吴 田，沈建明，赵 宇，沈红昌，钱清宇，马福元

(1.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121； 2.浙江省太阳能利用及节能技术重点实验室，浙江 杭州 311121；3.浙江浙能电力股份有限公司萧山发电厂，浙江 杭州 311251)

与铅酸电池相比，镍锌电池的容量和比能量相对较高，但无记忆效应较好，能够满足大电流功率的需求，充电、放电较快，环保性能较好。因此，在储能系统中具有较好的应用前景，能够逐步代替铅酸电池，并能够适用于各种场所。电力中断会使数据中心的运营陷入瘫痪，这会导致数据丢失、文件损坏和设备损坏。因此，数据中心需要一个后备电源系统，以确保关键系统保持在线运营。

在国外技术研究中，文献[1]在热管热管理系统(HPTMS)中应用了该锂电池，并构建数值模型，通过研究HPTMS在稳态和瞬态条件下的热性，能够了解锂电池的电池特性，该技术虽然在短时间内实现了快速充电的电池热管理，但是由于低的比热容的局限性，无法实现充电期间的热量管理。文献[2-4]为国内的代表性技术，镍锌电池作为后备电源，虽然能够及时补充该电源的应用，然而传统后备电源中的储能电池以工艺成熟的铅酸电池为主，其可浮充的特点大大降低了充电管理成本。由于铅酸电池具有高倍率性能差、能量密度低以及环境污染等问题，随着国家政策的推进，铅酸电池逐渐退出历史舞台。镍锌电池不仅弥补了铅酸电池的缺陷，同时也具有可浮充特性，在后备电源领域中是铅酸电池良好的替代品[2-3]。2020年以来，国家不断出台政策鼓励推动电储能建设，以促进清洁能源高质量发展，镍锌电池如何在储能系统中应用已经成为当前亟待研究的技术问题。下文对电化学储能技术进行讨论。

1 镍锌电池类型及其优缺分析

电化学储能的基本原理是借助于电化学反应实现电能与化学能之间的能量转换，继而实现电能的应用[4]。镍锌电池和铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂电池、水系金属离子电池、超级电容及混合电容等都是能源的一种形式，如何区分该能源与其他能源之间的差距，需要进行对比分析。在应用镍锌电池时，需要对不同电池的特性进行分析，才能因地制宜地合理利用。研究针对代表性电池类型的特性进行分析和研究，以满足不同情况下的应用。

1.1 铅酸电池

铅酸电池在早期颇受储能市场欢迎，其工艺成熟、价格低廉、安全可靠，在储能系统中的应用以免维护的阀控铅酸蓄电池为主。铅酸电池结构示意如图1所示。铅酸电池具有循环使用功能，尤其是在高倍率部分荷电状态(HRPSOC)下，该功能效果发挥得最好，这使得应用过程中能够源源不断地为用户提供可持续能源。其具有的缺点是：该电池的负极在持续应用过程中容易造成不可逆硫酸盐化[5]，这使得铅酸电池的应用寿命较短，在重要场合需要使用多个电池备用，以备不时之需。在应用过程中，铅酸电池还容易发生氧化还原反应，其反应的产物很容易污染环境，回收成本较高。

图1 铅酸电池结构示意

1.2 液流电池

液流电池是另一种形式的镍锌电池，其内部结构主要是全钒液流电池。该电池的优点是具有较高的能力效率，储能也高。该电池放电性能较好，在某些时候能够实现100%的深度放电，该电池也能够实现快速充电、放电。与铅酸电池不同，该电池寿命比较长，因此，用户在使用过程中，能够与铅酸电池相得益彰。全钒液流电池在结构上包括电堆和2个电解液储罐[6]，其结构如图2所示。

图2 全钒液流电池结构

与其他储能电池相比，全钒液流电池还具有的优点为，该电池可以分别独立设计、具有的能量效率比较高。该电池无自放电，在应用过程中具有较好的安全性，维护起来也方便。但是该电池体积较大，携带不方便，在较大的储能环境下不容易使用。

1.3 钠硫电池

钠硫电池作为另一种形式的电池，在结构上，其正、负极分别应用熔融盐钠和熔融硫充当，以构成充电、放电的闭合回路，其中充电和放电的固体电解质应用β-氧化铝。钠硫电池结构如图3所示。

图3 钠硫电池结构

钠硫电池在应用过程中，为了保持熔盐处于熔融状态，加快反应速度，熔盐电池的工作温度相对较高(>300 ℃)。钠硫电池的优点是能量密度高、成本低、循环寿命长。其缺点是为了保持电池的运行温度，需要消耗电池的部分能量[7]。当钠硫电池在运行过程中，由于正负极的材料熔融盐钠和熔融硫为熔融态，当β-Al2O3固体电解质出现故障或者意外时，容易出现事故，充放电工作可能会终止。这将大大衰减电池的充、放电特性，在具体应用过程中，需要考虑该方面的特性。

1.4 锂离子电池

锂离子电池在应用过程中，其储能材料大部分是磷酸铁锂电池(LiFePO4)，在硬件结构上，主要包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液等，其结构如图4所示。

图4 磷酸铁锂电池内部结构

磷酸铁锂电池的优点是具有较高的电压平台，自我充电和放电的效率不高，但循环寿命比较长，并且具有较好的耐高温特性等。磷酸铁锂电池的梯次利用在储能领域具有较大的前景。电池梯次利用指的是将容量不足80%的电池重新改造以再次应用于储能领域[8]。磷酸铁锂电池在国内电动汽车行业占据较大的份额，通过梯次利用完成整个电池的生命周期，能够合理并有效地避免资源浪费。

1.5 超级电容及混合电容

超级电容器(Supercapacitors)具有高倍率、长循环寿命、高安全性等特点，其能量密度与功率密度填补了电池和平板电容器之间的空白[9]。超级电容器是新能源环境下的新型储存装置，在结构上有包括正极、负极、电解液、隔膜等。超级电容器结构如图5所示。

图5 超级电容器结构示意

该电池的优点是：寿命较长，使用、维护方便，低温性能较好，容易得到普遍应用。该电池的缺点是：发展较慢，成本相对其他电池较高[10]。该技术目前仍旧不是十分成熟，在应用过程中仍旧会出现很多瓶颈。

2 镍锌电池储能技术特性分析

基于上述分析，下面对镍锌电池储能技术进行分析，以更好地利用该电池[11-12]。

2.1 容量特性

研究通过对比的方式，分析2种镍锌电池的容量，分别以某1 200 mAh镍锌电池容量和某1 500 mAh镍锌电池容量进行分析。2种不同的镍锌电池容量曲线如图6所示。

图6 2种镍锌电池的容量特性

假设在放电倍率为0.1 C～10 C范围内试验(倍率性能一般用C来衡量，若电池的容量为1 000 mAh，1 C 就是用1 000 mA 的电流给它放电、1 h放完)，首先以容量标称值为1 200 mAh的电池进行放电，试验表明电池在10 C高倍率条件下剩余容量为1 020 mAh左右。然后试验容量增大到1 500 mAh的情况下，将放电倍率提高到50 C时，观察电池容量放电情况，可以看到电池仍具有1 142 mAh(76%)的容量，容量波动也基本保持在15%内。传统铅酸电池的放电倍率一般在1C以下，而试验测试的镍锌电池倍率性能更加优异，放电倍率可以做到50 C，因此镍锌电池更加适用于电网的调峰调频场景[13]。

2.2 内阻特性

在进行内阻特性分析时，应当从电池的总内阻上进行分析，在结构上分别为欧姆内阻、活化极化内阻和浓差极化内阻[14]。阻值与温度之间的关系曲线如图7所示。

图7 不同温度下电池欧姆内阻

根据图7可知，电池阻值大小与温度高低呈反比关系。在20 ℃与50 ℃的环境温度下，该电池欧姆内阻在放电过程中变化幅度不大；而在-20 ℃与0 ℃的环境温度下，该电池欧姆电阻在SOC较低处有显著的增幅[15]。

2.3 温度特性

2节镍锌电池在不同温度下以1 C电流进行充放电，充放电曲线如图8所示。结合充放电曲线，探讨电池充放电情况与温度之间的影响。

图8 不同温度下充放电曲线

通过图8可以看出，温度与电池的放电性能的影响呈反比关系。温度越高，对电池的放电性能影响越大，对电池的电化学反应速度也影响越大，对于电池的功率和能量的输出影响也越大。

在不同温度下，电池容量变化如图9所示。不同类型的电池的充电快慢与温度呈正比，温度越高，充电越快，容量也越大。其中在-20 ℃下，充电容量不高，随着温度的升高，容量越来越大，但是在25 ℃以下时，充电的容量仅仅为整个充电容量的1/4。说明在低于25 ℃时，电化学反应不好；在高于25 ℃时，电化学反应越来越好。因此在实际应用中，应通过热管理控制电池在最佳充放电温度区间内，最大限度地利用电池性能[16]。

图9 不同温度下容量特性

2.4 开路电压

在研究电池的特性时，电池的开路电压也是非常重要的特性，该特性通过稳定值来衡量。该值反映电池断电后的电压能够达到的稳定情况，充放电过程OCV-SOC曲线如图10所示。

图10 充放电过程OCV-SOC曲线

通过图10可以看出，当充放电过程SOC为20%～80%时，充放电电压与寿命之间的影响关系不大；当充放电过程SOC为0～20%以及80%～100%时，OCV与SOC具有显著的关系[17]。在开路电压不同的情况下，放电特性均不同。这种关系能够帮助用户衡量开路电压与电池寿命之间的关系。

2.5 充电效率及能量效率

下面再对充电效率及能量效率之间的关系进行分析。以0～0.7 C的容量为范围，分别观察充电效率。假设采用1号电池，在4 h进行充电、放电试验，观察在不同的容量范围内的效率，如图11所示。

在充电试验时，假设以完全放电的1号电池为例，发现在0～0.2 C容量下，充电效率猛然增多，随后逐步降低；在0.3 C～0.7 C时，充电容量逐步上升，整体充电效率为上升趋势。能量效率曲线如图11(b)所示。

图11 放电倍率下的充电效率及能量效率

能量效率也是随着放电倍率的增加而增加，在0～0.2 C容量下，放电猛然增加，这与电池起初的放电不稳定有关。随着时间的延长以及放电倍率的增加，能量效率逐步提高，电池充电效率在0～1 C区间均在95%以上[18]。说明镍锌电池储能效率比较高。

3 镍锌电池SOC估算

容量修正算法是电池放电过程中，通过温度、放电倍率、放电循环次数来修正容量的算法，其在电池恒流放电工况中有良好的实际应用。

通过电池的放电曲线来反映锂电池的容量特征曲线。在 25 ℃下，通过图12(a)可以看出，该电池的恒流放电情况与该锂电池的容量放电时间呈反比[19]。通过图12(b)可以看出，锂电池的容量与温度高低呈反比，温度越低，阻抗变化小，其容量也越小。

图12 某锂电池容量特征曲线

通过上述特性分析，在应用过程中，遇到这种情况时，需要通过建模的方式，实现对镍锌电池SOC的估算。下面引用了修正公式：

(1)

(2)

式(1)是电池经过n次充放电循环后，在环境温度T下以D放电倍率的电流I进行恒流放电的容量修正值ΔCT，D，n的计算公式。其中，kT是温度补偿系数，Toff是温度阈值；kD为放电倍率系数；d为容量变化系数，假设在理想状态下，比如电池充放点循环次数对寿命影响为0时，则可以令d为0。式(2)为在进行容量修正之后，对安时进行求解的积分法算法，通过式(1)和式(2)能够提高容量补偿，进而实现了计算修正。对图11中的电池放电数据进行容量修正模型建模，其模型修正效果如图13所示。结果表明，容量修正算法模型简单，便于工程应用，可以描述描述镍锌电池在不同温度和电流下放电的容量变化[20]。

图13 容量修正模型容量修正效果

将该研究的模型修正效果与未应用该模型以及常规的基于卡尔曼滤波修正算法进行对比，试验以1 200 mAh的电池为例，假设在4 h内进行充电和放电，并分别利用上述3种不同的方法，分别观察修正前的电池容量和充电后的电池容量以及应用3种方法前后电池容量情况(表1)。

表1 准确率对比

通过充放电试验可以看到，研究的方法能够提高在电池充电或者放电过程中的电池修正效率，以进一步优化电池性能。

4 结语

为了给镍锌电池在储能系统中的应用提供保障，本文针对估算镍锌电池SOC的安时积分法，提出了一种容量修正模型，减小因为温度、电流变化而产生的累计误差。在电池梯次利用政策的鼓励下，由于成本低、环保能力好、适用范围广，将越来越被广泛使用，研究为镍锌电池下一步的分析和应用奠定了理论基础。