基于磷酸鐵鋰電池變電站直流系統(tǒng)BMS的研究與應(yīng)用

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(國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司檢修分公司，四川 南充 637000)

0 引 言

在目前變電站，大機組、超高壓的現(xiàn)代大型電力工程以及現(xiàn)代城網(wǎng)建設(shè)工程中，直流系統(tǒng)的品質(zhì)，對電網(wǎng)的安全運行有著重要影響。直流系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性對變電站的正常運行起著關(guān)鍵的作用，也是變電站安全運行的保障。由于蓄電池是直流系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，直流系統(tǒng)的核心工作就是科學(xué)的維護蓄電池，對蓄電池進行合理的充放電管理是使其長期運行的保證。

在眾多化學(xué)電池中，鉛酸電池雖然目前被各種變電站廣泛應(yīng)用，但由于鉛污染的存在，一些鉛酸電池生產(chǎn)單位已被責(zé)令關(guān)閉。如此勢必引起鉛酸電池價格上漲，使用率下降。鎳氫、鎘鎳電池體積大，循環(huán)壽命短，有記憶效益，使用受到了限制。在近些年里，鋰離子電池獲得了長足的發(fā)展，成為電池家族的重要一員。鋰離子電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高容量可充電電池，它的優(yōu)點是能夠存儲更多的能量，能量比大、循環(huán)壽命長、自放電率小、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染。鋰離子電池的正極材料是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等，負(fù)極是碳素材料。因為原材料鈷、錳價格高和污染較重，性能活潑易爆炸，目前電池業(yè)界的研究及應(yīng)用主要投入在成本較低的磷酸鐵鋰電池上。磷酸鐵鋰電池具有其它蓄電池所不具備的優(yōu)勢，它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性好，安全性優(yōu)良，這些使得它的市場前景也很廣闊。因此，磷酸鐵鋰電池可以作為變電站直流系統(tǒng)的蓄電池。

磷酸鐵鋰電池管理單元(BMS)是文中研究的重點，如何把握電池內(nèi)部狀態(tài)的變化規(guī)律以及外部因素對電池容量的影響、建立合理有效的電池模型和SOC算法、實現(xiàn)SOC在線估計并減少估算誤差, 是電池安全管理最基本、最重要的方面。安全管理主要是指工作狀態(tài)下電池的安全性問題，包括過充過放控制、過流保護、高壓隔離、均衡處理和熱管理。當(dāng)電池發(fā)生異常，BMS應(yīng)馬上啟動電池控制模塊的保護功能，保證電池能夠以正常方式運行。

1 磷酸鐵鋰電池的介紹

1.1 磷酸鐵銼電池結(jié)構(gòu)

磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，把電池正極與負(fù)極隔開，鋰離子可以通過而電子則不能通過，右邊是由碳或石墨組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池內(nèi)部充有電解液，外部由金屬外殼密閉封裝。

圖1 磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1.2 磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢

(1)超長壽命。長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰電池，循環(huán)壽命達到2 000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時率)使用，可達到2 000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，在電力行業(yè)應(yīng)用中最多也就5～8 a時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達到8～10 a以上。

(2)使用安全。磷酸鐵理完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈的碰撞下會產(chǎn)生爆炸，對電力安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰經(jīng)過嚴(yán)格的安全測試，即使在最惡劣的交通事故中也不會產(chǎn)生爆炸。

(3)可大電流快速充放電。

磷酸鐵鋰電池可大電流(2 C電流)快速充放電，在專用充電器下，1.5 C電流充電40 min內(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達2 C，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。

(4)耐高溫。磷酸鐵鋰電熱峰值可達350～500 ℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200 ℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20～75 ℃)，有耐高溫特性。

(5)無記憶效應(yīng)?？沙潆姵卦诮?jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎘鎳電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。

(6)綠色環(huán)保。該電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無毒(SGS認(rèn)證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，在其廢棄后若處理不當(dāng)，仍將對環(huán)境造成二次污染，而磷酸鐵鋰材料無論在生產(chǎn)及使用中，均無污染。

2 電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

由于變電站電池組是由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成。在直接使用沒有配備電池管理系統(tǒng)的電池組的情況下，由于電池組內(nèi)單體之間的差異在使用過程中會逐漸增大，而且無法進行調(diào)節(jié)，那么導(dǎo)致電池組在運行一段時間后出現(xiàn)單體過充、過放、過流及電池組環(huán)境溫度過高等一系列故障，造成整個電池組的使用壽命縮減，性能下降，嚴(yán)重時報廢、爆炸等。因此，磷酸鐵鋰電池組配備電池管理系統(tǒng)是十分必要的。電池管理系統(tǒng)可以有效解決電池組的安全問題，從而確保電池組可靠運行，同時延長電池組使用壽命，降低電池使用成本。

依據(jù)磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的實際需要，電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由電池管理單元(BMS)和溫度采集單元(BVT)組成。其在電池管理單元(BMS)總的控制下，使用多個控制單元分別實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)所需的各種功能，如數(shù)據(jù)采集、均衡充電、電量估計及通訊顯示等；各個控制單元通過CAN總線進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)單個電池及電池組模塊電壓、總電壓、充放電電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集和測量、電量估計(SOC)。同時，分布式電池管理系統(tǒng)具有很強的擴展性，可以進行具體電池診斷和電池安全性能保護等功能擴展。

2.1 電池管理單元(BMS)實現(xiàn)功能

(1)具有系統(tǒng)自檢功能。

(2)具有過充電、過放電、過電壓、過溫、過流保護告警功能。

(3)具有高壓動力母線預(yù)充電功能。

(4)具有電池系統(tǒng)電壓、電流、進口及出口溫度、電芯電壓、電芯溫度等測量功能。

(5)具有電池系統(tǒng)SOC精確估算功能。

(6)具有電芯均衡功能。

(7)具有電池系統(tǒng)熱管理功能，使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，降低各個電池模塊之間的溫差。

(9)具有與直流屏上監(jiān)控器通訊功能。

(10)能實現(xiàn)電池組的上電、充電、放電、斷電控制以及蓄電池組冷熱環(huán)境的控制。

2.2 溫度采集單元(BVT)實現(xiàn)功能

溫度采集單元(BVT)能實現(xiàn)快速的采集單體電池的電壓及溫度，同時也可采集電池屏內(nèi)入口及出口溫度，具有電池組均衡功能，通過內(nèi)部CAN總線及時上送數(shù)據(jù)到BMS。實現(xiàn)對單體蓄電池狀態(tài)的實時監(jiān)控。

2.3 電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)總體框架分析: 電池管理單元(BMS)是整個系統(tǒng)的核心控制部件，主要功能有數(shù)據(jù)采樣控制、數(shù)字信號預(yù)處理、卡爾曼濾波優(yōu)化算法實現(xiàn)、上位機串口通訊、電池保護電路控制及其他外圍模塊管理。首先，溫度采集單元(BVT)對電壓、電流、溫度等電池參數(shù)進行實時測量，獲得相應(yīng)的AD采樣數(shù)據(jù)。然后，溫度采集單元(BVT)對這些數(shù)據(jù)做前期預(yù)處理，電池管理單元(BMS)進而執(zhí)行SOC估計算法得到當(dāng)前電池剩余電量值。根據(jù)SOC估計值和其他電池參數(shù)信息，電池管理單元(BMS)對電池組狀態(tài)進行診斷，若電池出現(xiàn)過充過放等異?，F(xiàn)象，電池管理單元(BMS)會立刻切斷充放電回路。最后，電池管理單元(BMS)會通過CAN通信將電池實測數(shù)據(jù)和SOC估計值傳送給直流屏上的監(jiān)控器。

3 電池剩余電量(SOC)估算方法的研究

在磷酸鐵鋰電池使用過程中，電池剩余電量受到許多內(nèi)外不確定因素的影響。如何利用電池可測參數(shù)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)當(dāng)前電池剩余電量準(zhǔn)確估算一直以來是磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的核心問題和急需解決的技術(shù)難點。

3.1 SOC定義

簡單地說，SOC就是指電池當(dāng)前所存儲的電量，即剩余電量。它是反映電池狀態(tài)的主要參數(shù)。通常情況下，SOC數(shù)值上定義為在一定放電環(huán)境下，電池剩余電量與電池容量的比值：

近日，我國印發(fā)了《關(guān)于進一步加強科研誠信建設(shè)的若干意見》，指出科研誠信是科研創(chuàng)新的基石，將加強制度體系建設(shè)、管理、查處、宣傳和教育等工作。從美國國立衛(wèi)生研究院管理經(jīng)驗看，各級科研管理部門既要推進內(nèi)部控制制度建設(shè)，打造廉潔、高效、規(guī)范的科技管理系統(tǒng)，又要嚴(yán)格處理違規(guī)人員和項目，視情適時向主管部門報告以追究責(zé)任，維護科學(xué)誠信，履行監(jiān)管責(zé)任，保障科研活動公平和效率。

(1)

式中:Qn為標(biāo)稱容量;Qc為電池標(biāo)準(zhǔn)剩余電量，是指當(dāng)前電量狀態(tài)下電池以室溫25 ℃ C/30倍率完全放電至放電截止電壓所獲得的全部電量；Qi為電池標(biāo)準(zhǔn)己用電量，數(shù)值上等于標(biāo)稱容量與標(biāo)準(zhǔn)剩余電量的差值；QI為實際己用電量，是指電量完全充滿的電池以實際工作溫度及放電倍率下所放出的電量。η為電池效率系數(shù)，用來量化各種因素對電池SOC的影響。

3.2 影響SOC的因素

在電力系統(tǒng)運行環(huán)境中，SOC受放電倍率、電池溫度、自放電率、循環(huán)使用次數(shù)等許多因素的影響，這給SOC的估算帶來了很大的困難。

(1) 放電倍率

在其他影響因素不變的條件下，電池放電容量會隨著放電倍率的增加而降低。這是因為電池內(nèi)部活性物質(zhì)沿電極厚度方向的作用深度是有限的，當(dāng)大電流放電時，放電倍率越大，作用深度就越淺，利用率越低，所以電池容量也就越小，反之電池容量就越大。圖3為室溫25 ℃磷酸鐵鋰電池在放電倍率0.25 C和0.85 C時的恒流放電特性曲線。

圖3 室溫電池放電倍率特性曲線

(2)電池溫度

磷酸鐵鋰電池電量和活性物質(zhì)利用率都會隨著電池溫度的上升而增加，這主要是由電解液溫度性能變化引起的。當(dāng)電池溫度升高時，電解液黏度減小、活性增大，導(dǎo)致離子擴散運動能力增強，最終使得活性物質(zhì)利用率提高，磷酸鐵鋰電池實際可用電量增大。反之，電池溫度下降時，活性物質(zhì)利用率降低，實際可用電量減少，所以電池實際可用電量是和電池溫度成正比關(guān)系的。在實際使用中，磷酸鐵鋰電池的充放電工作溫度范圍為：0～45 ℃。

(3)循環(huán)使用次數(shù)

在使用一段時間后，磷酸鐵鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)可放總電量會發(fā)生一定的變化。一開始電量會有所增加，在接下來一段時間內(nèi)大體保持不變，然后電量會逐步減少。對于磷酸鐵鋰電池，一般用可放總電量降至標(biāo)稱電量80%時的充放電次數(shù)來表示電池循環(huán)壽命。

(4)自放電率

自放電又稱荷電保持能力，是指在一定環(huán)境條件下，電池開路狀態(tài)的存儲電量保持能力。電池在自放電的作用下，SOC值會隨著存儲時間的增加而減小。一般情況下，自放電率用單位時間內(nèi)容量降低的百分比表示。

。

(2)

式中:Ca為存放前的電池電量；Cb為存放后的電池電量;T為電池存放的時間。鋰電池自放電率大小與循環(huán)使用次數(shù)、環(huán)境溫度以及存儲時間等多種因素有關(guān)，一般利用試驗的方法推導(dǎo)計算得到。

3.3 常見SOC估計方法

磷酸鐵鋰電池在直流電源中的放電是一個復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，放電倍率、環(huán)境溫度、電池內(nèi)阻、自放電率等因素都會對電池SOC值的估計判斷產(chǎn)生影響，同時這些因素又會隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加而發(fā)生改變，從而相應(yīng)地增加了電池建模和SOC算法估計的難度。

目前，國內(nèi)外磷酸鐵鋰電池SOC的估算方法主要有放電試驗法、開路電壓法、安時計量法、內(nèi)阻測量法等，下面對這些方法進行簡要的介紹分析。

(1)放電試驗法

放電試驗法是使用恒定電流對電池進行連續(xù)放電直至電池端電壓達到放電截止電壓的實驗方法，電池剩余電量等于放電電流值與時間的乘積。放電試驗法在實驗室里經(jīng)常使用，是最可靠的SOC估計方法，并且適用于所有類型的電池，但它也存在兩個方面的缺陷:第一，需要花費大量測量時間。只有當(dāng)整個放電試驗結(jié)束后，之前各時刻的SOC值才能被計算得到，無法做到SOC的實時估計；第二，電池之前進行的工作要被迫停止，并轉(zhuǎn)到恒流放電狀態(tài)。

(2)開路電壓法

電池開路電壓在數(shù)值上與電池電動勢非常接近。磷酸鐵鋰電池電動勢是關(guān)于內(nèi)部電解質(zhì)密度的函數(shù)，而電解質(zhì)密度會隨電池放電次數(shù)的增加而成比例下降，所以開路電壓法是按照電池在一定條件下開路電壓與SOC值成數(shù)學(xué)比例關(guān)系的原理來估算SOC。在放電末期，開路電壓估計SOC的效果較好。但是開路電壓法自身也存在著一些不足，例如電池開路電壓測量的時間問題。為了克服自恢復(fù)效應(yīng)，電池需要長時間靜置才能達到電壓狀態(tài)穩(wěn)定，一般這個靜置過程需要幾個小時到十幾個小時，這就造成了時間上的浪費；此外，如何正確判定電池是否達到穩(wěn)定狀態(tài)也是剩余電量估計的難點。當(dāng)電池處于放電中期平臺時，開路電壓與SOC的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系并不十分明顯，導(dǎo)致SOC估計誤差較大。

(3)安時計量法

安時計量法是通過計算電池在充電或放電時的累積電量來估計電池的SOC，并根據(jù)溫度、充放電倍率對SOC估計值進行補償。它是目前使用最普遍、最簡單的SOC估計方法，己成功地應(yīng)用到電子類消費品的電量估計。如果規(guī)定充放電初始狀態(tài)為SOC0，那么當(dāng)前狀態(tài)的SOC值可由式(3)計算得到。

(3)

式中：Qn為標(biāo)稱容量；i表示電池電流，放電時為正，充電時為負(fù);η為電池效率系數(shù)，包括溫度影響系數(shù)ηT和充放電倍率系數(shù)ηi，其中ηi可由Peukert方程得到。在使用安時計量法時應(yīng)注意三個方面的問題：方法自身不能提供電池初始值SOC0；不準(zhǔn)確的電流測量將增大SOC估計誤差，經(jīng)過長時間累積，該誤差會變得越來越大；估算SOC時必須考慮電池效率系數(shù)。雖然電流測量的精度問題可以通過使用高性能電流傳感器解決，但是這樣會使系統(tǒng)成本大幅增加。同時，解決電池效率系數(shù)η問題必須通過大量實驗數(shù)據(jù)建立溫度影響系數(shù)ηT和充放電倍率系數(shù)ηi的經(jīng)驗公式。

(4)內(nèi)阻測量法

內(nèi)阻測量法是指通過以不同頻率交流電激勵電池的方式來測量電池內(nèi)部交流電阻，并利用剩余電量與交流內(nèi)阻的電池靜態(tài)模型計算SOC值的方法。在電池放電后期，內(nèi)阻測量法具有很高的估算精度和電池適應(yīng)性，一般情況下與安時計量法組合使用。

4 結(jié) 論

文中介紹了磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點分析和研究電池管理系統(tǒng)在磷酸鐵鋰電池組中的應(yīng)用以及SOC算法。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個電池組的運行。它需要監(jiān)視電池組的運行狀態(tài)，精確估算電池組的剩余容量，調(diào)整電池組內(nèi)單體電池之間的差異，提供各種電池故障保護措施及報警信息。電池管理系統(tǒng)與直流系統(tǒng)監(jiān)控器通過CAN通信，能有效的保證磷酸鐵鋰電池組及整個直流系統(tǒng)的安全可靠工作。

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