基于镍氢电池的192,V/200,Ah储能系统
时间：2022-12-09 16:05:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
蒋志军，吴保华，朱晓梅，秦 伟
(1.包头昊明稀土新电源科技有限公司，内蒙古 包头 014030；
2.鄂尔多斯应用技术学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000；
3.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010)
高原高寒地区微电网用二次电池目前主要为铅酸电池[1]，储能系统的规格主要为48 V/600 Ah，初期使用效果良好，但在经过一个冬季后，有效电量下降一半，次年甚至出现“一充就饱、一放就亏”的现象，难以满足微电网负载的供电需求。在某些特定点，冬季搁置不用，来年准备启动储能系统，却发现铅酸电池已经冻裂，需要一年一换；
另外，随着用电设备功率的增加，48 V直流电(DC)转换220 V交流电(AC)存在功耗较大等缺陷，在额定电压192 V储能系统的微电网中，铅酸电池的劣势更明显。基于这些地区冬季严寒、搬运困难、维护响应速度慢、生态安全要求高、负载耗电波动大和局部气候变化快等特征，应着重考虑电池对环境高低温的适应性，尤其是长时间极端气温(-40 ℃)，这对储能系统同时满足高安全、耐寒和长寿命等指标，提出了更高的要求。张建等[1]用镍氢电池组建了100 kW/200 kW·h储能系统，但不能在微电网系统中连续应用。后续针对镍氢电池储能系统连续工作的研究，鲜有报道。
为满足应用要求，解决现有高原高寒地区微电网储能系统中存在的问题，本文作者探索用自行设计和制备的镍氢电池，组建192 V/200 Ah储能系统，并进行微电网供电应用。
1.1 镍氢电池的制作
根据文献[2]，采用平面极板交替叠片的方式，制作方形镍氢电池，正、负极片采用连续拉浆法制作。负极活性物质为MLNi3.9Co0.6Mn0.3Al0.3贮氢合金(包头产，ML为富镧混合稀土，La、Ce、Pr和Nd的质量分数分别为65.25%、25.20%、8.43%和1.12%)。将负极活性物质、添加剂ZnO(深圳产，电池级)、导电剂超细镍粉(深圳产，电池级)、羟丙基甲基纤维素(扬州产，电池级)、黏结剂聚四氟乙烯(上海产，60%)和去离子水按质量比200∶1∶3∶2∶4∶50配成浆料，涂覆在集流体泡沫镍(长沙产，面密度为320 g/m2，PPI=90)表面，涂层厚度为1.05 mm，在120 ℃下，循环热风干燥3 min，然后用Φ600 mm辊压机(邵阳产)以1.96×106N的压力压至(0.24±0.01) mm厚，再模切成220 mm×131 mm的极片，留5 mm白边，以焊接镍极耳(无锡产，0.15 mm厚)，制成负极。
将正极活性物质球形氢氧化亚镍(新乡产，动力型)、添加剂羟基氧化钴(郑州产，电池级)、羟丙基甲基纤维素、聚四氟乙烯和去离子水按质量比200∶5∶3∶4∶35配成浆料，涂覆在泡沫镍集流体表面，涂层厚度为1.00 mm，在130 ℃下，循环热风干燥3 min，然后用辊压机以1.96×106N的压力压至(0.28±0.01) mm厚，再裁切成220 mm×132 mm的极片，留5 mm白边，以焊接镍极耳，制成正极。
正、负极活性物质按照1.0∶1.2的容量配比系数进行配比，采用0.18 mm厚的磺化隔膜(莱州产)，叠包组装后，装入方形电池钢壳(淄博产，304不锈钢)中，上盖，用氩弧焊接，真空注液350 g，所用电解液为6.0 mol/L KOH(成都产，AR)+0.2 mol/L NaOH(成都产，AR)+0.1 mol/L LiOH(四川产，AR)，封口。单体电池尺寸为长136 mm×宽38 mm×高240 mm，质量为4 kg。
1.2 高压箱设计
按图1将电池管理系统(BMS)、DC/DC转换器、手动开关、预充电阻、接触器、指示灯、二极管模块和分流器组装，在高压箱内集成。BMS利用DC/DC转换器，从电池组取电，通过事先输入的控制参数，对电池组的充/放电进行独立控制，保证电池组的荷电状态(SOC)为10%～90%，防止过充/过放，提高储能系统的可靠性。此外，BMS还将采集的电压、温度、电流参数与逻辑指令等信息，通过485、控制器局域网(CAN)等通讯协议方式，发至需要接收的设备，如显示器、能量管理系统等，实现远程实时监测。
图1 192 V/200 Ah镍氢电池储能系统电路图Fig.1 Circuit diagram of 192 V/200 Ah Ni/MH battery for energy-storage system
1.3 24 V/200 Ah镍氢电池模块
将20只单体电池布置成两列，按正/负极均从模块正前方引出的方式，串联成24 V/200 Ah的电池模块，如图2所示。
图2 24 V/200 Ah镍氢电池模块示意图Fig.2 Schematic diagram of 24 V/200 Ah Ni/MH battery module
该模块配置提手和顶盖，便于模块搬运，防止异物进入造成电池短路；
模块背面中上部设置散热风扇。运行时，若电池温度达到报警值，散热风扇会自动启动，提供强制通风，加快储能系统周边空气流动和热交换，从电池组内部实现温度控制，以提高电池组能量利用率。电压采集线和温度采集线末端固定在电池之间的连接片上，并与散热风扇低压线束共用一个位于模块正面的插座接口，方便现场快速连接。
1.4 192 V/200 Ah镍氢电池储能系统构成
将8个电池模块和高压箱(按图3所示)安装在一个电池箱内，共5层，最上层为高压箱，再依次串联成192 V/200 Ah储能系统。电池箱体由槽钢和门板组合件现场拼装构成，组合件表面喷有黑色绝缘漆，门板设置多排百叶窗。该箱体具有良好的通风散热功能。根据单体电池200 A恒流持续放电30 min的能力，储能系统可提供不低于38.4 kW的输出功率，满足大多数感性负载的瞬间用电需求。
1.5 镍氢电池的电化学性能测试
制备的200 Ah镍氢电池先用Fluke 287C多用表(沈阳产)测量电压，常温搁置3 h后，转入高温房(50 ℃)中搁置24 h，再用5 V/50 A测试系统(深圳产)进行恒流充放电化成。化成制度：0.20C充电7 h，0.20C放电至0.8 V或7 h，先到为准，重复3次，间隔时间为30 min。环境温度为25 ℃。
依据GB/T 31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》[3]、GB/T 31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》[4]和GB/T 31486-2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》[5]，对化成后的200 Ah镍氢电池进行安全和电化学性能检测。
2.1 200 Ah镍氢电池的放电曲线
200 Ah单体镍氢电池化成后，在(20±5) ℃下以0.20C充电5.5 h，在不同温度(-35 ℃、20 ℃和40 ℃)下搁置12.0 h，再以0.05C恒流放电，放电曲线见图4。开始放电前，模拟实际应用场景，将低温箱的制冷和高温箱的加热关闭。
图4 200 Ah镍氢电池在不同温度下的0.05 C放电曲线Fig.4 Discharge curves of 200 Ah Ni/MH battery at different temperatures at 0.05 C
从图4数据计算可知，单体电池以0.05C在-35 ℃、20 ℃和40 ℃下放电，放电容量分别185.8 Ah、205.9 Ah和194.8 Ah，容量相差不大。放电结束后，电池表面温度分别为-20 ℃、25 ℃和41 ℃。实验结果表明：该电池温域较宽，放电产生的热量在低温下可给电池自身内部加热。一方面，在高温下，向外散热的速率快，升温反而慢，在储能系统中结合强制风冷，能防止电池组温度过高；
另一方面，环境温度与放电电压平台存在对应关系，在后续SOC校正中需进一步考虑。
2.2 200 Ah镍氢电池的电化学性能
依据国家标准，对制备的200 Ah镍氢电池进行安全和电化学性能检测，其一次性通过，电化学性能较好：容量偏差小于3 Ah，电池SOC为30%时，开路电压偏差低于10 mV，直流内阻低于0.6 mΩ。进一步检测结果表明：SOC在0～70%时，可承受200 A持续充电30 min；
SOC在30%～80%时，可承受200 A持续放电30 min。在192 V储能系统中，该电池具有较高的输入输出功率，有助于应对系统运行中感性负载产生的峰值功率需求，也能满足大负载和长时间的用电需求。
2.3 192 V/200 Ah镍氢电池储能系统运行模式
人工启动192 V/200 Ah镍氢电池储能系统，当风/光发电功率大于负载用电功率时，电池组存储电量。当电池组的SOC达到90%时，BMS发出指令，延时60 s后，断开充电接触器，但放电接触器保持联通，通过放电二极管模块，保证电力不中断输出；
当电池组的SOC低于90%时，BMS发出指令，联通充电接触器，电池组又恢复到随时可接受风/光发出的多余电能的状态。若风/光发电不足或用电负载一直在消耗电量，电池组保持放电；
但当电池组的SOC降至10%时，BMS发出指令，断开充/放电接触器，储能系统自动断电。
储能系统长期运行过程中，因电池自放电、电池性能衰减、BMS计算误差等因素，若不进行SOC校正，产生的累计误差会造成储能系统运行紊乱，因此，要在凌晨时间段(0：00-5：00)进行在线SOC校正。储能系统设定的校正条件为：储能系统持续时间大于3 h内没有充放电，参照校正表(见表1)在线进行SOC校正。
表1 192 V/200 Ah镍氢电池储能系统在不同温度区间SOC与电压的关系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
与锂离子电池相比，镍氢电池具有全天候可充放电的优势[6]，但温度不同放电电压曲线也不同：温度低，放电电压曲线偏低；
温度高，放电电压曲线偏高。根据这一特点，将表1划分为3个温度区间，涵盖全天候区间，以进一步提高SOC校正的精度。
2.4 微电网应用
2019年8月，192 V/200 Ah镍氢电池储能系统应用在两个牧区点，分别是内蒙古自治区海拉尔和内蒙古自治区阿尔山，海拔均约为1 100 m。冬季气温-50～-30 ℃，持续时间30～75 d；
夏季气温20～32 ℃，持续时间50～65 d。两地的负荷如表2所示。
表2 海拉尔和阿尔山储能系统的负荷及用电量Table 2 Load and power consumption of energy-storage system in Hailar and Aershan
192 V/200 Ah镍氢电池储能系统为微电网的储能部分，经逆变器逆变为220 V AC供负载用电。截至2021年9月，储能系统已运行2.75 a，应用情况良好，充放电稳定，电池无记忆效应，且不需要进行单独的维护保养，而传统铅酸电池每运行一段时间，就需要补加电解液。在冬季低温下，因风/光发电不足，电池组电量耗尽，自身温度会逐渐降低，甚至低于-10 ℃，但一旦风/光发电开启，储能系统可自动恢复充电，并存储电量。总体而言，该系统能满足我国高原高寒地区微电网用192 V储能系统的要求。
本文作者通过电池模块、高压箱等集成的192 V/200 Ah镍氢电池储能系统，可应用于微电网，在高原高寒地区表现出高安全、适用温域宽、无记忆效应和长寿命等优势，并与现在的逆变器相匹配，产品稳定可靠，无需加液维护。总体而言，能满足我国高原高寒地区微电网用192 V储能系统的要求。
后续需要进一步实现镍氢电池储能系统在高原高寒地区的模块化、标准化和便携化，可陆续在西藏、新疆等区域推广应用，具备较好的应用前景。
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