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)學院,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;3.內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院,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(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儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)中,鉛酸電池的劣勢更明顯?;谶@些地區(qū)冬季嚴寒、搬運困難、維護響應(yīng)速度慢、生態(tài)安全要求高、負載耗電波動大和局部氣候變化快等特征,應(yīng)著重考慮電池對環(huán)境高低溫的適應(yīng)性,尤其是長時間極端氣溫(-40 ℃),這對儲能系統(tǒng)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(tǒng),但不能在微電網(wǎng)系統(tǒng)中連續(xù)應(yīng)用。后續(xù)針對鎳氫電池儲能系統(tǒng)連續(xù)工作的研究,鮮有報道。
為滿足應(yīng)用要求,解決現(xiàn)有高原高寒地區(qū)微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中存在的問題,本文作者探索用自行設(shè)計和制備的鎳氫電池,組建192 V/200 Ah儲能系統(tǒng),并進行微電網(wǎng)供電應(yīng)用。
根據(jù)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(xù)拉漿法制作。負極活性物質(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)量分數(shù)分別為65.25%、25.20%、8.43%和1.12%)。將負極活性物質(zhì)、添加劑ZnO(深圳產(chǎn),電池級)、導(dǎo)電劑超細鎳粉(深圳產(chǎn),電池級)、羥丙基甲基纖維素(揚州產(chǎn),電池級)、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)熱風干燥3 min,然后用Φ600 mm輥壓機(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),制成負極。
將正極活性物質(zhì)球形氫氧化亞鎳(新鄉(xiāng)產(chǎn),動力型)、添加劑羥基氧化鈷(鄭州產(chǎn),電池級)、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(zhì)按照1.0∶1.2的容量配比系數(shù)進行配比,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。
按圖1將電池管理系統(tǒng)(BMS)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、手動開關(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),對電池組的充/放電進行獨立控制,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,實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。
圖1 192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統(tǒng)電路圖Fig.1 Circuit diagram of 192 V/200 Ah Ni/MH battery for energy-storage system
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(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,防止異物進入造成電池短路;模塊背面中上部設(shè)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(tǒng)周邊空氣流動和熱交換,從電池組內(nèi)部實現(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,并與散熱風扇低壓線束共用一個位于模塊正面的插座接口,方便現(xiàn)場快速連接。
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(nèi),共5層,最上層為高壓箱,再依次串聯(lián)成192 V/200 Ah儲能系統(tǒng)。電池箱體由槽鋼和門板組合件現(xiàn)場拼裝構(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)感性負載的瞬間用電需求。
制備的200 Ah鎳氫電池先用Fluke 287C多用表(沈陽產(chǎn))測量電壓,常溫擱置3 h后,轉(zhuǎn)入高溫房(50 ℃)中擱置24 h,再用5 V/50 A測試系統(tǒng)(深圳產(chǎn))進行恒流充放電化成?;芍贫龋?.20C充電7 h,0.20C放電至0.8 V或7 h,先到為準,重復(fù)3次,間隔時間為30 min。環(huán)境溫度為25 ℃。
依據(jù)GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)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。
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(yīng)用場景,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 ℃。實驗結(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,在儲能系統(tǒng)中結(jié)合強制風冷,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存在對應(yīng)關(guān)系,在后續(xù)SOC校正中需進一步考慮。
依據(jù)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(nèi)阻低于0.6 mΩ。進一步檢測結(jié)果表明:SOC在0~70%時,可承受200 A持續(xù)充電30 min;SOC在30%~80%時,可承受200 A持續(xù)放電30 min。在192 V儲能系統(tǒng)中,該電池具有較高的輸入輸出功率,有助于應(yīng)對系統(tǒng)運行中感性負載產(chǎn)生的峰值功率需求,也能滿足大負載和長時間的用電需求。
人工啟動192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統(tǒng),當風/光發(fā)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(fā)出指令,延時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;當電池組的SOC低于90%時,BMS發(fā)出指令,聯(lián)通充電接觸器,電池組又恢復(fù)到隨時可接受風/光發(fā)出的多余電能的狀態(tài)。若風/光發(fā)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(fā)出指令,斷開充/放電接觸器,儲能系統(tǒng)自動斷電。
儲能系統(tǒng)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(chǎn)生的累計誤差會造成儲能系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)定的校正條件為:儲能系統(tǒng)持續(xù)時間大于3 h內(nèi)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(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[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,將表1劃分為3個溫度區(qū)間,涵蓋全天候區(qū)間,以進一步提高SOC校正的精度。
2019年8月,192 V/200 Ah鎳氫電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用在兩個牧區(qū)點,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)時間30~75 d;夏季氣溫20~32 ℃,持續(xù)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(tǒng)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(tǒng)為微電網(wǎng)的儲能部分,經(jīng)逆變器逆變?yōu)?20 V AC供負載用電。截至2021年9月,儲能系統(tǒng)已運行2.75 a,應(yīng)用情況良好,充放電穩(wěn)定,電池無記憶效應(yīng),且不需要進行單獨的維護保養(yǎng),而傳統(tǒng)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(fā)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(fā)電開啟,儲能系統(tǒng)可自動恢復(fù)充電,并存儲電量??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儲能系統(tǒng)的要求。
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(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)挕o記憶效應(yīng)和長壽命等優(yōu)勢,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??傮w而言,能滿足我國高原高寒地區(qū)微電網(wǎng)用192 V儲能系統(tǒng)的要求。
后續(xù)需要進一步實現(xiàn)鎳氫電池儲能系統(tǒng)在高原高寒地區(qū)的模塊化、標準化和便攜化,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。