張 建，郭慰問,，鄒海曙，邵光杰，婁豫皖，夏保佳

?

100kW/200kW·h氫鎳電池儲能系統(tǒng)

張 建1，郭慰問1,2，鄒海曙3，邵光杰2，婁豫皖1，夏保佳1

（1中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 201800；2燕山大學環(huán)境與化學工程學院，河北 秦皇島 066004；3江蘇春蘭清潔能源研究院有限公司，江蘇 泰州 225306）

本文報道了100 kW/200 kW·h氫鎳電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計及性能。氫鎳電池具有充放電功率高、安全性好、環(huán)保、低溫性能好和電池組中單體之間的電量易均衡等特點，在混合電動車、固定儲能等方面均有很好的應(yīng)用。設(shè)計并制備了100 A·h的單體電池，兼顧功率與能量性能，電池內(nèi)阻低、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長。將之組成12 V/100 A·h的電池模塊之后再組成380 V/100 A·h的子系統(tǒng)；設(shè)計加工了低能耗、抗干擾、穩(wěn)定可靠的含電壓、電流、溫度檢測電路及散熱功能的電池管理系統(tǒng)；最后將之與6個子系統(tǒng)一起組成上述儲能系統(tǒng)。

氫鎳（MH-Ni）電池；儲能系統(tǒng)；電池管理系統(tǒng)

隨著化石能源的不斷匱乏以及環(huán)境污染的日益嚴重，可再生能源的應(yīng)用及其在能源需求中的比例不斷提高，這是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[1]。我國可再生能源發(fā)展規(guī)劃指出，到2020年，國內(nèi)可

再生能源消費將占15%?？梢?，可再生能源正從輔助能源向主導(dǎo)能源轉(zhuǎn)變。然而，風能、太陽能發(fā)電具有明顯的不連續(xù)、不穩(wěn)定及不可控特征[2-4]，急需配置相應(yīng)的儲能裝置進行有效調(diào)節(jié)。因此，建立包括高效儲能技術(shù)[5]在內(nèi)的智能電網(wǎng)和提高對可再生能源發(fā)電[6]的接納能力是解決我國能源安全、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。

電化學儲能技術(shù)[7-8]是儲能的一個重要分支，其優(yōu)勢在于響應(yīng)速度快、功率和能量可按需求靈活配置，適用于中小規(guī)模儲能。人們關(guān)注系統(tǒng)的安全性、使用維護的方便性、環(huán)保性、壽命、溫度特性、能量轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟性等，液流[9-10]、鈉硫[11-13]、鉛酸[14-15]、鋰離子電池[16-17]和氫鎳（MH-Ni）電池在儲能系統(tǒng)中均有應(yīng)用。

MH-Ni電池的正負極活性材料分別是Ni(OH)2和儲氫合金（M），KOH水溶液為電解液，其成流反應(yīng)如式(1)所示

該電池的特點是：可寬溫度范圍內(nèi)工作，尤其是較低溫度下，具有比鋰離子電池更高的充放電功率；該電池在超低溫（如-40℃）下的輸出、輸入性能是其它電池無法比擬的。該電池曾代替鎘鎳電池廣泛應(yīng)用于小型家用電器和初期的手機，目前主要應(yīng)用在對充放電功率和溫度適應(yīng)性都要求很高而對于電池比能量要求不太高的混合電動汽車等場合。由于密封體系中，過充電時正極析出的O2可與負極中等電量的原子態(tài)H生成水，從而保證了體系內(nèi)總物質(zhì)的平衡。依據(jù)此原理，在充電后期通過小電流過充，實現(xiàn)了電池組中單體之間的電量均衡，加之安全性好，所以其電池管理系統(tǒng)（BMS）比鋰離子電池簡單；體系中含有較多的鎳、鈷化合物，回收價值高；但該電池的瓦時成本與鎳、鈷價格密切相關(guān)，一次性投入整體比鋰離子電池的高。巴斯夫通過改進Ni(OH)2的微觀結(jié)構(gòu)，延長了電池的使用壽命，并保持其優(yōu)異的功率特性，電池能量密度為140 W·h/kg。此外，改進后的電池，在像當前這種鎳、鈷價格比較低的情況下，考慮到MH-Ni電池的成組成本低于鋰電池，系統(tǒng)每千瓦時成本不到150美元，與鋰離子電池相當，認為傳統(tǒng)的鎳基電池在特殊場合有應(yīng)用前景。

美國阿貢實驗室結(jié)果表明，MH-Ni電池儲能系統(tǒng)既具有超級電容的快速充放電特性，又具備鎘鎳、鉛酸電池的大容量、高安全特性，可在-40～75℃下工作，預(yù)計可達20年服務(wù)壽命，市場推廣用量明顯受其系統(tǒng)單位瓦時的價格影響[18]；深圳南山智能電網(wǎng)大廈采用的微網(wǎng)分布式新能源儲能系統(tǒng)，采用日本松下湘南工廠車用高能MH-Ni電池組，設(shè)計壽命8年，從2008年9月起，通過300多次的系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，證實其穩(wěn)定可靠。本文報道了國內(nèi)自主研發(fā)并投入運行的由上海市電力公司和春蘭集團共同開發(fā)的100 kW/200 kW·h的氫鎳電池儲能系統(tǒng)。

1 380 V/600 A·h MH-Ni電池儲能系 統(tǒng)的設(shè)計與性能

首先設(shè)計并制備了1.2 V/100 A·h的單體電池，各單體之間的性能具有很好的一致性，保證了低內(nèi)阻以及寬溫度范圍使用。將單體電池組成12 V/100 A·h模塊進而組成380 V/100 A·h子系統(tǒng)，6個子系統(tǒng)組成目標系統(tǒng)；對子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了合理設(shè)計，使其散熱性能好，可實現(xiàn)子系統(tǒng)中任何一組的均衡充電和均衡放電，可自動調(diào)節(jié)任何一組電池的并網(wǎng)功率。

1.1 1.2 V/100 A·h單體電池

采用閥控式結(jié)構(gòu)，泄氣閥值為5個大氣壓。

通過集流體發(fā)泡鎳面密度、正極活性物質(zhì)Ni(OH)2、負極儲氫合金的選擇及正負極連續(xù)成型技術(shù)、壓實密度、極片厚度以及正負極容量比、電解液組成、用量的優(yōu)化設(shè)計，依據(jù)GB/T18332.2— 2001，制備了兼顧功率、能量和成本的單體電池，如圖1所示。

該電池性能一致性好，容量偏差在5%以內(nèi)，電池荷電狀態(tài)（SOC）為50%時開路電壓偏差低于50 mV，內(nèi)阻低于1.1 mΩ；0% SOC下，內(nèi)阻均低于1.5 mΩ。50% SOC時可承受3 C持續(xù)充電1min，5 C持續(xù)放電1 min。80%放電深度的運行壽命超過2500次。單體電池的綜合性能見表１。

1.2 12 V/100 A·h電池模塊

將上述10個單體串聯(lián)成12 V/100 A·h的電池模塊，各單體間均放置絕緣隔柵，以提供通風散熱通道，提高循環(huán)壽命與充放電能量效率，防止電池組的熱失控，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 單體電池的綜合性能

1.3 380 V/100 A·h電池子系統(tǒng)

先將8個上述電池模塊串聯(lián)組成一個96 V/100 A·h電池層[圖3(a)]，再將其安裝在一個電池箱內(nèi)。電池箱體采用鋼板制作，表面噴漆。箱內(nèi)設(shè)有強制通風冷卻系統(tǒng)，其工作電壓為24 V，在380 V系統(tǒng)中經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換而來；電池表面溫度升高到設(shè)定溫度如35 ℃時，自動開啟風扇。該箱具有良好的防塵、防潮和防腐蝕功能。

考慮到控制器件等級，系統(tǒng)直流輸出電壓設(shè)為380 V。因此由上述4個電池層和一個電氣層組成一個380 V/100 A·h電池子系統(tǒng)[圖3(b)]。

每節(jié)單體為1.2 V，因此每個子系統(tǒng)包含320節(jié)電池。1個子系統(tǒng)與一套功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）連接，后臺為公用固定配置，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)由6個子系統(tǒng)提供100 kW功率的設(shè)計，每個子系統(tǒng)以16.67 kW恒功率放電到70%DOD，放電能量為26.6 kW·h，可持續(xù)放電1.6 h。

圖4是一個電池子系統(tǒng)在25 ℃下的充放電特性。該系統(tǒng)以（0.2 C）20 A充電4 h，10 A充電2 h，擱置0.5 h，再以50 A放電至電壓320 V，電池組的充放電平均中值電壓分別為450 V和410 V左右，平均折算成單體充放電平臺電壓差僅為0.13 V，所以能量效率高。

常溫下，該子系統(tǒng)的（4 C）400 A放電時間達14.3 min，容量（終止單體電壓為0.8 V）可達1 C的95%以上，如圖5所示。可見，其功率特性優(yōu)異。

1.4 電池熱管理

環(huán)境溫度較高時，電池組的散熱速率降低，溫度快速上升。隨著溫度升高，正極的析氧過電位降低，析氧量增大，充電的庫侖效率降低，而氧氣在負極的復(fù)合會產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度更高，從而使得析氧過電位更低，進一步加速氧的析出，這種正反饋過程，導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控[19]。

電池系統(tǒng)對充電過程設(shè)定了保護：若電池表面溫度超過35 ℃，冷卻風機自動開啟，強制通風散熱；超過45 ℃時，停止充電；電池系統(tǒng)環(huán)境溫度控制在35 ℃以下。這些合理的電池模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保了系統(tǒng)內(nèi)熱量的散發(fā)與溫度的平衡。由圖6可見，電池的中間及正負極極耳部位溫度較高，絕緣隔柵、通風散熱通道及排風扇的優(yōu)化設(shè)置，加快了熱量的散發(fā)。

1.5 電池管理系統(tǒng)

BMS是根據(jù)MH-Ni電池組的特性及電力用PCS和上位機的要求開發(fā)的，它能在整個系統(tǒng)的運行過程中對電池組進行全方位的實時監(jiān)控、管理和保護。

BMS主要由兩部分組成：中央處理單元與數(shù)據(jù)采集單元。前者由主控板、控制回路及共性參數(shù)采集回路等組成；后者由若干個數(shù)據(jù)采集模板及子板構(gòu)成，通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線完成相互間的信息通訊以及與PCS的信息通訊，這種結(jié)構(gòu)使內(nèi)、外CAN分離，保證了BMS不對PCS的CAN系統(tǒng)產(chǎn)生影響，同時內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)便于BMS的擴展，提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力，適合分散式系統(tǒng)布置。BMS保證了電池系統(tǒng)能夠隨時提供足夠的能量，同時對電池運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)出維護請求、禁用請求等提示信息，維持電池在10%～90% SOC范圍內(nèi)運行，防止過充電、過放電，提高電池系統(tǒng)的安全性，并可根據(jù)用戶使用工況，執(zhí)行恰當?shù)墓芾聿呗?，延長電池使用壽命。

開發(fā)的智能化BMS，自身低功耗、抗干擾，電壓、電流、溫度檢測穩(wěn)定可靠。

1.6 380 V/600 A·h儲能系統(tǒng)

6個上述電池子系統(tǒng)可與將380 V直流轉(zhuǎn)換為380 V交流的PCS無環(huán)流并聯(lián)。將之與BMS構(gòu)成100 kW/200 kW·h儲能系統(tǒng)。主要包括電池堆、BMS、PCS、CAN通訊幾大部分，如圖7所示。根據(jù)設(shè)計要求，電池之間采用電氣電路連接，而非機械結(jié)構(gòu)性串并，可靠性高，壽命長。

該系統(tǒng)中的PCS能夠?qū)崿F(xiàn)對6組子系統(tǒng)中任何一組的獨立均衡充電和均衡放電；可自動調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中任何一組的并網(wǎng)功率，并可實現(xiàn)電流均分，對外輸出380 V交流電，額定功率100 kW，可持續(xù)運行1.5 h以上。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，如果以此100 kW為一個可兼容單元，可以組合成1 MW、2 MW 、3 MW等更大的系統(tǒng)；在0.1 C（60 A）下，充電電流較小，通過電源系統(tǒng)的終端控制，根據(jù)輸出和輸入的積分電量之比自動計算生成的庫侖效率可達96%；能量效率達85%以上。

電源系統(tǒng)按照應(yīng)急啟停模擬工況在400 A電流下進行連續(xù)循環(huán)運行，同時對特定的電池進行溫度測試，如圖8所示。運行后對電池模塊的一致性進行電壓檢測和評估，按|模塊-模塊平均|/模塊平均×100%計算，其最大值僅為0.22%，表明電池單體之間的一致性好，如圖9所示。實際運行試驗數(shù)據(jù)表明，該電源系統(tǒng)可以滿足應(yīng)用需求。

系統(tǒng)的綜合性能如表2所示。

表2 氫鎳電池儲能系統(tǒng)的綜合性能

該系統(tǒng)于2009年4月在上海35 kV航頭變電站正式投入運行，并在2010年3月遷往漕溪站能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地示范運行，以后作為在上海召開的國際電力會議的產(chǎn)品展示。結(jié)果證明，系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定性高、綜合性能良好，在-25～55 ℃下，可以應(yīng)對電網(wǎng)中斷導(dǎo)致的大面積停電等突發(fā)事件，還可以起到對電能“削峰填谷”的作用。

2 結(jié) 論

MH-Ni電池主要應(yīng)用于對比能量要求不太高而功率特性要求較高的混合電動汽車、儲能等領(lǐng)域。開發(fā)的100 kW/200 kW·h儲能系統(tǒng)，采用了模塊化設(shè)計，配以合適的BMS系統(tǒng)，電源系統(tǒng)按照應(yīng)急啟停模擬工況在400 A電流下進行連續(xù)循環(huán)運行，結(jié)果表明，系統(tǒng)功率特性好，可靠性高，在安全性要求高和溫度低的固定儲能場合，具備較好的應(yīng)用前景。

[1] 李衛(wèi)林. 可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用前景分析[J]. 能源與環(huán)境，2009（1）：30-32.

LI Weilin. Development and application prospect of renewable energy[J]. Energy and Environment，2009（1）：30-32.

[2] 張麗香. 可再生能源發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 電力學報，2008，23（1）：29-33.

ZHANG Lixiang. Status and prospects of renewable power generation[J]. Journal of Electric Power，2008，23（1）：29-33.

[3] 李紅葉，陳森林. 中國可再生能源發(fā)電發(fā)展戰(zhàn)略探討[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2011（3）：131-135.

LI Hongye，CHEN Senlin. Discussion on the development strategy of renewable energy power generation in China[J]. China Rural Water and Hydropower，2011（3）：131-135.

[4] 袁琦. 可再生能源發(fā)電中的儲能技術(shù)[J]. 電力電容器與無功補償，2009，30（5）：30-32.

YUAN Qi. Energy storage technology in renewable energy generation[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation，2009，30（5）：30-32.

[5] 董天海，董琪. 大規(guī)模高效儲能技術(shù)概述[J]. 科技視界，2013，25：9-10.

DONG Tianhai，DONG Qi. Overview of large scale and high efficiency energy storage technology[J]. Science & Technology Vision，2013，25：9-10.

[6] 蔣凱，李浩秒，李威，程時杰. 幾類面向電網(wǎng)的儲能電池介紹[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37（1）：47-53.

JIANG Kai，LI Haomiao，LI Wei，CHENG Shijie. On several battery technologies for power grids[J]. Automation of Electric Power Systems，2013，37（1）：47-53.

[7] 國家電網(wǎng)公司“電網(wǎng)新技術(shù)前景研究”項目. 大規(guī)模儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37（1）：3-8.

Consulting Group of State Grid Corporation of China to Prospects of New Technologies in Power Systems. An analysis of prospects for application of large-scale energy storage technology in power systems[J]. Automation of Electric Power Systems，2013，37（1）：3-8.

[8] 丁明，陳忠，蘇建徽，等. 可再生能源發(fā)電中的電池儲能系統(tǒng)綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37（1）：19-25.

DING Ming，CHEN Zhong，SU Jianhui，et al. An overview of battery energy storage system for renewable energy generation[J]. Automation of Electric Power Systems，2013，37（1）：19-25.

[9] 張華民. 儲能與液流電池技術(shù)[J]. 儲能科學與技術(shù)，2012，1（1）：58-63.

ZHANG Huamin. Development and application status of energy storage technologies[J]. Energy Storage Science and Technology，2012，1（1）：58-63.

[10] 賈志軍，宋士強，王保國. 液流電池儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 儲能科學與技術(shù)，2012，1（1）：50-57.

JIA Zhijun，SONG Shiqiang，WANG Baoguo. A critical review on redox flow batteries for electrical energy storage applications[J]. Energy Storage Science and Technology，2012，1（1）：50-57.

[11] 溫兆銀. 鈉硫電池及其儲能應(yīng)用[J]. 上海節(jié)能，2007（2）：7-10.

WEN Zhaoyin. Sodium sulfur cell and its energy storage application[J]. Shanghai Energy Conservation，2007（2）：7-10.

[12] 李偉峰，馬素花，沈曉東. 面向大規(guī)模電網(wǎng)儲能的鈉基電池研究進展[J]. 電源技術(shù)，2015，39（1）：213-216.

LI Weifeng，MA Suhua，SHEN Xiaodong. Advances of sodium based batteries for large-scale energy storage of power grid[J]. Chinese Journal of Power Sources，2015，39（1）：213-216.

[13] LU Jiayun，JIANG Quansheng，QIN Lei. The research on energy-storaged application of Na/S battery[J]. Advanced Materials Research，2012，（443/444）：189-192.

[14] 廖斯達，賈志軍，馬洪運，吳旭冉，王保國. 鉛酸蓄電池的發(fā)展及其應(yīng)用[J]. 儲能科學與技術(shù)，2013，2（5）：514-521.

LIAO Sida，JIA Zhijun，MA Hongyun，WU Xuran，WANG Baoguo. The development and applications of lead-acid batteries[J]. Energy Storage Science and Technology，2013，2（5）：514-521.

[15] ROZALI N E M，ALWI A S R W，MANAN Z A，et al. A process integration approach for design of hybrid power systems with energy storage[J]. Clean Technologies and Environmental Policy，2015，17（7）：2055-2072.

[16] 馬華，從長杰，王馳偉. 儲能用鋰離子動力電池研究進展[J]. 化學工業(yè)與工程，2014，31（3）：26-33.

MA Hua，CONG Changjie，WANG Chiwei. Research progress on lithium-ion batteries for energy storage application[J]. Chemical Industry and Engineering，2014，31（3）：26-33.

[17] CHO Jaephil，JEONG Sookyung，KIM Youngsik. Commercial and research battery technologies for electical energy applications[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2015，48：84-110.

[18] KWO Young，JOHN Koch，MIKE Zelinsky，MICHAEL Fetcenko. Ovnic Ni-MH batteries for energy storage system[C]//The 10th China Iternatinal Battery Fair，2012.

[19] 倪靜，陳華，張玲，祝小冬. 改善MH-Ni電池寬溫特性的方法[J]. 電動自行車，2013（7）：40-46.

NI Jing，CHEN Hua，ZHANG Ling，ZHU Xiaodong. Method for improving wide temperature range characteristics of MH-Ni battery[J]. Electric Bicycle，2013（7）：40-46.

100 kW/200 kW·h energy storage system of MH-Ni batteries

ZHANG Jian1, GUO Weiwen1,2, ZOU Haishu3, SHAO Guangjie2, LOU Yuwan1, XIA Baojia1

(1Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China;2College of Environmental and Chemical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei, China;3Jiangsu Chunlan Clean Energy Research Institute Co., Ltd., Taizhou 225306, Jiangsu, China)

The design and performance of 100 kW/200 kW·h MH-Ni stationary energy storage system ware reported. Due to its superior charge and discharge power characteristic, high safety, environmental friendliness, excellent low temperature performance and easiness to balance the single cells in a battery pack, MH-Ni battery is suitable for hybrid electric vehicles and stationary energy storage applications. In this storage system, MH-Ni cell of 100 A·h was designed, with the advantages of optimized power and energy, low impedance, wide operating temperature range and long cycle life The cells were connected in series to form a 12 V/100 A·h battery module and a sub-system of 380 V/100 A·h was assembled. A battery management system, with functions of low energy consumption, anti-interference, stable and reliable voltage, current, temperature detection circuit and heat dissipation, was designed and fabricated. An energy storage system was fabricated using the battery management system and six sub-system units.

nickel-metal hydride (MH-Ni) battery; energy storage system; the battery management system

10.12028//j.issn.2095-4239.2016.04.030

TM 912

A

2095-4239（2016）04-596-06

2016-04-06；修改稿日期：2016-05-23。

國家自然科學基金項目（51277173）。

張建（1977—），男，碩士，副研究員，主要研究方向為化學電源及材料，E-mail：zjskycn@163.com；通訊聯(lián)系人：婁豫皖，博士，研究員，主要研究方向為化學電源，E-mail：yuwanlou@163.com。