基于锌溴液流储能电池的车载式应急电源

秦小州，纪永新，张 丽，殷 俊，杨 波，张红瑾

（1安徽美能储能系统有限公司，安徽 芜湖 241008；2国网安徽省电力公司淮北供电公司，安徽 淮北 235000）

车载式应急电源是日常抢险救灾中常用的设备之一，需要大功率、大容量，最常见的是将柴油发电机安装于汽车上，需要时将汽车开至所需处，启动柴油发电机即可，这种方法简单、实用。但柴油发电机工作起来噪音大，一般在110 db，即使经过特别处理的“低噪音电源车”，其噪音也有 75 db[1]。对于重要会议保障、医疗保障等一些需要静音的场所，柴油发电车的噪音、废气排放等问题显然让人头疼。近年来，随着大容量储能技术不断出现，如锂电池、全钒电池、锌溴电池等化学电源具 有静音、零排放等特点，是应急供电的新方向[2]，锂电池已建成有500 kW·h以上移动电源，是集装箱式结构[3]，作为货物搭载于大型拖车上，到达目的地后需要卸下来固定运行，虽可以移动，但不是真正意义上的车载式应急电源。全钒电池具有容量大且可扩充之特点，受到人们的关注，本项目的可研计划就是基于钒电池系统，但因其体积大、管路复杂而被放弃。锌溴液流储能电池与钒电池一样，也是液流电池的一种，具有容量大、能量密度高、100%深度充电[4]、无污染、低噪音等特点，与全钒电池相比又有体积小、结构简单的优点，若将锌溴储能系统安装在汽车上，平时充好电备用，需要时移动至应急场所逆变放电，在同等体积下其功率虽不如柴油发电机大，但其静音、环保的特点有可观的价值，可作为移动应急电源的一种补充。本文以淮北电力“绿色环保移动保电项目”（以下简称保电项目）为依托，总结了基于锌溴液流储能电池形成的一种新型车载式应急电源过程中的要点。

1 电气系统

1.1 储能构成

保电项目采用两台美能公司的锌溴储能模块（module）组成一个100 kW·h系统（system）。产品源于美能ZBB公司产品，其标准模块是50 kW·h，由8个电堆（stack）串并联而成，而每一个电堆又是由60片单电池（cell）串联而成。

每一片电池的开路电压是1.85 V[5]，组成电堆后的电压为100 V，两个电堆串联后电压为200 V，经DC-DC变换后升至DC400 V，标准储能模块组成如图1所示。

图1 标准储能模块（module）组成图 Fig.1 Energy storage module composition diagram

1.2 运行模式

两台标准模块并联再经 PCS逆变输出为交流380 V，构成保电系统，系统额定放电功率为50 kW，满功率可持续放电2 h。在此系统中重点考虑了单相负荷的不平衡供电问题，在PCS的软件控制策略上取消不平衡保护限制，仅设过流保护，最大程度上满足单相负荷的供电需要。电气系统如图2所示，图中绿色虚线为通讯控制信号，红色粗实线为直流母线。

图2 电气系统图 Fig.2 Electrical system diagram

保电项目有并网保电和离网应急供电两种运行模式。并网保电运行模式是指对重要活动，不允许间断供电的应用，将储能与市电提前并接好，接至联络开关Q1的下方（图2），使储能系统处于热待机状态（浮充），当电网突然断电时电能不间断地由储能系统继续供电。相当于不间断UPS的应用，这个切换时间是逆变器由浮充转为放电时的切换时间，为56 ms。图3为由浮充转为额定功率放电时的电流波形，图中横坐标是时间轴（ms），t1是由充电转放电的切换时刻（-3.95 ms），t2是切换过零点时刻（30.05 ms），t3是达满功率时刻（61 ms），纵坐标是电流值（A）。离网应急供电模式是指现场无任何电源，充好电备用，需要时将应急供电对象接入储能系统（可接Q0开关的上方），将储能系统视为电源，由储能系统直接“黑启动”逆变供电。液流电池的特点是在运行前必须要用泵把电解液泵至电堆，在电堆中进行充放电过程，所以必须有能量先供给电解液泵，电解液泵工作一段时间后才能进行充放电，所以液流电池自身不具备“黑启动”功能，“保电系统”配置了一台通用小功率 UPS，通过一台升压变器升到300 V，再经整流至400 V，作为电解液泵启动电源，液流电池运行后通过接触器把UPS断开。

图3 额定功率充电转放电转换电流波形图 Fig.3 Rated power transfer charge and discharge current waveform conversion

2 车辆系统

2.1 车辆选型

作为应急电源，车载系统是主要环节之一，对汽车的选择必须考虑载重、限高、车辆上牌、年检等因素。①载重及限高：保电系统设备总重量约5 t，其中储能系统 2×1.7 t，逆变器 0.8 t，配电柜 0.5 t，其它附属设备（线缆盘等）0.2 t，外加箱重量约3 t，需载重超过 8 t的车底盘。②超高：原设计的储能装置的高度为2.4 m，再加车底盘高度、车厢高度，总高度超过 4 m，已接近道路桥梁限高最大值 4.2 m。③车辆上牌：根据我国现行车辆管理法规，凡是在道路上行驶的机动车必须取得当地车管部门核发的机动车号牌，而能取得号牌的必要条件是其车辆必须是经国家发展改革委员会（以下简称发改委）汽车公告发布的合法车辆（含改装车、特种车）。④尾气排放：在2013年后国家加强了汽车尾气的整治力度，要求机动车尾气排放达到国四标准并在国家环保局备案。这意味着车辆的选型不仅要具有国家发改委的汽车公告号，而且还要被列入国家环保局公布的环保达标汽车目录。⑤车辆年检：每年要对车辆进行一次强制检验，其中一项内容是“检验车辆是否经过改装、改型、改造”，这意味着不能用投机取巧的办法取得号牌。因此，必须在选型时重点考察所选车辆，必须选择具有改装资质厂商改装的车辆。

基于上述约束，不仅从技术上要考虑安全性因素，而且要遵守国家车辆管理法规。从国家发改委汽车公告目录中选择了一款总重量为12 t的电源车作为移动平台，外形如图4所示。因汽车公告目录中所有的电源车的高度均在3.8 m以下，为此特别为本项目制作了高度为2.1 m的储能装置，以适应公告车高度限制的要求。

图4 车辆外形照片 Fig.4 Vehicle outline photos

2.2 减震措施

因锌溴电池是一种液流电池，其储能介质溴化锌电解液是液态，若在汽车移动过程中对管路造成冲击有可能导致电解液外泄。因本项目成功的关键在于减震防漏，原曾设想采用“空气气囊悬挂”作为汽车悬梁，但该类改装车在国外常见而在国内属于非法改装车而放弃。为此在选用公告车的基础上还采取了两类措施：①车辆减震。在车辆底盘与车厢之间增加一层减震橡胶，在储能设备与车箱之间又增加了一层PUR黏弹性减震垫，该减震垫具有较高的压缩冲量，不同压力下的压缩冲量如图5所示。②设备防震。将设备原有的硬管连接变更为软管硬管相结合的连接方式；在泵支撑件间增加了橡胶垫以缓冲冲击力；在储液罐之间增加阀门阻隔以消除汽车晃动时造成带电电解液与未带电电解液之间的串通。

图5 减震垫压缩冲量图 Fig.5 Diagram for shock absorption and vibration dampening

3 应用效果及存在的问题

3.1 应用效果

在工厂及现场进行了模拟抢险测试，在工厂充电至 100%，然后开车在市区道路及高速公路上行驶100 km，返回工厂后，模拟并网保电和离网应急供电两种运行模式下的工作情况。

并网保电运行模式时，人为断开市电开关，储能对工厂照明、办公室空调、电脑等约30 kW负荷继续供电，经过2 h，SOC降至40%，供电连续。

离网应急供电试验在淮北市进行，将充好电的设备开至市区某一饭店，改由应急车供电，均为单相负荷，负荷类型有照明、空调、电视、冰柜等，负荷随时变化，最大功率为16 kW，最小功率为3 kW。运行从17时持续到22时，供电连续，供电45 kW·h，SOC仍有50%以上。图6是放电功率变化曲线。

图6 离网单相放电功率曲线 Fig.6 Off-grid single phase power discharge curve

经1000 km行驶和充放电实验，证实车载式应急电源与固定式储能放电效果相同，并未发现漏液现象。现已通过了国网安徽省电力公司组织的验收及鉴定，已正式交付使用。

3.2 存在的问题

项目虽然通过了验收，但仍存在以下不足。

3.2.1 体积笨重

本项目的难点不是储能系统技术本身，而是机动车辆的选型，如何满足国家对机动车管理的规范，合法上牌，保证改装后的车辆安全性不变，因此选择车型是个关键，在市场上没有载重、高度、长度都很合适的车型，只能靠标准车型。

本项目应用仍基于储能系统与车载系统的标准（储能系统是标准的、汽车是标准的）的组合，虽然体积不大但重量大，而能满足载重的车辆的长度必然较长（长达12 m），使此车型内有1/3的空间闲置浪费，未将锌溴电池能量密度高的特色显现出来，给人以笨重的感觉。

3.2.2 启动时间加长

为了解决车载移动的问题，需要将电堆里残留的电解液回收到储液罐内，而放电时电堆里没有电解液，需要将电解液缓慢泵至电堆，时间约需 15 min。因电池间隙很小，且在放空电解液后电池内被空气所填充，在电解液回泵过程中，泵速不能太快以免造成气阻。这是目前发现的与固定式安装相比唯一的缺点。

4 结 论

应急抢险是储能电源的重要应用领域之一，现虽有多种储能技术[6]，但已应用于车载应急系统的只有铅酸蓄电池和锂电池两种固体电池。铅酸蓄电池是传统储能产品，虽有能量密度低、不能深度充放电、充放电寿命短等缺点，但因其产品成熟、性能稳定、免维护等优点率先在车载式移动储能领域得到应用，国内已有 500kVAUPS电源车产品；锂电池兼有高比能量和高比功率、自放电系数小等优点，但存在在过充、短路、冲压、穿刺、振动、高温热冲击等滥用条件下，极易发生爆炸或燃烧等不安全行为，大容量的锂电池是由许多只电池串并联而组成的，充放电的不一致性尤为突出，国内虽已建成有500 kW·h的移动电站，但安全性让人担忧。

液流电池具有深度充放电、安全环保的性能，但其要应用于车载移动电源，必须解决防震和漏液问题。本项目成功开发基于锌溴液流电池的车载式应急电源，开拓了液流储能电池应用范围，成为世界上首例将液流储能技术作为应急电源的应用案例。该产品与传统柴油发电车相比，虽然功率较小，但是其静音、洁净和零污染的特性有着可观的市场和应用价值；与铅酸蓄电池相比具有可深度充放电、寿命长的优势；与锂电池相比具有安全性的优势，可作为应急电源车市场的一种补充。

为解决体积笨重的问题，在未来可尝试走专业化制造之路，即只需外购汽车底盘，撤消储能柜体，有效利用车辆空间，将车厢完全作为储能部件的安装载体，设计出容量更大、更合理的专用电源车，专为此车申请“公告”，成为真正的专用特种车辆。

[1] Chen Weiming（陈伟明），Xu Yunde（徐云德），Zhuang Yanping（庄衍平）.The development and application of low noise emergency power vehicular[J].Supply Power（供用电），2008，25（1）：32-34.

[2] Sang Bingyu，Tao Yibin.Moveable battery energy storage power system applications model study[J].Petrochemical Electrical，2013，32（19）：58.

[3] Zhang Zifeng（张子峰），Wang Lin（王林），Chen Donghong（陈东红），et al.Cooling and aseismicity study of the containerized energy storage systems[J].Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术），2013，2（6）：642-648.

[4] Zhou Debi（周德璧 ），Yu Zhongyi（于中一）.Reseach on zine-bromine flow battery technology[J].Battery（电池），2004，34（6）：442-444.

[5] Meng Lin（孟琳）.Recent progress in zinc-bromine flow battery energy storage technologies[J].Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术），2013，2（1）：35-41.

[6] Luo Ni（骆妮），Li Jianlin（李建林）.Research progress of energy storage technology in power system[J].Power System and Clean Energy（电网与清洁能源），2012，28（2）：71-79.