秦小州，紀永新，張 麗，殷 俊，楊 波，張紅瑾

（1安徽美能儲能系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241008；2國網(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)電機安裝于汽車上，需要時將汽車開至所需處，啟動柴油發(fā)電機即可，這種方法簡單、實用。但柴油發(fā)電機工作起來噪音大，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]。對于重要會議保障、醫(yī)療保障等一些需要靜音的場所，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，隨著大容量儲能技術(shù)不斷出現(xiàn)，如鋰電池、全釩電池、鋅溴電池等化學電源具 有靜音、零排放等特點，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，到達目的地后需要卸下來固定運行，雖可以移動，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充之特點，受到人們的關(guān)注，本項目的可研計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，與全釩電池相比又有體積小、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，若將鋅溴儲能系統(tǒng)安裝在汽車上，平時充好電備用，需要時移動至應(yīng)急場所逆變放電，在同等體積下其功率雖不如柴油發(fā)電機大，但其靜音、環(huán)保的特點有可觀的價值，可作為移動應(yīng)急電源的一種補充。本文以淮北電力“綠色環(huán)保移動保電項目”（以下簡稱保電項目）為依托，總結(jié)了基于鋅溴液流儲能電池形成的一種新型車載式應(yīng)急電源過程中的要點。

1 電氣系統(tǒng)

1.1 儲能構(gòu)成

保電項目采用兩臺美能公司的鋅溴儲能模塊（module）組成一個100 kW·h系統(tǒng)（system）。產(chǎn)品源于美能ZBB公司產(chǎn)品，其標準模塊是50 kW·h，由8個電堆（stack）串并聯(lián)而成，而每一個電堆又是由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，兩個電堆串聯(lián)后電壓為200 V，經(jīng)DC-DC變換后升至DC400 V，標準儲能模塊組成如圖1所示。

圖1 標準儲能模塊（module）組成圖 Fig.1 Energy storage module composition diagram

1.2 運行模式

兩臺標準模塊并聯(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)中重點考慮了單相負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限制，僅設(shè)過流保護，最大程度上滿足單相負荷的供電需要。電氣系統(tǒng)如圖2所示，圖中綠色虛線為通訊控制信號，紅色粗實線為直流母線。

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

保電項目有并網(wǎng)保電和離網(wǎng)應(yīng)急供電兩種運行模式。并網(wǎng)保電運行模式是指對重要活動，不允許間斷供電的應(yīng)用，將儲能與市電提前并接好，接至聯(lián)絡(luò)開關(guān)Q1的下方（圖2），使儲能系統(tǒng)處于熱待機狀態(tài)（浮充），當電網(wǎng)突然斷電時電能不間斷地由儲能系統(tǒng)繼續(xù)供電。相當于不間斷UPS的應(yīng)用，這個切換時間是逆變器由浮充轉(zhuǎn)為放電時的切換時間，為56 ms。圖3為由浮充轉(zhuǎn)為額定功率放電時的電流波形，圖中橫坐標是時間軸（ms），t1是由充電轉(zhuǎn)放電的切換時刻（-3.95 ms），t2是切換過零點時刻（30.05 ms），t3是達滿功率時刻（61 ms），縱坐標是電流值（A）。離網(wǎng)應(yīng)急供電模式是指現(xiàn)場無任何電源，充好電備用，需要時將應(yīng)急供電對象接入儲能系統(tǒng)（可接Q0開關(guān)的上方），將儲能系統(tǒng)視為電源，由儲能系統(tǒng)直接“黑啟動”逆變供電。液流電池的特點是在運行前必須要用泵把電解液泵至電堆，在電堆中進行充放電過程，所以必須有能量先供給電解液泵，電解液泵工作一段時間后才能進行充放電，所以液流電池自身不具備“黑啟動”功能，“保電系統(tǒng)”配置了一臺通用小功率 UPS，通過一臺升壓變器升到300 V，再經(jīng)整流至400 V，作為電解液泵啟動電源，液流電池運行后通過接觸器把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)計的儲能裝置的高度為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)我國現(xiàn)行車輛管理法規(guī)，凡是在道路上行駛的機動車必須取得當?shù)剀嚬懿块T核發(fā)的機動車號牌，而能取得號牌的必要條件是其車輛必須是經(jīng)國家發(fā)展改革委員會（以下簡稱發(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年后國家加強了汽車尾氣的整治力度，要求機動車尾氣排放達到國四標準并在國家環(huán)保局備案。這意味著車輛的選型不僅要具有國家發(fā)改委的汽車公告號，而且還要被列入國家環(huán)保局公布的環(huán)保達標汽車目錄。⑤車輛年檢：每年要對車輛進行一次強制檢驗，其中一項內(nèi)容是“檢驗車輛是否經(jīng)過改裝、改型、改造”，這意味著不能用投機取巧的辦法取得號牌。因此，必須在選型時重點考察所選車輛，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，而且要遵守國家車輛管理法規(guī)。從國家發(fā)改委汽車公告目錄中選擇了一款總重量為12 t的電源車作為移動平臺，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，為此特別為本項目制作了高度為2.1 m的儲能裝置，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，其儲能介質(zhì)溴化鋅電解液是液態(tài)，若在汽車移動過程中對管路造成沖擊有可能導致電解液外泄。因本項目成功的關(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，但該類改裝車在國外常見而在國內(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；在儲液罐之間增加閥門阻隔以消除汽車晃動時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)場進行了模擬搶險測試，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)急供電兩種運行模式下的工作情況。

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

離網(wǎng)應(yīng)急供電試驗在淮北市進行，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，均為單相負荷，負荷類型有照明、空調(diào)、電視、冰柜等，負荷隨時變化，最大功率為16 kW，最小功率為3 kW。運行從17時持續(xù)到22時，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行駛和充放電實驗，證實車載式應(yīng)急電源與固定式儲能放電效果相同，并未發(fā)現(xiàn)漏液現(xiàn)象。現(xiàn)已通過了國網(wǎng)安徽省電力公司組織的驗收及鑒定，已正式交付使用。

3.2 存在的問題

項目雖然通過了驗收，但仍存在以下不足。

3.2.1 體積笨重

本項目的難點不是儲能系統(tǒng)技術(shù)本身，而是機動車輛的選型，如何滿足國家對機動車管理的規(guī)范，合法上牌，保證改裝后的車輛安全性不變，因此選擇車型是個關(guān)鍵，在市場上沒有載重、高度、長度都很合適的車型，只能靠標準車型。

本項目應(yīng)用仍基于儲能系統(tǒng)與車載系統(tǒng)的標準（儲能系統(tǒng)是標準的、汽車是標準的）的組合，雖然體積不大但重量大，而能滿足載重的車輛的長度必然較長（長達12 m），使此車型內(nèi)有1/3的空間閑置浪費，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 啟動時間加長

為了解決車載移動的問題，需要將電堆里殘留的電解液回收到儲液罐內(nèi)，而放電時電堆里沒有電解液，需要將電解液緩慢泵至電堆，時間約需 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。

4 結(jié) 論

應(yīng)急搶險是儲能電源的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，現(xiàn)雖有多種儲能技術(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，但因其產(chǎn)品成熟、性能穩(wěn)定、免維護等優(yōu)點率先在車載式移動儲能領(lǐng)域得到應(yīng)用，國內(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，但存在在過充、短路、沖壓、穿刺、振動、高溫熱沖擊等濫用條件下，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，國內(nèi)雖已建成有500 kW·h的移動電站，但安全性讓人擔憂。

液流電池具有深度充放電、安全環(huán)保的性能，但其要應(yīng)用于車載移動電源，必須解決防震和漏液問題。本項目成功開發(fā)基于鋅溴液流電池的車載式應(yīng)急電源，開拓了液流儲能電池應(yīng)用范圍，成為世界上首例將液流儲能技術(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和應(yīng)用價值；與鉛酸蓄電池相比具有可深度充放電、壽命長的優(yōu)勢；與鋰電池相比具有安全性的優(yōu)勢，可作為應(yīng)急電源車市場的一種補充。

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，即只需外購汽車底盤，撤消儲能柜體，有效利用車輛空間，將車廂完全作為儲能部件的安裝載體，設(shè)計出容量更大、更合理的專用電源車，專為此車申請“公告”，成為真正的專用特種車輛。

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

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[3] Zhang Zifeng（張子峰），Wang Lin（王林），Chen Donghong（陳東紅），et al.Cooling and aseismicity study of the containerized energy storage systems[J].Energy Storage Science and Technology（儲能科學與技術(shù)），2013，2（6）：642-648.

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