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本文原载于国家核心期刊《中国电梯》杂志（ISSN 1001-7151，2025年第3期），经中国电梯协会学术委员会授权转载。作为电梯储能系统解决方案提供商，广东广特新能源有

限公司认为该研究对促进行业绿色发展具有重要参考价值。

建筑物的能耗是社会能源消费大户，而电梯消耗的电能又占到建筑物耗电量的17%以上^[1]。据报道，美国在用电梯平均每台日耗电量大约为11.1kW.h；而根据北京、上海、广东、浙江等地的一些统计，我国每台在用电梯平均日耗电量为30～40kW.h，是美国的3～4倍^[2]。截至2023年底，全国在用电梯数量达1062.98万台。由于我国在用电梯数量大和每台电梯日耗电量高，在用电梯总耗电量远远高于其他国家。

在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》要求降低单位国内生产总值能源消耗13.5%和CO₂排放18%的背景下，如果将电梯往复运动中的再生电能利用起来，可大大减少能源消耗和碳排放，创造经济效益和社会效益。因此，笔者研发了一种基于水系高功率镍氢电池的电梯储能式节能装置，为电梯再生电能利用带来契机。

1 电梯电能再生的原理与传统的再生电能利用方式

1.1 电梯再生电能的原理

目前新装电梯大部分采用基于变频器的调频调压驱动方式，电梯通过曳引电动机带动曳引轮两侧的轿厢和对重，实现乘客或货物的运输。当电梯启动达到额定运行速度时，产生的机械动能是最大的；当电梯接近目的楼层时要逐步减速，此时需释放电梯的机械动能，即将机械能转化成电能。在没有再生电能回收的电梯中，这部分能量会被回传到变频器的直流母线大电容中，并迫使电容电压抬升。为防止出现过电压造成电气故障，通常需要安装外置的制动电阻将电容无法完全吸收的再生电能以发热的方式消耗掉。

在这个过程中，电梯重载下行和轻载上行属于负负载转矩工况，曳引机工作于馈电状态，类似发电机产生电能，即电能再生；重载上行和轻载下行属于正负载转矩工况，曳引机工作于电动状态，需要消耗电能。因此，电梯节能的要点就是在负负载转矩工况中收集电能，在下一次正负载转矩中提供电能，以达到减少从电网中拉取电能的目的，实现节能。根据GB/T 30559.2—2017《电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能 第2部分：电梯的能量计算与分级》进行估算，这种电梯节能方式节能率可超过30%。 

1.2 传统的再生电能利用方式 

传统的电梯再生电能利用方式有电网馈电和储能，前者将电梯再生电能直接回馈到电网中去^[3]；后者将电梯再生电能储存起来并在下一个运行周期中释放出去，从而减少对电网电能的拉取。从可节省能源总量的角度来看，两者是一样的。但相比之下，储能方式的优势是：1)再生电能可本地化自存自用，能够避免频繁地向电网回馈电能造成谐波污染；2)再生电能可作为电梯停电应急供电的后备电源，实现电梯停电时的自动救援功能。

对于储能方式，文献[4-6]提出了采用超级电容作为实现再生电能的储能介质，仿真结果表明超级电容具有较好的稳压性能和响应性能。但是其模组价格较高，导致应用成本较大，经济性较差。文献[7]提出将锂电池储能装置直接并联在电梯直流母线上，通过电压比较实现能量转换。但是由于需要对应较大的电压波动范围，导致锂电池储能装置电池用量过多，而锂电池成本较高且充放电效率不佳。由此可见，二者均有经济上的明显劣势，这也是二者一直未得到市场推广普及的主要原因之一。

2 水系高功率镍氢电池的化学反应过程及过充电、过放电的化学安全性

2.1 水系高功率镍氢电池的化学反应过程

水系高功率镍氢电池的正极是球镍，负极是合金粉，介质为水系碱性电解液。水系高功率镍氢电池的化学反应过程如图1所示。

涉及的化学反应式如下：

在式(1)～式(3)中：Ni(OH)₂为氢氧化镍，OH^-为氢氧根，NiOOH为氢氧化氧镍，H₂O为水，e^-为电子，M为储氢合金，MH为金属氢化物。

2.2 水系高功率镍氢电池过充电、过放电的化学安全性

当发生过充电时，由于正极上的Ni(OH)₂已经全部变成了NiOOH，继续充电就会发生电解水的反应，此时OH^-会失去e^-产生O₂〔见式(4)〕。充电末期正极析出的O₂扩散到负极，在负极M的催化作用下重新生成OH^-〔见式(5)〕，避免了H₂的产生，从而在根源上避免电池因气体膨胀发生自爆。

由式(4)～式(5)可见，在发生过充电时，正负极总反应生成物为0，因此过充电时，OH^-浓度和H₂O的总量不会发生变化。

当发生过放电时，由于正极上的NiOOH全部变成了Ni(OH)₂，继续放电时H₂O便在正极上还原生成H₂，而在负极上会发生H₂的电化学氧化又生成H₂O。过放电时正极中的NiOOH导电网络放电被破坏，使电池内阻略有升高，影响到电池的功率性能。继续放电，当电压放电至-0.6～-0.3V时，正极析出H₂〔见式(6)〕，但析出的H₂会被负极吸收，不会有气体逸出〔见式(7)〕。所以，即使电池电压过放电到-1V左右，电池也不会出现大的损坏，仍可继续用于充放电。

通过以上分析可见，水系高功率镍氢电池在过充电、过放电时生成物为0，且电解液为不可自燃的水，不存在自燃和自爆风险，具备本质安全性。

3 水系高功率镍氢电池在电梯再生电能利用中的应用方案

3.1 总体方案

图2所示是水系高功率镍氢电池在电梯再生电能利用中的应用总体方案，由双向直流(DC/DC)电源变换器和水系高功率镍氢电池组组成的储能式节能装置直接挂接在电梯变频器直流母线上。

当电梯工作于负负载转矩工况时，储能式节能装置负责回收来自曳引电动机的再生电能，存储于水系高功率镍氢电池中；当电梯工作于正负载转矩工况时，储能式节能装置负责将水系高功率镍氢电池中的电能转换到直流母线上的电压，优先提供给曳引电动机使用。该方案不会对电梯原参数和运行特性产生干涉，适用于在用电梯增配的应用场景。

3.2 水系高功率镍氢电池的充放电控制

DC/DC电源变换器的主要功能是控制直流母线电压，从而实现电能回收和再利用的任务。由于水系高功率镍氢电池的单体电压较低(通常为1.2V)，因此与其他电池一样需要串联使用，形成电池组，以便获得更高的电压。但是，更高的电压意味着更多的电池和成比例增加的成本。笔者在设计样机中使用了48V的电压等级，通过DC/DC电源变换器实现从48V低压到700V高压的转换。

在负负载转矩工况下，电梯变频器直流母线电压升高，在达到电梯制动电阻泄放电压前触发DC/DC电源变换器启动，实现电能的储存。此时电梯制动电阻不工作，完全避免了制动电阻烧毁风险；而且没有了制动电阻的发热，可减少机房降温的二次电能消耗。

在正负载转矩工况下，电梯变频器直流母线电压被曳引电动机拉低，在高于三相整流电压前设置触发电压，启动DC/DC电源变换器实现水系高功率镍氢电池的电能回馈。

4 水系高功率镍氢电池在电梯再生节能利用中的节能效果

为了测试水系高功率镍氢电池的节能效果，笔者设计了一种储能式节能装置：水系高功率镍氢电池组规格为48V/10Ah， DC/DC电源变换器规格为120A/7.5kW。基于水系高功率镍氢电池的储能式节能装置样机如图3所示，样机中采用的10Ah镍氢电池单体如图4所示。

电梯节能测试实验主要依据电梯能效标准GB/T 30559.1—2014《电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能 第1部分：能量测量与验证》和GB/T 30559.2—2017开展。测试用样梯为曳引驱动电梯，额定载重量为1350kg，额定速度为2.0m/s，采用交流调频调压调速，井道提升高度为104.8m。

图5所示为测试样梯加装储能式节能装置后以空载工况向上运行时，DC/DC电源变换器高压侧(变频器直流母线)和低压侧(电池组)的电压、电流曲线。1号通道(蓝色曲线)为低压侧电压，最大值为DC65 V；2号通道(紫色曲线)为低压侧电流，最大值为132 A；3号通道(橙色曲线)为高压侧电压，最大值为DC704 V；4号通道(绿色曲线)为高压侧电流，最大值为20.8 A。

为了验证节能效果，先后测试了样梯未加装和已加装储能式节能装置在不同使用类别(根据GB/T 30559.2—2017表1中定义的类别)下的年度电能消耗(见图6)，图7是已加装储能式节能装置后测试样梯在不同使用类别下的节电率。图6和图7表明，加装储能式节能装置后，在使用类别为3、4、5、6下都有可观的节电效果。电梯使用越频繁，节电效果越明显。在使用类别6下，达到最高综合节电效率34.15%，样梯的年度电能消耗从36792kW.h下降到24227kW.h。按广州地区商业用电约平均1元/kW.h估算，可节省用电费用12565元/(梯.年)。

5 采用水系高功率镍氢电池作为储能介质的优势

电梯再生电能利用采用储能方式时主要考虑储能介质的电气特性、安全性和经济适用性3个方面。下面分析采用水系高功率镍氢电池作为储能介质的应用优势。

水系高功率镍氢电池相比于超级电容：1)能量密度高，同体积下可以储存更多电能。2)放电时间长，更加适合高楼层电梯应用。3)自放电率低，意味着储存能量时间更长，不容易流失。

水系高功率镍氢电池相比于动力锂电池：1)无自燃、自爆风险，安全性高。其电解液为不可自燃的水，化学特性相对稳定，即使过充电、短路、意外发生穿刺，或者故意引爆，也不会发生爆炸，这对于储能式节能装置须长期安装在电梯机房的要求尤其重要。因为通常机房安置于建筑物顶部，一旦起火，消防灭火的时间较长。特别是有些超高层建筑的高度已超过云梯高度，使得灭火难度陡增。2)比锂电池的充放电倍率(C率)高，具有瞬时大电流特性，能最大限度实现电能的存储和释放，对于电梯这种频繁往复运动造成的大电流充放的应用场景尤为适合。3)环保性好，对环境污染少。4)低温性能优越，在我国北方地区冬季的低温环境下，仍然能较好地保证工作效率。

表1为水系高功率镍氢电池与动力锂电池主要品种之一——三元聚合物锂电池在电气特性、安全性和经济性3个方面的对比。从表1中可以看出：1)水系高功率镍氢电池的C率为10以上，更适合电梯再生电能存储和释放这种短时、频繁、大电流的充放电场景。2)安全性更优。3)三元聚合物锂电池因功率密度较低，为获得足够功率需要并联更多电池单体，所以尽管三元聚合物锂电池单位能量价格较便宜，但要实现与水系高功率镍氢电池的相同功率，所需的综合成本相近。

水系高功率镍氢电池相比上述两者，在规模效应方面还具备成本较低和免维护的优势，这对电梯节能技术推广普及尤为重要^[8-9]。

6 结语

水系高功率镍氢电池功率密度高、能量密度适中、循环充放电寿命长，这些特点使其在具有短时、大功率特点的电梯再生电能利用场景有着独特的应用优势。此外，水系高功率镍氢电池具有的本质安全性和优良的经济性，也使其在电梯再生电能利用市场有着很好的推广普及前景。

[参考文献]