基于鋅溴液流儲(chǔ)能電池的車載式應(yīng)急電源

秦小州，紀(jì)永新，張 麗，殷 俊，楊 波，張紅瑾

（1安徽美能儲(chǔ)能系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241008；2國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000）

車載式應(yīng)急電源是日常搶險(xiǎn)救災(zāi)中常用的設(shè)備之一，需要大功率、大容量，最常見的是將柴油發(fā)電機(jī)安裝于汽車上，需要時(shí)將汽車開至所需處，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)即可，這種方法簡(jiǎn)單、實(shí)用。但柴油發(fā)電機(jī)工作起來噪音大，一般在110 db，即使經(jīng)過特別處理的“低噪音電源車”，其噪音也有 75 db[1]。對(duì)于重要會(huì)議保障、醫(yī)療保障等一些需要靜音的場(chǎng)所，柴油發(fā)電車的噪音、廢氣排放等問題顯然讓人頭疼。近年來，隨著大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)不斷出現(xiàn)，如鋰電池、全釩電池、鋅溴電池等化學(xué)電源具 有靜音、零排放等特點(diǎn)，是應(yīng)急供電的新方向[2]，鋰電池已建成有500 kW·h以上移動(dòng)電源，是集裝箱式結(jié)構(gòu)[3]，作為貨物搭載于大型拖車上，到達(dá)目的地后需要卸下來固定運(yùn)行，雖可以移動(dòng)，但不是真正意義上的車載式應(yīng)急電源。全釩電池具有容量大且可擴(kuò)充之特點(diǎn)，受到人們的關(guān)注，本項(xiàng)目的可研計(jì)劃就是基于釩電池系統(tǒng)，但因其體積大、管路復(fù)雜而被放棄。鋅溴液流儲(chǔ)能電池與釩電池一樣，也是液流電池的一種，具有容量大、能量密度高、100%深度充電[4]、無污染、低噪音等特點(diǎn)，與全釩電池相比又有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，若將鋅溴儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在汽車上，平時(shí)充好電備用，需要時(shí)移動(dòng)至應(yīng)急場(chǎng)所逆變放電，在同等體積下其功率雖不如柴油發(fā)電機(jī)大，但其靜音、環(huán)保的特點(diǎn)有可觀的價(jià)值，可作為移動(dòng)應(yīng)急電源的一種補(bǔ)充。本文以淮北電力“綠色環(huán)保移動(dòng)保電項(xiàng)目”（以下簡(jiǎn)稱保電項(xiàng)目）為依托，總結(jié)了基于鋅溴液流儲(chǔ)能電池形成的一種新型車載式應(yīng)急電源過程中的要點(diǎn)。

1 電氣系統(tǒng)

1.1 儲(chǔ)能構(gòu)成

保電項(xiàng)目采用兩臺(tái)美能公司的鋅溴儲(chǔ)能模塊（module）組成一個(gè)100 kW·h系統(tǒng)（system）。產(chǎn)品源于美能ZBB公司產(chǎn)品，其標(biāo)準(zhǔn)模塊是50 kW·h，由8個(gè)電堆（stack）串并聯(lián)而成，而每一個(gè)電堆又是由60片單電池（cell）串聯(lián)而成。

每一片電池的開路電壓是1.85 V[5]，組成電堆后的電壓為100 V，兩個(gè)電堆串聯(lián)后電壓為200 V，經(jīng)DC-DC變換后升至DC400 V，標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能模塊組成如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能模塊（module）組成圖 Fig.1 Energy storage module composition diagram

1.2 運(yùn)行模式

兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)模塊并聯(lián)再經(jīng) PCS逆變輸出為交流380 V，構(gòu)成保電系統(tǒng)，系統(tǒng)額定放電功率為50 kW，滿功率可持續(xù)放電2 h。在此系統(tǒng)中重點(diǎn)考慮了單相負(fù)荷的不平衡供電問題，在PCS的軟件控制策略上取消不平衡保護(hù)限制，僅設(shè)過流保護(hù)，最大程度上滿足單相負(fù)荷的供電需要。電氣系統(tǒng)如圖2所示，圖中綠色虛線為通訊控制信號(hào)，紅色粗實(shí)線為直流母線。

圖2 電氣系統(tǒng)圖 Fig.2 Electrical system diagram

保電項(xiàng)目有并網(wǎng)保電和離網(wǎng)應(yīng)急供電兩種運(yùn)行模式。并網(wǎng)保電運(yùn)行模式是指對(duì)重要活動(dòng)，不允許間斷供電的應(yīng)用，將儲(chǔ)能與市電提前并接好，接至聯(lián)絡(luò)開關(guān)Q1的下方（圖2），使儲(chǔ)能系統(tǒng)處于熱待機(jī)狀態(tài)（浮充），當(dāng)電網(wǎng)突然斷電時(shí)電能不間斷地由儲(chǔ)能系統(tǒng)繼續(xù)供電。相當(dāng)于不間斷UPS的應(yīng)用，這個(gè)切換時(shí)間是逆變器由浮充轉(zhuǎn)為放電時(shí)的切換時(shí)間，為56 ms。圖3為由浮充轉(zhuǎn)為額定功率放電時(shí)的電流波形，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間軸（ms），t1是由充電轉(zhuǎn)放電的切換時(shí)刻（-3.95 ms），t2是切換過零點(diǎn)時(shí)刻（30.05 ms），t3是達(dá)滿功率時(shí)刻（61 ms），縱坐標(biāo)是電流值（A）。離網(wǎng)應(yīng)急供電模式是指現(xiàn)場(chǎng)無任何電源，充好電備用，需要時(shí)將應(yīng)急供電對(duì)象接入儲(chǔ)能系統(tǒng)（可接Q0開關(guān)的上方），將儲(chǔ)能系統(tǒng)視為電源，由儲(chǔ)能系統(tǒng)直接“黑啟動(dòng)”逆變供電。液流電池的特點(diǎn)是在運(yùn)行前必須要用泵把電解液泵至電堆，在電堆中進(jìn)行充放電過程，所以必須有能量先供給電解液泵，電解液泵工作一段時(shí)間后才能進(jìn)行充放電，所以液流電池自身不具備“黑啟動(dòng)”功能，“保電系統(tǒng)”配置了一臺(tái)通用小功率 UPS，通過一臺(tái)升壓變器升到300 V，再經(jīng)整流至400 V，作為電解液泵啟動(dòng)電源，液流電池運(yùn)行后通過接觸器把UPS斷開。

圖3 額定功率充電轉(zhuǎn)放電轉(zhuǎn)換電流波形圖 Fig.3 Rated power transfer charge and discharge current waveform conversion

2 車輛系統(tǒng)

2.1 車輛選型

作為應(yīng)急電源，車載系統(tǒng)是主要環(huán)節(jié)之一，對(duì)汽車的選擇必須考慮載重、限高、車輛上牌、年檢等因素。①載重及限高：保電系統(tǒng)設(shè)備總重量約5 t，其中儲(chǔ)能系統(tǒng) 2×1.7 t，逆變器 0.8 t，配電柜 0.5 t，其它附屬設(shè)備（線纜盤等）0.2 t，外加箱重量約3 t，需載重超過 8 t的車底盤。②超高：原設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能裝置的高度為2.4 m，再加車底盤高度、車廂高度，總高度超過 4 m，已接近道路橋梁限高最大值 4.2 m。③車輛上牌：根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行車輛管理法規(guī)，凡是在道路上行駛的機(jī)動(dòng)車必須取得當(dāng)?shù)剀嚬懿块T核發(fā)的機(jī)動(dòng)車號(hào)牌，而能取得號(hào)牌的必要條件是其車輛必須是經(jīng)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)改委）汽車公告發(fā)布的合法車輛（含改裝車、特種車）。④尾氣排放：在2013年后國(guó)家加強(qiáng)了汽車尾氣的整治力度，要求機(jī)動(dòng)車尾氣排放達(dá)到國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)并在國(guó)家環(huán)保局備案。這意味著車輛的選型不僅要具有國(guó)家發(fā)改委的汽車公告號(hào)，而且還要被列入國(guó)家環(huán)保局公布的環(huán)保達(dá)標(biāo)汽車目錄。⑤車輛年檢：每年要對(duì)車輛進(jìn)行一次強(qiáng)制檢驗(yàn)，其中一項(xiàng)內(nèi)容是“檢驗(yàn)車輛是否經(jīng)過改裝、改型、改造”，這意味著不能用投機(jī)取巧的辦法取得號(hào)牌。因此，必須在選型時(shí)重點(diǎn)考察所選車輛，必須選擇具有改裝資質(zhì)廠商改裝的車輛。

基于上述約束，不僅從技術(shù)上要考慮安全性因素，而且要遵守國(guó)家車輛管理法規(guī)。從國(guó)家發(fā)改委汽車公告目錄中選擇了一款總重量為12 t的電源車作為移動(dòng)平臺(tái)，外形如圖4所示。因汽車公告目錄中所有的電源車的高度均在3.8 m以下，為此特別為本項(xiàng)目制作了高度為2.1 m的儲(chǔ)能裝置，以適應(yīng)公告車高度限制的要求。

圖4 車輛外形照片 Fig.4 Vehicle outline photos

2.2 減震措施

因鋅溴電池是一種液流電池，其儲(chǔ)能介質(zhì)溴化鋅電解液是液態(tài)，若在汽車移動(dòng)過程中對(duì)管路造成沖擊有可能導(dǎo)致電解液外泄。因本項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于減震防漏，原曾設(shè)想采用“空氣氣囊懸掛”作為汽車懸梁，但該類改裝車在國(guó)外常見而在國(guó)內(nèi)屬于非法改裝車而放棄。為此在選用公告車的基礎(chǔ)上還采取了兩類措施：①車輛減震。在車輛底盤與車廂之間增加一層減震橡膠，在儲(chǔ)能設(shè)備與車箱之間又增加了一層PUR黏彈性減震墊，該減震墊具有較高的壓縮沖量，不同壓力下的壓縮沖量如圖5所示。②設(shè)備防震。將設(shè)備原有的硬管連接變更為軟管硬管相結(jié)合的連接方式；在泵支撐件間增加了橡膠墊以緩沖沖擊力；在儲(chǔ)液罐之間增加閥門阻隔以消除汽車晃動(dòng)時(shí)造成帶電電解液與未帶電電解液之間的串通。

圖5 減震墊壓縮沖量圖 Fig.5 Diagram for shock absorption and vibration dampening

3 應(yīng)用效果及存在的問題

3.1 應(yīng)用效果

在工廠及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了模擬搶險(xiǎn)測(cè)試，在工廠充電至 100%，然后開車在市區(qū)道路及高速公路上行駛100 km，返回工廠后，模擬并網(wǎng)保電和離網(wǎng)應(yīng)急供電兩種運(yùn)行模式下的工作情況。

并網(wǎng)保電運(yùn)行模式時(shí)，人為斷開市電開關(guān)，儲(chǔ)能對(duì)工廠照明、辦公室空調(diào)、電腦等約30 kW負(fù)荷繼續(xù)供電，經(jīng)過2 h，SOC降至40%，供電連續(xù)。

離網(wǎng)應(yīng)急供電試驗(yàn)在淮北市進(jìn)行，將充好電的設(shè)備開至市區(qū)某一飯店，改由應(yīng)急車供電，均為單相負(fù)荷，負(fù)荷類型有照明、空調(diào)、電視、冰柜等，負(fù)荷隨時(shí)變化，最大功率為16 kW，最小功率為3 kW。運(yùn)行從17時(shí)持續(xù)到22時(shí)，供電連續(xù)，供電45 kW·h，SOC仍有50%以上。圖6是放電功率變化曲線。

圖6 離網(wǎng)單相放電功率曲線 Fig.6 Off-grid single phase power discharge curve

經(jīng)1000 km行駛和充放電實(shí)驗(yàn)，證實(shí)車載式應(yīng)急電源與固定式儲(chǔ)能放電效果相同，并未發(fā)現(xiàn)漏液現(xiàn)象?，F(xiàn)已通過了國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司組織的驗(yàn)收及鑒定，已正式交付使用。

3.2 存在的問題

項(xiàng)目雖然通過了驗(yàn)收，但仍存在以下不足。

3.2.1 體積笨重

本項(xiàng)目的難點(diǎn)不是儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)本身，而是機(jī)動(dòng)車輛的選型，如何滿足國(guó)家對(duì)機(jī)動(dòng)車管理的規(guī)范，合法上牌，保證改裝后的車輛安全性不變，因此選擇車型是個(gè)關(guān)鍵，在市場(chǎng)上沒有載重、高度、長(zhǎng)度都很合適的車型，只能靠標(biāo)準(zhǔn)車型。

本項(xiàng)目應(yīng)用仍基于儲(chǔ)能系統(tǒng)與車載系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)（儲(chǔ)能系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)的、汽車是標(biāo)準(zhǔn)的）的組合，雖然體積不大但重量大，而能滿足載重的車輛的長(zhǎng)度必然較長(zhǎng)（長(zhǎng)達(dá)12 m），使此車型內(nèi)有1/3的空間閑置浪費(fèi)，未將鋅溴電池能量密度高的特色顯現(xiàn)出來，給人以笨重的感覺。

3.2.2 啟動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng)

為了解決車載移動(dòng)的問題，需要將電堆里殘留的電解液回收到儲(chǔ)液罐內(nèi)，而放電時(shí)電堆里沒有電解液，需要將電解液緩慢泵至電堆，時(shí)間約需 15 min。因電池間隙很小，且在放空電解液后電池內(nèi)被空氣所填充，在電解液回泵過程中，泵速不能太快以免造成氣阻。這是目前發(fā)現(xiàn)的與固定式安裝相比唯一的缺點(diǎn)。

4 結(jié) 論

應(yīng)急搶險(xiǎn)是儲(chǔ)能電源的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，現(xiàn)雖有多種儲(chǔ)能技術(shù)[6]，但已應(yīng)用于車載應(yīng)急系統(tǒng)的只有鉛酸蓄電池和鋰電池兩種固體電池。鉛酸蓄電池是傳統(tǒng)儲(chǔ)能產(chǎn)品，雖有能量密度低、不能深度充放電、充放電壽命短等缺點(diǎn)，但因其產(chǎn)品成熟、性能穩(wěn)定、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)率先在車載式移動(dòng)儲(chǔ)能領(lǐng)域得到應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已有 500kVAUPS電源車產(chǎn)品；鋰電池兼有高比能量和高比功率、自放電系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，但存在在過充、短路、沖壓、穿刺、振動(dòng)、高溫?zé)釠_擊等濫用條件下，極易發(fā)生爆炸或燃燒等不安全行為，大容量的鋰電池是由許多只電池串并聯(lián)而組成的，充放電的不一致性尤為突出，國(guó)內(nèi)雖已建成有500 kW·h的移動(dòng)電站，但安全性讓人擔(dān)憂。

液流電池具有深度充放電、安全環(huán)保的性能，但其要應(yīng)用于車載移動(dòng)電源，必須解決防震和漏液?jiǎn)栴}。本項(xiàng)目成功開發(fā)基于鋅溴液流電池的車載式應(yīng)急電源，開拓了液流儲(chǔ)能電池應(yīng)用范圍，成為世界上首例將液流儲(chǔ)能技術(shù)作為應(yīng)急電源的應(yīng)用案例。該產(chǎn)品與傳統(tǒng)柴油發(fā)電車相比，雖然功率較小，但是其靜音、潔凈和零污染的特性有著可觀的市場(chǎng)和應(yīng)用價(jià)值；與鉛酸蓄電池相比具有可深度充放電、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)；與鋰電池相比具有安全性的優(yōu)勢(shì)，可作為應(yīng)急電源車市場(chǎng)的一種補(bǔ)充。

為解決體積笨重的問題，在未來可嘗試走專業(yè)化制造之路，即只需外購(gòu)汽車底盤，撤消儲(chǔ)能柜體，有效利用車輛空間，將車廂完全作為儲(chǔ)能部件的安裝載體，設(shè)計(jì)出容量更大、更合理的專用電源車，專為此車申請(qǐng)“公告”，成為真正的專用特種車輛。

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