變電站磷酸鐵鋰電池組荷電率估算方法及均衡措施

王曉東，石一峰，闞建飛

(1.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004;2.南京工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

變電站直流系統(tǒng)目前大多采用鉛酸蓄電池組作為備用電源，這類(lèi)電池除一致性較差、對(duì)溫度敏感和維護(hù)工作量較多等缺點(diǎn)外，其對(duì)環(huán)境的影響也成為不可忽略的因素。與此相比，磷酸鐵鋰電池具有能積比高、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。綜合考慮購(gòu)置、基建、運(yùn)行維護(hù)和廢棄處理等成本之后，在變電站直流系統(tǒng)中采用磷酸鐵鋰電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)［1］。

磷酸鐵鋰電池目前較多的應(yīng)用是作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電源，而作為變電站直流系統(tǒng)備用電源的應(yīng)用案例不多。在變電站應(yīng)用中，鋰電池作為備用電源的工作模式，同作為動(dòng)力電源時(shí)有一定差異。作為備用電源時(shí)，充分利用電池的荷電能力并非首要目標(biāo)，電池組在交流失電時(shí)能可靠工作才是關(guān)鍵。

變電站交流失電時(shí)，要保證磷酸鐵鋰蓄電池組供電時(shí)間符合規(guī)定，必須相對(duì)精確地估算電池組的荷電率SOC(State of Charge)。蓄電池組的SOC描述了其儲(chǔ)存的電量，其相對(duì)值RSOC用公式表達(dá)為

1 SOC與直流系統(tǒng)工作狀態(tài)

SOC還是決定直流系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的重要因素。

使用鉛酸蓄電池組的變電站直流系統(tǒng)，蓄電池組并聯(lián)在直流母線上。在交流正常的備用狀態(tài)下，電池組大部分時(shí)間均處于浮充電狀態(tài)，浮充電流用來(lái)補(bǔ)充電池自放電的損耗。在交流失電時(shí)，電池自動(dòng)轉(zhuǎn)入放電狀態(tài)，以保證變電站直流系統(tǒng)供電的連續(xù)性［2］。

這種直流系統(tǒng)的接線方式和蓄電池的工作方式簡(jiǎn)單可靠，但卻不適合采用磷酸鐵鋰電池的變電站直流系統(tǒng)。鋰電池組不宜長(zhǎng)期工作于浮充電方式之下［3］，應(yīng)在其充電完成之后，轉(zhuǎn)為停止充電的備用狀態(tài)。圖1是采用磷酸鐵鋰電池組的變電站直流系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。

圖1 直流系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

按照?qǐng)D1所示，處于備用狀態(tài)的電池由于存在自放電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后SOC自然下降，當(dāng)SOC下降到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)及時(shí)補(bǔ)充充電。當(dāng)充電接近飽和、SOC上升到一定數(shù)值時(shí)，改為脈沖充電并根據(jù)電池組中電池單體的特性差異執(zhí)行充電均衡。當(dāng)電池組的SOC達(dá)到100%時(shí)停止充電，防止過(guò)充電損毀蓄電池組。

在交流失電時(shí)，電池組進(jìn)入放電狀態(tài)，由磷酸鐵鋰蓄電池組為變電站提供直流電源。系統(tǒng)在線估算當(dāng)前SOC值，并在SOC下降到30%時(shí)發(fā)出提醒信號(hào)，在15%時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，表明電池所儲(chǔ)存的電能即將耗光。

2 磷酸鐵鋰電池的SOC估算

測(cè)量蓄電池SOC最直觀的方法就是對(duì)電池進(jìn)行實(shí)際的放電試驗(yàn)，這種方法需要將電池離線且耗時(shí)很長(zhǎng)。先后有研究者提出不同的在線估測(cè)蓄電池SOC的方法，如:開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻法、安時(shí)計(jì)量法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［4］，每種方法都有自己的適用范圍和局限，多數(shù)文獻(xiàn)的研究對(duì)象是作為動(dòng)力電源的蓄電池組，典型的應(yīng)用環(huán)境是電動(dòng)汽車(chē)。這種應(yīng)用環(huán)境下的電池組經(jīng)常獲得充分放電的機(jī)會(huì)，可以利用每次的充放電循環(huán)，修正對(duì)電池 SOC估算的誤差［5］。

采用磷酸鐵鋰蓄電池之后，由于其穩(wěn)定性較原先使用的鉛酸蓄電池好，定時(shí)充、放電維護(hù)的頻率大大降低，蓄電池組長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，實(shí)際放電的機(jī)會(huì)極少，其電池容量估算更加不易。

一方面，電池組的SOC決定了變電站直流系統(tǒng)的工作狀態(tài);另一方面，在不同的工作狀態(tài)下，對(duì)SOC的估算應(yīng)使用不同的方法。文獻(xiàn)中所提到的SOC估算方法，大都沒(méi)有考慮在實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)境下電池組的工作方式會(huì)有所不同。

鑒于此，作者提出一種在不同條件下、應(yīng)用不同方式估算電池的SOC值，并依據(jù) SOC值決定直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的方法。

2.1 充電階段

為了提供220 V的直流電源，選用由68個(gè)磷酸鐵鋰電池單體組成的電池組，每個(gè)電池單體的標(biāo)稱(chēng)電壓為3.20 V。正常情況下，使用0.3倍的1小時(shí)率放電電流對(duì)電池組進(jìn)行恒流充電。充電過(guò)程中監(jiān)視每個(gè)電池單體的電壓，當(dāng)有3個(gè)電池單體的電壓大于或等于3.65 V時(shí)，啟動(dòng)均衡電阻，并且轉(zhuǎn)為脈沖充電方式;當(dāng)有5個(gè)電池單體的電壓大于或等于3.65 V時(shí)，充電停止。

這種處理方式看似簡(jiǎn)單，但是符合變電站應(yīng)用環(huán)境的實(shí)用要求。在充電階段，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員最有價(jià)值的信息是當(dāng)前的SOC值與距離充滿(mǎn)電量所需要的剩余時(shí)間。使用如下公式計(jì)算

式中:RSOC0為充電開(kāi)始時(shí)的初始SOC值;Qn為電池的額定容量;ηc為充電效率系數(shù);I為充電電流;t為充電時(shí)間。

實(shí)際應(yīng)用中充電截止的條件是基于電池電壓的，當(dāng)充電停止時(shí)，此刻的SOC值標(biāo)定為100%，作為后續(xù)其他階段SOC計(jì)算的初始值。

2.2 備用階段

電池一旦充電結(jié)束，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將電池置于備用狀態(tài)。根據(jù)電池廠家所提供的電池存儲(chǔ)特性，RSOC可以按下如下公式計(jì)算

式中:Q0和Q1分別為電池存放特性中的電池初始容量和首次放電容量;T為存放測(cè)試周期;t為備用狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。

2.3 放電階段

單純采用安時(shí)積分法估算SOC的公式如下

式中:ηd為放電效率系數(shù)。

一般認(rèn)為，在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境下蓄電池放電電流波動(dòng)大，安時(shí)積分法的估算精度不高。但是變電站的直流負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，只有在一次系統(tǒng)進(jìn)行合閘操作時(shí)才會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間的較大負(fù)荷。如果電流測(cè)量精度較高，則可以取得較好的估算效果。

另一方面，電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境下，允許電池電壓有較大的波動(dòng)幅度，而變電站動(dòng)力負(fù)荷的最低直流電壓不允許低于額定電壓的87.5%，這意味著當(dāng)電池的放電電壓低于此數(shù)值時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用意義上的SOC值即減少到零。

對(duì)于68個(gè)單體電池組成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，每個(gè)電池單體的端電壓降到2.83 V即視為放電終止，而電池生產(chǎn)廠家所認(rèn)定的磷酸鐵鋰電池放電終止電壓為2.00 V，這一點(diǎn)在進(jìn)行SOC值估算時(shí)必須考慮。

電池放電的終止條件是基于電池放電電壓的，當(dāng)電池組的放電電壓達(dá)到放電截止電壓，造成直流母線電壓達(dá)到下限時(shí)，就應(yīng)該將SOC的值報(bào)告為零，工作人員所獲知的SOC值才符合實(shí)際應(yīng)用中的意義。采用以下公式將基于電壓的估算方法與基于安時(shí)積分法所得數(shù)值相互結(jié)合，作為系統(tǒng)的SOC值。

式中:RSOCS為綜合2種測(cè)量方式之后系統(tǒng)報(bào)告的SOC值;Raht和Rv分別為使用安時(shí)積分法與端電壓方法所測(cè)得的SOC值;k為放電過(guò)程中從1變到0的系數(shù);V為放電過(guò)程中蓄電池組的端電壓;Vb和Ve分別為放電開(kāi)始時(shí)蓄電池組的端電壓和到達(dá)放電截止點(diǎn)時(shí)的電池端電壓。對(duì)于一個(gè)電池單體來(lái)說(shuō)，這2個(gè)值分別為3.65 V和2.83 V，對(duì)于68個(gè)電池單體構(gòu)成的電池組來(lái)說(shuō)，這2個(gè)值分別為248.00 V 和192.50 V。

3 電池均衡措施

變電站直流系統(tǒng)的額定電壓一般為110 V或220V。就220V直流系統(tǒng)而言，需要將68個(gè)標(biāo)稱(chēng)電壓為3.20 V的電池單體串聯(lián)，才能提供符合要求的電壓。由于磷酸鐵鋰電池本身固有的分散性，導(dǎo)致蓄電池組的每個(gè)電池的特性并非完全一致，當(dāng)電池組采用串聯(lián)方式充電時(shí)，總會(huì)有個(gè)別電池較其他電池更早被充滿(mǎn)。

常見(jiàn)的電池均衡技術(shù)分為能量耗散型與非耗散型［6］。耗散型是在較早充滿(mǎn)的電池單體兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，以消耗額外的能量;非耗散型是借助電容或電感儲(chǔ)能元件，將能量從電量較多電池單體轉(zhuǎn)移到能量較少的電池單體［7－8］。

使用并聯(lián)電阻的手段進(jìn)行電池均衡的缺點(diǎn)是能量損失與發(fā)熱，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、可靠性高。在變電站應(yīng)用環(huán)境下，磷酸鐵鋰電池的充放電循環(huán)周期較長(zhǎng)，循環(huán)次數(shù)一般較少，能量損失不顯著，相對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用環(huán)境，充電時(shí)間充裕，有條件選用較高阻值的耗散電阻，以控制發(fā)熱。并聯(lián)電阻均衡電路的簡(jiǎn)單性，有利于保證整個(gè)變電站直流系統(tǒng)的高可靠性。因此，在變電站直流系統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池組中采用并聯(lián)電阻均衡技術(shù)是可行的。圖2是并聯(lián)電阻式電池均衡電路示意圖。

圖2 并聯(lián)電阻式電池均衡電路

通過(guò)試驗(yàn)可知，磷酸鐵鋰電池組恒流充電時(shí)，電池單體的電壓升至約3.45 V之后，開(kāi)始呈現(xiàn)一定的分散性［3］。在充電過(guò)程中，監(jiān)測(cè)每個(gè)電池單體的端電壓，將充電時(shí)端電壓超過(guò)3.45 V的電池作為統(tǒng)計(jì)目標(biāo)，計(jì)算這些電池單體端電壓的平均值，超過(guò)平均值較多的電池單體所對(duì)應(yīng)的耗散電阻開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)入均衡程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

在變電站直流系統(tǒng)中，使用新型的磷酸鐵鋰電池替代目前普遍使用的鉛酸電池，在技術(shù)和環(huán)境方面擁有明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)蓄電池組發(fā)生改變之后，直流系統(tǒng)的工作方式也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。在不同的工作方式下，選用不同的方法估算蓄電池組的荷電率，對(duì)于正確反映備用電池的當(dāng)前狀態(tài)以及決定電池組的工作方式非常重要。

磷酸鐵鋰蓄電池的壽命較長(zhǎng)，循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)超鉛酸電池，本文所給出的SOC估算方法和均衡措施對(duì)電池特性的長(zhǎng)期影響，還需要更長(zhǎng)周期的觀察。

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