磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)的應用研究

蘇 適 王增新

(1.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650217;2.華北電力大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站)

1 前言

為了提高電網(wǎng)效率、穩(wěn)定性，早已將鉛酸電池引入電網(wǎng)中作為儲能裝置，但由于鉛酸電池自身的短壽命，充放電倍率小等原因，一直無法滿足電網(wǎng)儲能應用的要求。隨著電池行業(yè)研究的深入，出現(xiàn)的磷酸鐵鋰電池因其壽命長、安全性能好、成本低等優(yōu)點，成為儲能裝置的理想選擇［1－7］。

2 蓄電池性能比較

表1 磷酸鐵鋰動力電池與其他動力電池對比

磷酸鐵鋰電池與其他動力電池相比，循環(huán)壽命長出4倍，比能量也高很多，單體電壓也是電池中最高的，安全環(huán)保，但是由于材料和生產(chǎn)技術(shù)的原因，其成本較高，不過磷酸鐵鋰電池在鋰離子電池中成本是較低的。

表2 不同材料鋰離子電池性能比較

3 磷酸鐵鋰電池性能

圖1 電池容量－時間衰減曲線

圖2 電池容量－溫度關(guān)系曲線

由圖1可以看出單體磷酸鐵鋰電池在15年間使用后容量由190Ah降低到150Ah，降低40Ah。從根本上講，影響鋰電池壽命的一個關(guān)鍵因素是固體電解質(zhì)界面膜。在鋰離子電池首次充放電過程中，電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層，具有固體電解質(zhì)的特征，是電子絕緣體同時是Li+的優(yōu)良導體，Li+可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫出，這層鈍化膜被稱為“固體電解質(zhì)界面膜”(solid electrolyte interface)，簡稱SEI膜［8］。SEI膜具有有機溶劑不溶性，在有機電解質(zhì)溶液中能穩(wěn)定存在，并且溶劑分子不能通過該層鈍化膜，從而能有效防止溶劑分子的共嵌入，避免了因溶劑分子共嵌入對電極材料造成的破壞，能夠很大提高電極的循環(huán)性能和使用壽命。

由圖2可以看出同塊電池放出的容量和溫度高低是相關(guān)的。隨著溫度的升高電池放出的容量在變大，但是電池在放電平臺上放出來的容量才具有應用價值，因為過了放電平臺后電壓會急劇下降，電池管理系統(tǒng)(BMS)也會對電池進行保護，會使系統(tǒng)待機直至停機。磷酸鐵鋰電池放電平臺在3.3V左右，由性能曲線可以看出60℃下電池放出的容量最多，但是高溫會破壞電池自身的內(nèi)部機理，使電池更易接受充電電流，也加快了柵極腐蝕速度和氣體的生成析出，從而縮短其壽命，所以經(jīng)常保持使用環(huán)境在常溫25℃時是發(fā)揮電池性能及保證使用壽命的關(guān)鍵條件。

圖3 工況下單體電池充電曲線

圖4 工況下單體電池放電曲線

電池充電時先恒流充電至充電截止電壓后轉(zhuǎn)恒壓充電，即蓄電池浮充。對于蓄電池來說，充電方式包括恒流充電，恒壓充電和恒功率充電，但是每一種充電方式都是充至截止電壓時轉(zhuǎn)為蓄電池浮充電方式，就是改用小電流給電池繼續(xù)充電，也叫涓流充電。這種浮充狀態(tài)對電池有很多好處。首先在浮充電壓范圍內(nèi)時電池的柵板腐蝕處于最慢的狀態(tài)，可延長電池使用壽命;再次，可以補充電池因自放電造成的容量損失，保證電池充足電力;還有可以抑制活性物質(zhì)重結(jié)晶造成的硫酸鹽化。這個浮充電壓不是人為設(shè)定的，而是電池出廠時電壓設(shè)定了浮充電壓，只要以后電壓處于浮充電壓范圍內(nèi)時就自動形成了浮充電流。圖4顯示的是將縱坐標調(diào)到3.2V到3.36V之間時電池的放電特性，可以很直觀地看出電池3.3V左右的放電平臺。

對于磷酸鐵鋰單體電池而言有很多優(yōu)點，但是由于是新型電池，生產(chǎn)技術(shù)水平有限，造成電池間存在著一致性的問題，而儲能系統(tǒng)均是由大量的單體成組構(gòu)成，除了對單體電池性能有要求外，對成組以后系統(tǒng)的性能要求更高，所以研究成組后電池堆性能更有實用價值，下文便展開對鋰電池堆的應用分析。

4 應用分析

以某微網(wǎng)中儲能系統(tǒng)為例，儲能裝置是由432支單體180Ah，3.2V磷酸鐵鋰電池構(gòu)成兩并216串額定容量248kWh，額定電壓691.2V的電池堆，接入微網(wǎng)400V側(cè)Ⅰ段母線。

4.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)中電池堆充滿電時總電壓在720V左右，這是由于充滿電后，大部分的電池電壓在3.35V附近，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總電壓就在720V附近，而每次充電后每支電池的電壓都不相同，是因為電池中一致性問題的存在，故每次充電結(jié)束后的總電壓也都不盡相同。系統(tǒng)放電結(jié)束后，電壓常在692V附近，這是由于電池管理系統(tǒng)為了保護電池進行了參數(shù)設(shè)置，使電池在放電結(jié)束后電壓常在3.2V附近。

因電池廠家針對應用方對電池循環(huán)壽命的要求和自身電池的保護，在電池管理系統(tǒng)中進行了告警和保護的設(shè)置。當系統(tǒng)檢測到電池的參數(shù)達到報警門限時，BMS會與逆變器通信，逆變器發(fā)出待機的指令，下次操作只要正常操作就可以恢復;當參數(shù)達到保護門限時，逆變器下發(fā)停機故障指令，下次操作需要人為檢查出現(xiàn)保護事件的原因并修復才可以操控電池堆，這樣便可以更好地保護電池堆。本系統(tǒng)將單體充電過壓告警設(shè)置為3.6V，充電過壓保護為3.9V，放電欠壓告警為3V，放電欠壓保護為2V，這樣電池堆充電過壓告警門限遍設(shè)為777.6V，過壓保護門限為842.4V，放電欠壓告警門限設(shè)為648V，欠壓保護門限為432V。同時為了保證電池堆的使用年限，初始充放電深度設(shè)置在67%，可保證循環(huán)壽命高于5500次，按照1天1充1放計算，則可使用15年。所以由于門限值的設(shè)置，使電池堆提供的能量不足248kWh，在BMS中，初始設(shè)置額定電池堆容量為190kWh，校正電池容量為190kWh，剩余電池容量為0kWh。額定電池容量是由廠家提供的，校正電池容量是指電池實際能夠充入/放出的容量，剩余電池容量就是根據(jù)額定容量和校正容量的差值得到的剩余容量，而顯示屏中顯示的荷電狀態(tài)(soc)為剩余電池容量與校正電池容量的比值。這樣的初始設(shè)置，使得soc對應于0%到100%之間變化。

4.2 電池的電壓跳變

圖5和圖6由BMS軟件中得到，圖5為1號電池組充電結(jié)束時的示意圖，圖6為1號電池組放電結(jié)束時的示意圖。

圖5 充電結(jié)束

圖6 放電結(jié)束

圖5中可看出電池一致性的差異，在充電過程中要比充電結(jié)束靜置后電壓差值大，充電中最大電壓差值為50mV，即差值比為1.5%，這個值很小而且在動態(tài)中。靜置后每一支電池的電壓都差不多在3.33V左右，相差很小。同時可以通過長期的監(jiān)測，找出容量小的或大的電池來便于更換，以免破壞電池堆的整體性能。圖5中顯示充電結(jié)束后電壓有一個回落。圖6同樣也可以看出放電過程中比放電結(jié)束靜置后電壓差值大，放電結(jié)束后電壓有一個回升，靜置后每支電池的電壓差也會變小。這一次的循環(huán)充放電表明電池在充放電時電壓會不斷的波動，而充放電結(jié)束時都會有一個小的電壓跳變。

由于電池本身有內(nèi)阻，在外接電源給電池充電中，內(nèi)阻會有一定分壓，當BMS檢測電池電壓到3.6V時，通信至逆變器，逆變器下發(fā)待機指令，即斷開充電回路，內(nèi)阻分壓就會瞬間消失，所以電池兩端電壓(可以理解為開路電壓)就會瞬間減小，達到一定值;當電池放電中，電池為電源，內(nèi)阻當然也會產(chǎn)生電壓，當檢測達到報警門限電壓時，系統(tǒng)待機停止放電，內(nèi)阻分壓也回瞬間消失，所以電池電壓就會瞬間增大，達到一定值。所以由于內(nèi)阻分壓的存在就會出現(xiàn)電壓跳變這一現(xiàn)象。而內(nèi)阻分壓這一現(xiàn)象可以定義為“電池虛壓”。

電池虛壓的存在有一定好處，在BMS中設(shè)置有門限值，在充放電過程中只要有一支單體電池的虛電壓達到門限值就會出現(xiàn)告警，于是系統(tǒng)待機。這樣一來，可以更好地保護電池，只要BMS不出現(xiàn)問題就不會出現(xiàn)嚴重的過充過放現(xiàn)象。但是，電池虛壓的存在也會導致電池不易發(fā)揮更大的性能，所以電池內(nèi)阻越小越好，同時設(shè)置好門限值對發(fā)揮性能也至關(guān)重要。本系統(tǒng)設(shè)置的門限值只能讓儲能堆放出82.6%的容量，這樣可以保證電池的使用壽命，保證循環(huán)次數(shù)。

4.3 均衡分析

本系統(tǒng)中采用主動均衡，又叫有源均衡，就是在某支電池接近過充時，通過搬移該電池充電電流到其他尚未充滿的電池中去，而不是像被動均衡一樣充電電流變成熱，同樣放電過程也一樣。由于沒有熱耗散問題，所以系統(tǒng)均衡電流可以比較大，平均均衡電流為2A，最大可以做到5A。均衡電路如圖7所示。

圖7 主動均衡電路

本系統(tǒng)中的均衡是在充電過程中進行均衡，放電時不做均衡。當一支電池電壓高了，就把電流搬移到臨近的兩支電池中，當一支電池電壓低了，臨近的兩支電池就把電流搬移到該支電池，直到在均衡開啟電壓差門限值以內(nèi)時停止搬移。本系統(tǒng)均衡開啟電壓門限值為3.3V，即電池電壓達到3.3V就開啟均衡電路進行動態(tài)均衡;均衡開啟電壓差門限值為0.02V，即在兩支電池電壓差達到0.02V時開啟均衡。圖8為關(guān)均衡和開均衡時第2串電池的性能對比，圖9為關(guān)均衡和開均衡時第1組電池的充電性能對比。

圖8 關(guān)/開均衡第2串電池的充電性能

圖9 關(guān)/開均衡第1組電池的充電性能

圖8中系列1是關(guān)掉均衡時第2串電池的電壓充電曲線，系列2是開啟均衡時第2串電池的電壓充電曲線。選第2串是因為在BMS軟件中發(fā)現(xiàn)第2串在所有電池中的電壓是最高的。兩者都是在電池靜置時開始充電，系列1中電壓偏高，所以開啟均衡時可以更好地分散電流，讓每一塊電池的電壓大小更趨于一致。圖9中，前面的充電曲線為關(guān)均衡時的充電曲線，再以相同倍率對電池放電，然后開啟均衡充電。由于電池是新電池，電池的內(nèi)阻和容量都很接近，所以開/關(guān)均衡時效果并不明顯，但是關(guān)均衡時第1組電池的電壓還是較開均衡時偏高，并且通過BMS記錄的數(shù)據(jù)，關(guān)均衡時顯示充入187kWh，開均衡時顯示充入191kWh，所以開均衡時電池充入的容量比較多，多平均充入2.1%。而關(guān)均衡充電時最大電壓差為0.0373V，開均衡充電時最大電壓差為0.0318V，這說明在動態(tài)充電中本系統(tǒng)具有一定的均衡效果，充滿電后最大電壓差為0.0057V，電池組內(nèi)電池一致性很好，滿足系統(tǒng)的要求。其它組電池狀況一樣，具有良好的一致性。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)中，為了保證電池壽命，充放電時最大使用0.3C即108A的電流，因為很大的電流充放電易使鋰離子大量聚集形成枝晶，會刺穿隔膜造成電池內(nèi)部短路，對電池造成損傷，正常運行時常使用0.2C附近的電流充放電。經(jīng)多次的充放電實驗，BMS顯示平均充入或放出的電量在206kWh附近，逆變器顯示平均充入或放出的電量在212kWh附近，故該系統(tǒng)逆變消耗大概在2.8%;而電池堆平均充入常在207kWh附近，平均放出常在200kWh附近，故系統(tǒng)儲能效率大致在96.6%。滿足電網(wǎng)儲能的應用要求。

本文中解釋了電池電壓跳變的原因，同時提出了“電池虛壓”這一概念，確定了電池管理系統(tǒng)設(shè)置的門限值和校正電池容量值，保證了儲能系統(tǒng)的正常運行，并通過充放電實驗驗證了系統(tǒng)中主動均衡的效果，為其它微網(wǎng)儲能的應用提供了依據(jù)。

［1］張賓，林成濤，陳全世.電動汽車用LiFePO4/C鋰離子蓄電池性能［J］.電源技術(shù)，2008，32(2):95－98.

［2］王治華，殷承良.電動汽車用LiFePO4鋰離子電池安全性分析［J］.電池工業(yè)，2008，13(3):169－172.

［3］趙淑紅，吳鋒，王子冬.磷酸鐵鋰動力電池工況循環(huán)性能研究［J］.電子元件與材料，2009，28(11):43－47.

［4］張賓.電動汽車用動力鋰離子電池的電壓特性［J］.電池工業(yè)，2009，14(6):398－403.

［5］華寧.鋰離子蓄電池正極材料LiFePO4研究進展［J］.電子元件與材料，2007，26(12):1－4.

［6］趙新兵，謝健.新型鋰離子電池正極材料LiFePO4的研究進展［J］.機械工程學報，2007，43(1):69－76.

［7］張賓.電動汽車用磷酸鐵鋰離子電池的PNGV模型分析［J］.電源技術(shù)，2009，33(5):417－421.

［8］倪江鋒，周恒輝，陳繼濤，蘇光耀.鋰離子電池中固體電解質(zhì)界面膜(SEI)研究進展.化學進展，2004年5月，第16卷第3期.