100kW/200kW·h氢镍电池储能系统

张 建，郭慰问,，邹海曙，邵光杰，娄豫皖，夏保佳



100kW/200kW·h氢镍电池储能系统

张 建1，郭慰问1,2，邹海曙3，邵光杰2，娄豫皖1，夏保佳1

（1中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 201800；2燕山大学环境与化学工程学院，河北 秦皇岛 066004；3江苏春兰清洁能源研究院有限公司，江苏 泰州 225306）

本文报道了100 kW/200 kW·h氢镍电池储能系统的设计及性能。氢镍电池具有充放电功率高、安全性好、环保、低温性能好和电池组中单体之间的电量易均衡等特点，在混合电动车、固定储能等方面均有很好的应用。设计并制备了100 A·h的单体电池，兼顾功率与能量性能，电池内阻低、工作温度范围宽、循环寿命长。将之组成12 V/100 A·h的电池模块之后再组成380 V/100 A·h的子系统；设计加工了低能耗、抗干扰、稳定可靠的含电压、电流、温度检测电路及散热功能的电池管理系统；最后将之与6个子系统一起组成上述储能系统。

氢镍（MH-Ni）电池；储能系统；电池管理系统

随着化石能源的不断匮乏以及环境污染的日益严重，可再生能源的应用及其在能源需求中的比例不断提高，这是实现社会可持续发展的必然选择[1]。我国可再生能源发展规划指出，到2020年，国内可

再生能源消费将占15%。可见，可再生能源正从辅助能源向主导能源转变。然而，风能、太阳能发电具有明显的不连续、不稳定及不可控特征[2-4]，急需配置相应的储能装置进行有效调节。因此，建立包括高效储能技术[5]在内的智能电网和提高对可再生能源发电[6]的接纳能力是解决我国能源安全、实现节能减排的重要途径之一。

电化学储能技术[7-8]是储能的一个重要分支，其优势在于响应速度快、功率和能量可按需求灵活配置，适用于中小规模储能。人们关注系统的安全性、使用维护的方便性、环保性、寿命、温度特性、能量转化效率和经济性等，液流[9-10]、钠硫[11-13]、铅酸[14-15]、锂离子电池[16-17]和氢镍（MH-Ni）电池在储能系统中均有应用。

MH-Ni电池的正负极活性材料分别是Ni(OH)2和储氢合金（M），KOH水溶液为电解液，其成流反应如式(1)所示

该电池的特点是：可宽温度范围内工作，尤其是较低温度下，具有比锂离子电池更高的充放电功率；该电池在超低温（如-40℃）下的输出、输入性能是其它电池无法比拟的。该电池曾代替镉镍电池广泛应用于小型家用电器和初期的手机，目前主要应用在对充放电功率和温度适应性都要求很高而对于电池比能量要求不太高的混合电动汽车等场合。由于密封体系中，过充电时正极析出的O2可与负极中等电量的原子态H生成水，从而保证了体系内总物质的平衡。依据此原理，在充电后期通过小电流过充，实现了电池组中单体之间的电量均衡，加之安全性好，所以其电池管理系统（BMS）比锂离子电池简单；体系中含有较多的镍、钴化合物，回收价值高；但该电池的瓦时成本与镍、钴价格密切相关，一次性投入整体比锂离子电池的高。巴斯夫通过改进Ni(OH)2的微观结构，延长了电池的使用寿命，并保持其优异的功率特性，电池能量密度为140 W·h/kg。此外，改进后的电池，在像当前这种镍、钴价格比较低的情况下，考虑到MH-Ni电池的成组成本低于锂电池，系统每千瓦时成本不到150美元，与锂离子电池相当，认为传统的镍基电池在特殊场合有应用前景。

美国阿贡实验室结果表明，MH-Ni电池储能系统既具有超级电容的快速充放电特性，又具备镉镍、铅酸电池的大容量、高安全特性，可在-40～75℃下工作，预计可达20年服务寿命，市场推广用量明显受其系统单位瓦时的价格影响[18]；深圳南山智能电网大厦采用的微网分布式新能源储能系统，采用日本松下湘南工厂车用高能MH-Ni电池组，设计寿命8年，从2008年9月起，通过300多次的系统稳定性测试，证实其稳定可靠。本文报道了国内自主研发并投入运行的由上海市电力公司和春兰集团共同开发的100 kW/200 kW·h的氢镍电池储能系统。

1 380 V/600 A·h MH-Ni电池储能系 统的设计与性能

首先设计并制备了1.2 V/100 A·h的单体电池，各单体之间的性能具有很好的一致性，保证了低内阻以及宽温度范围使用。将单体电池组成12 V/100 A·h模块进而组成380 V/100 A·h子系统，6个子系统组成目标系统；对子系统结构进行了合理设计，使其散热性能好，可实现子系统中任何一组的均衡充电和均衡放电，可自动调节任何一组电池的并网功率。

1.1 1.2 V/100 A·h单体电池

采用阀控式结构，泄气阀值为5个大气压。

通过集流体发泡镍面密度、正极活性物质Ni(OH)2、负极储氢合金的选择及正负极连续成型技术、压实密度、极片厚度以及正负极容量比、电解液组成、用量的优化设计，依据GB/T18332.2— 2001，制备了兼顾功率、能量和成本的单体电池，如图1所示。

该电池性能一致性好，容量偏差在5%以内，电池荷电状态（SOC）为50%时开路电压偏差低于50 mV，内阻低于1.1 mΩ；0% SOC下，内阻均低于1.5 mΩ。50% SOC时可承受3 C持续充电1min，5 C持续放电1 min。80%放电深度的运行寿命超过2500次。单体电池的综合性能见表１。

1.2 12 V/100 A·h电池模块

将上述10个单体串联成12 V/100 A·h的电池模块，各单体间均放置绝缘隔栅，以提供通风散热通道，提高循环寿命与充放电能量效率，防止电池组的热失控，其结构如图2所示。

表1 单体电池的综合性能

1.3 380 V/100 A·h电池子系统

先将8个上述电池模块串联组成一个96 V/100 A·h电池层[图3(a)]，再将其安装在一个电池箱内。电池箱体采用钢板制作，表面喷漆。箱内设有强制通风冷却系统，其工作电压为24 V，在380 V系统中经由DC/DC转换而来；电池表面温度升高到设定温度如35 ℃时，自动开启风扇。该箱具有良好的防尘、防潮和防腐蚀功能。

考虑到控制器件等级，系统直流输出电压设为380 V。因此由上述4个电池层和一个电气层组成一个380 V/100 A·h电池子系统[图3(b)]。

每节单体为1.2 V，因此每个子系统包含320节电池。1个子系统与一套功率转换系统（PCS）连接，后台为公用固定配置，提高了系统的稳定性。

根据由6个子系统提供100 kW功率的设计，每个子系统以16.67 kW恒功率放电到70%DOD，放电能量为26.6 kW·h，可持续放电1.6 h。

图4是一个电池子系统在25 ℃下的充放电特性。该系统以（0.2 C）20 A充电4 h，10 A充电2 h，搁置0.5 h，再以50 A放电至电压320 V，电池组的充放电平均中值电压分别为450 V和410 V左右，平均折算成单体充放电平台电压差仅为0.13 V，所以能量效率高。

常温下，该子系统的（4 C）400 A放电时间达14.3 min，容量（终止单体电压为0.8 V）可达1 C的95%以上，如图5所示。可见，其功率特性优异。

1.4 电池热管理

环境温度较高时，电池组的散热速率降低，温度快速上升。随着温度升高，正极的析氧过电位降低，析氧量增大，充电的库仑效率降低，而氧气在负极的复合会产生大量的热，导致电池内部温度更高，从而使得析氧过电位更低，进一步加速氧的析出，这种正反馈过程，导致电池发生热失控[19]。

电池系统对充电过程设定了保护：若电池表面温度超过35 ℃，冷却风机自动开启，强制通风散热；超过45 ℃时，停止充电；电池系统环境温度控制在35 ℃以下。这些合理的电池模块结构设计，确保了系统内热量的散发与温度的平衡。由图6可见，电池的中间及正负极极耳部位温度较高，绝缘隔栅、通风散热通道及排风扇的优化设置，加快了热量的散发。

1.5 电池管理系统

BMS是根据MH-Ni电池组的特性及电力用PCS和上位机的要求开发的，它能在整个系统的运行过程中对电池组进行全方位的实时监控、管理和保护。

BMS主要由两部分组成：中央处理单元与数据采集单元。前者由主控板、控制回路及共性参数采集回路等组成；后者由若干个数据采集模板及子板构成，通过控制器局域网络（CAN）总线完成相互间的信息通讯以及与PCS的信息通讯，这种结构使内、外CAN分离，保证了BMS不对PCS的CAN系统产生影响，同时内CAN网络便于BMS的扩展，提高系统的适应能力，适合分散式系统布置。BMS保证了电池系统能够随时提供足够的能量，同时对电池运行状态进行实时监控，及时发出维护请求、禁用请求等提示信息，维持电池在10%～90% SOC范围内运行，防止过充电、过放电，提高电池系统的安全性，并可根据用户使用工况，执行恰当的管理策略，延长电池使用寿命。

开发的智能化BMS，自身低功耗、抗干扰，电压、电流、温度检测稳定可靠。

1.6 380 V/600 A·h储能系统

6个上述电池子系统可与将380 V直流转换为380 V交流的PCS无环流并联。将之与BMS构成100 kW/200 kW·h储能系统。主要包括电池堆、BMS、PCS、CAN通讯几大部分，如图7所示。根据设计要求，电池之间采用电气电路连接，而非机械结构性串并，可靠性高，寿命长。

该系统中的PCS能够实现对6组子系统中任何一组的独立均衡充电和均衡放电；可自动调节子系统中任何一组的并网功率，并可实现电流均分，对外输出380 V交流电，额定功率100 kW，可持续运行1.5 h以上。

该系统采用模块化设计，如果以此100 kW为一个可兼容单元，可以组合成1 MW、2 MW 、3 MW等更大的系统；在0.1 C（60 A）下，充电电流较小，通过电源系统的终端控制，根据输出和输入的积分电量之比自动计算生成的库仑效率可达96%；能量效率达85%以上。

电源系统按照应急启停模拟工况在400 A电流下进行连续循环运行，同时对特定的电池进行温度测试，如图8所示。运行后对电池模块的一致性进行电压检测和评估，按|模块-模块平均|/模块平均×100%计算，其最大值仅为0.22%，表明电池单体之间的一致性好，如图9所示。实际运行试验数据表明，该电源系统可以满足应用需求。

系统的综合性能如表2所示。

表2 氢镍电池储能系统的综合性能

该系统于2009年4月在上海35 kV航头变电站正式投入运行，并在2010年3月迁往漕溪站能源转换综合展示基地示范运行，以后作为在上海召开的国际电力会议的产品展示。结果证明，系统运行安全、稳定性高、综合性能良好，在-25～55 ℃下，可以应对电网中断导致的大面积停电等突发事件，还可以起到对电能“削峰填谷”的作用。

2 结 论

MH-Ni电池主要应用于对比能量要求不太高而功率特性要求较高的混合电动汽车、储能等领域。开发的100 kW/200 kW·h储能系统，采用了模块化设计，配以合适的BMS系统，电源系统按照应急启停模拟工况在400 A电流下进行连续循环运行，结果表明，系统功率特性好，可靠性高，在安全性要求高和温度低的固定储能场合，具备较好的应用前景。

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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。

国家自然科学基金项目（51277173）。

张建（1977—），男，硕士，副研究员，主要研究方向为化学电源及材料，E-mail：zjskycn@163.com；通讯联系人：娄豫皖，博士，研究员，主要研究方向为化学电源，E-mail：yuwanlou@163.com。