：容量偏差小于3 Ah，電池SOC為30%時(shí)，開路電壓偏差低于10 mV，直流內(nèi)阻低于0.6 mΩ。進(jìn)一步檢測(cè)結(jié)果表明：SOC在0～70%時(shí)，可承受200 A持續(xù)充電30 min；SOC在30%～80%時(shí)，可承受200 A持續(xù)放電30 min。在192 V儲(chǔ)能系統(tǒng)中，該電池具有較高的輸入輸出功率，有助于應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中感性負(fù)載產(chǎn)生的峰值功率需求，也能滿足大負(fù)載和長時(shí)間的用電需求。

2.3 192 V/200 Ah鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式

人工啟動(dòng)192 V/200 Ah鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)/光發(fā)電功率大于負(fù)載用電功率時(shí)，電池組存儲(chǔ)電量。當(dāng)電池組的SOC達(dá)到90%時(shí)，BMS發(fā)出指令，延時(shí)60 s后，斷開充電接觸器，但放電接觸器保持聯(lián)通，通過放電二極管模塊，保證電力不中斷輸出；當(dāng)電池組的SOC低于90%時(shí)，BMS發(fā)出指令，聯(lián)通充電接觸器，電池組又恢復(fù)到隨時(shí)可接受風(fēng)/光發(fā)出的多余電能的狀態(tài)。若風(fēng)/光發(fā)電不足或用電負(fù)載一直在消耗電量，電池組保持放電；但當(dāng)電池組的SOC降至10%時(shí)，BMS發(fā)出指令，斷開充/放電接觸器，儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)斷電。

儲(chǔ)能系統(tǒng)長期運(yùn)行過程中，因電池自放電、電池性能衰減、BMS計(jì)算誤差等因素，若不進(jìn)行SOC校正，產(chǎn)生的累計(jì)誤差會(huì)造成儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行紊亂，因此，要在凌晨時(shí)間段(0：00-5：00)進(jìn)行在線SOC校正。儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)定的校正條件為：儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間大于3 h內(nèi)沒有充放電，參照校正表(見表1)在線進(jìn)行SOC校正。

表1 192 V/200 Ah鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同溫度區(qū)間SOC與電壓的關(guān)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(yōu)勢(shì)[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(jù)這一特點(diǎn)，將表1劃分為3個(gè)溫度區(qū)間，涵蓋全天候區(qū)間，以進(jìn)一步提高SOC校正的精度。

2.4 微電網(wǎng)應(yīng)用

2019年8月，192 V/200 Ah鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在兩個(gè)牧區(qū)點(diǎn)，分別是內(nèi)蒙古自治區(qū)海拉爾和內(nèi)蒙古自治區(qū)阿爾山，海拔均約為1 100 m。冬季氣溫-50～-30 ℃，持續(xù)時(shí)間30～75 d；夏季氣溫20～32 ℃，持續(xù)時(shí)間50～65 d。兩地的負(fù)荷如表2所示。

表2 海拉爾和阿爾山儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)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(chǔ)能系統(tǒng)為微電網(wǎng)的儲(chǔ)能部分，經(jīng)逆變器逆變?yōu)?20 V AC供負(fù)載用電。截至2021年9月，儲(chǔ)能系統(tǒng)已運(yùn)行2.75 a，應(yīng)用情況良好，充放電穩(wěn)定，電池?zé)o記憶效應(yīng)，且不需要進(jìn)行單獨(dú)的維護(hù)保養(yǎng)，而傳統(tǒng)鉛酸電池每運(yùn)行一段時(shí)間，就需要補(bǔ)加電解液。在冬季低溫下，因風(fēng)/光發(fā)電不足，電池組電量耗盡，自身溫度會(huì)逐漸降低，甚至低于-10 ℃，但一旦風(fēng)/光發(fā)電開啟，儲(chǔ)能系統(tǒng)可自動(dòng)恢復(fù)充電，并存儲(chǔ)電量?？傮w而言，該系統(tǒng)能滿足我國高原高寒地區(qū)微電網(wǎng)用192 V儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)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(chǔ)能系統(tǒng)，可應(yīng)用于微電網(wǎng)，在高原高寒地區(qū)表現(xiàn)出高安全、適用溫域?qū)?、無記憶效應(yīng)和長壽命等優(yōu)勢(shì)，并與現(xiàn)在的逆變器相匹配，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，無需加液維護(hù)?？傮w而言，能滿足我國高原高寒地區(qū)微電網(wǎng)用192 V儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。

后續(xù)需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在高原高寒地區(qū)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和便攜化，可陸續(xù)在西藏、新疆等區(qū)域推廣應(yīng)用，具備較好的應(yīng)用前景。