浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池在電力工程應(yīng)用

孫 茗，蔣新華，於崇干

(1 華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120；2 上海航天電源公司技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 2016153；3.原華東電力設(shè)計院，上海 200040)

浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池在電力工程應(yīng)用

孫 茗1，蔣新華2，於崇干3

(1 華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120；2 上海航天電源公司技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 2016153；3.原華東電力設(shè)計院，上海 200040)

本文介紹一種用于電力工程直流電源系統(tǒng)的浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池，重點解決常規(guī)磷酸鐵鋰電池在長期浮充電運(yùn)行工況下的安全問題。通過試驗數(shù)據(jù)分析，描述了浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池的性能特點及優(yōu)勢，并解決了在電力工程中應(yīng)用的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，為規(guī)范磷酸鐵鋰電池在電力工程中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池；直流電源系統(tǒng)。

磷酸鐵鋰電池目前主要應(yīng)用在汽車、通信、光伏和風(fēng)電行業(yè)等儲能市場，在110 kV變電站直流電源系統(tǒng)中雖也有少量應(yīng)用，但還存在關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決：

(1)傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池是頻繁充放電的起動型蓄電池，為適合電力工程要求，需要解決如何將磷酸鐵鋰電池從頻繁充放電運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變?yōu)檎８〕潆娺\(yùn)行方式，其安全性問題至關(guān)重要。

(2)磷酸鐵鋰電池設(shè)計原型是5 h放電率，原有磷酸鐵鋰電池的試驗數(shù)據(jù)、曲線等在電力工程的設(shè)計計算中不適用。目前變電站應(yīng)用磷酸鐵鋰電池是套用DL/T5044規(guī)程中鉛酸蓄電池的相關(guān)參數(shù)。

(3)磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻遠(yuǎn)小于鉛酸蓄電池，提供的短路電流值大很多，需要評估該短路電流對電池本體安全、直流電源系統(tǒng)設(shè)計及直流設(shè)備選擇造成的影響。

本文介紹一種新的磷酸鐵鋰電池——浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池(簡稱FBL磷酸鐵鋰電池)在電力工程中的研究應(yīng)用情況，并對存在的技術(shù)問題提供解決方案。

1 FBL磷酸鐵鋰電池基本原理

因制造和使用條件不同，磷酸鐵鋰電池組中各單體電池在特性方面存在差異，若個別單體電池在浮充工況下長期處于過充狀態(tài)，不及時有效控制的話，會對電池電極結(jié)構(gòu)造成永久損壞，對電池組容量和壽命也會造成很大影響。常規(guī)磷酸鐵鋰電池是依靠電池管理系統(tǒng)(BMS)實現(xiàn)均衡控制的。

FBL磷酸鐵鋰電池是一種具有自主均衡功能的磷酸鐵鋰電池。自主均衡基本原理是在電池電解液中添加一定比例的氧化－還原添加劑，在電池內(nèi)部建立一種防過充的電化學(xué)自我保護(hù)機(jī)制，該自主均衡電池能在特定電壓下進(jìn)行定電流充電，通過內(nèi)部自主均衡載體的作用，將電池電壓控制在安全范圍內(nèi)，克服了常規(guī)磷酸鐵鋰電池因BMS失效造成的安全隱患。

FBL磷酸鐵鋰電池還為每個電池模塊配置了電池電壓保護(hù)裝置(BPD)。

BPD也稱被動均衡，是采用基于電路設(shè)計的平衡電路，實現(xiàn)電池電壓實時均衡，保證模塊中每只單體電池都能夠充滿，達(dá)到容量均衡。當(dāng)電池電壓接近設(shè)定值時，啟動BPD保護(hù)措施。BPD電壓均衡功能僅在充電過程開啟，一旦進(jìn)入電池放電狀態(tài)或未充電狀態(tài)，BPD立即關(guān)閉均衡功能。

FBL磷酸鐵鋰電池是將電池自主均衡功能和BPD被動均衡功能相結(jié)合，構(gòu)成多重保護(hù)功能，可確保磷酸鐵鋰電池在持續(xù)浮充電工況下的安全運(yùn)行。

2 FBL磷酸鐵鋰電池性能

磷酸鐵鋰電池在電力工程應(yīng)用時，應(yīng)遵循現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計原則進(jìn)行，需要綜合考慮采用磷酸鐵鋰電池后對電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選擇的影響，而不僅僅是將鉛酸蓄電池簡單更換為磷酸鐵鋰電池。為解決磷酸鐵鋰電池在電力工程應(yīng)用中存在的問題，經(jīng)過近三年的持續(xù)工作，完成了對FBL磷酸鐵鋰電池性能的全部試驗工作，通過歸納整理、分析研究，獲得一套符合電力工程所需的磷酸鐵鋰電池數(shù)據(jù)、曲線和計算公式，基本涵蓋了電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計所需的全部電池數(shù)據(jù)。

2.1 基本參數(shù)

單體電池額定電壓：3.2 V

單體電池浮充電壓：3.40±0.02 V

單體電池均充電壓：3.45 V±0.02 V；

單體電池平均放電最低電壓：3.0 V

電池組在線均充電流1.1 I10，離線可取1.5 I10

電池組核對性放電電流2I104 h

2.2 充電特性

均充電流：在同一放電深度情況下，在相同充電電壓、充電時間以充電電流1.1I10、1.3I10、1.5I10進(jìn)行定電流充電，充入容量基本相同。從安全角度考慮，均充電流選用1.1I10。

均充電壓：在同一放電深度情況下，在相同充電電流、充電時間而均充電壓分別為3.45 V或3.5 V時，充入容量基本相同；對于同一放電深度后電池充滿電所需時間，采用3.45 V或3.5 V均充電壓的充電時間相差不多。因此在保證均充要求的前提下，適當(dāng)降低均充電壓對電池安全運(yùn)行有利，均充電壓選用3.45 V。

2.3 放電特性

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，電池以1.0I10～10I10放電，其放電過程中電壓比較平穩(wěn)，當(dāng)電池電壓降至3.2 ～3.3 V時，電壓下降速度加快；3.0 V以下，電壓急劇下降，在15 min之內(nèi)電壓降到2.5 V左右。為保證電力工程直流電源系統(tǒng)事故放電末期蓄電池組出口電壓不低于87.5%Un，考慮到電池電壓低于3.0 V后電壓急劇下降特點，確定FBL磷酸鐵鋰單體電池放電終止電壓取3.0 V。

2.4 溫度特性

FBL磷酸鐵鋰電池不同溫度下的放電容量曲線見圖1。

圖1 不同溫度下的放電容量曲線

從曲線圖的變化趨勢來看，環(huán)境溫度低時，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池放電特性不佳，隨著環(huán)境溫度升高，電池放出容量逐步增大，30℃以上溫度，電池放出容量基本穩(wěn)定，高溫特性較好。

2.5 浮充狀態(tài)端電壓

常規(guī)磷酸鐵鋰電池浮充運(yùn)行狀態(tài)端電壓偏差曲線見圖2。

FBL磷酸鐵鋰電池浮充運(yùn)行狀態(tài)端電壓偏差曲線見圖3。

從曲線圖可以看到，常規(guī)磷酸鐵鋰電池模塊在浮充運(yùn)行過程中，單體電池浮充端電壓偏差基本不變，說明電池模塊的不一致性無法通過長期浮充得到改善。

圖2 常規(guī)磷酸鐵鋰電池浮充運(yùn)行狀態(tài)端電壓偏差曲線

圖3 FBL磷酸鐵鋰電池浮充運(yùn)行狀態(tài)端電壓偏差曲線

FBL磷酸鐵鋰電池(自主均衡+被動均衡)在浮充運(yùn)行初期各單體電池浮充端電壓偏差較大，浮充運(yùn)行一段時間，電壓較高的單體電池端電壓逐漸下降，電壓較低的單體電池端電壓逐漸上升，單體電池端電壓偏差明顯減少。說明長期浮充運(yùn)行狀態(tài)下，通過被動均衡電路的均衡作用使各單體電池電壓逐漸接近模塊平均電壓，實現(xiàn)單體電池容量均衡。

2.6 電池內(nèi)阻

考慮到電池安全及設(shè)備選擇等因素，磷酸鐵鋰電池單體容量不宜太大，目前單體電池容量多為50～100 Ah，100 Ah以上蓄電池組是經(jīng)過若干小容量單體電池串并聯(lián)構(gòu)成。

FBL磷酸鐵鋰電池模塊的內(nèi)阻除包含電池本體物理電阻和極化電阻外，還應(yīng)包含電池并聯(lián)連接片電阻值，特別是容量較大的電池組，連接片電阻值若忽略不計，會對電池組出口短路電流影響較大。

鑒于目前磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻測試沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗采用兩種測試方法，即短路試驗法和二次放電法，50 Ah單體電池內(nèi)阻見表1，并聯(lián)、串聯(lián)連接片電阻見表2。

表1 二種測試方法內(nèi)阻測試值

表2 并聯(lián)、串聯(lián)連接片電阻

單體電池并聯(lián)后電阻計算公式：

蓄電池組電阻計算公式：

為電力工程設(shè)計計算提供參考，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池組電阻值(部分)見表3。

表3 FBL磷酸鐵鋰電池組電阻值(m?)

3 FBL磷酸鐵鋰電池應(yīng)用研究

3.1 浮充電運(yùn)行設(shè)計預(yù)期壽命

持續(xù)浮充電狀態(tài)容量衰減趨勢圖見圖4，基準(zhǔn)溫度和高溫浮充電運(yùn)行狀態(tài)容量保持率變化曲線見圖5。

圖4 持續(xù)浮充電狀態(tài)容量衰減趨勢圖

圖5 基準(zhǔn)溫度和高溫浮充電運(yùn)行狀態(tài)容量保持率變化曲線

經(jīng)過樣品測試和數(shù)據(jù)分析，再通過仿真計算方法推算：FBL磷酸鐵鋰電池浮充電運(yùn)行15年時，預(yù)期容量保持率為86.3%C10，考慮到環(huán)境及計算誤差等因素，將FBL磷酸鐵鋰電池設(shè)計預(yù)期壽命定為15年。

3.2 電池短時耐受電流

蓄電池組短時耐受電流是指電池本體結(jié)構(gòu)(包括連接片)能夠耐受短路電流大小的能力，是關(guān)系到電池結(jié)構(gòu)性能及電池安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。FBL磷酸鐵鋰電池與同容量鉛酸蓄電池相比，因其內(nèi)阻較小，電池組出口短路電流大很多，電池電阻及出口短路電流比較表見表4。

表4 電池電阻及出口短路電流比較

容量100 Ah的FBL磷酸鐵鋰電池短時耐受電流為3 kA，工程設(shè)計施工需要特別注意：電池柜與直流柜之間須經(jīng)過一定長度電纜連接，使直流母線短路電流值減小到允許值，以保證電池本體及直流柜上電氣設(shè)備安全。

3.3 電池核容方法

核對性放電試驗是判斷蓄電池組運(yùn)行壽命終止的常用方法。電力工程鉛酸蓄電池組采用1.0I10電流持續(xù)放電法，放電終止電壓取1.8 V。該方法整個放電過程長，費(fèi)時費(fèi)力，帶來時間成本和人力成本很大，因此運(yùn)維部門要求縮短核對性放電試驗時間的呼聲很高。

根據(jù)大電流優(yōu)越性試驗確認(rèn)，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池可采用2.0I10電流持續(xù)放電4 h，蓄電池組出口電壓不小于87.5% Un的試驗方法進(jìn)行核容。個別單體電池電壓低于2.5 V時，應(yīng)予以更換。若電池組單體電池平均放電終止電壓低于2.83 V時，電池組壽命終止。

3.4 FBL磷酸鐵鋰電池容量計算

按直流規(guī)程規(guī)定的階梯計算法計算蓄電池組容量，需要選用合適的容量換算系數(shù)。由于不同類型的蓄電池容量換算系數(shù)都是不相同的，因此，磷酸鐵鋰電池容量計算是不能套用鉛酸蓄電池的容量換算系數(shù)。但由于沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，目前實際工程的磷酸鐵鋰電池容量選擇計算還是參考直流規(guī)程提供的閥控式鉛酸蓄電池的容量換算系數(shù)進(jìn)行保守估算，計算不規(guī)范且選用的磷酸鐵鋰電池容量偏大。

根據(jù)各項試驗結(jié)果，歸納整理出FBL磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池容量換算系數(shù)比較表見表5。

表5 不同類型電池容量換算系數(shù)比較

從表5中可知，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池1 min放電率容量換算系數(shù)為閥控式鉛酸蓄電池的4～5倍，1 h放電率容量換算系數(shù)約為2倍，2 h放電率容量換算系數(shù)約為1.6倍。這說明FBL磷酸鐵鋰電池短時大電流放電性能優(yōu)越，適合事故初期大電流放電工況。在同等直流負(fù)荷條件下，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池組計算容量約為閥控式鉛酸蓄電池組容量的(1/2～2/3)C10。

4 FBL磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池比較

電力工程用閥控式鉛酸蓄電池設(shè)計壽命為10年，但因受高溫環(huán)境影響較大，實際運(yùn)行壽命一般僅為5～6年。FBL磷酸鐵鋰電池設(shè)計壽命長，高溫特性好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，電池運(yùn)行壽命受環(huán)境溫度影響較小。

FBL磷酸鐵鋰電池充、放電時間短，放電深度80%，均充電時間可縮短10 h以上，核對性放電可縮短4 h及以上，大大減輕了現(xiàn)場維護(hù)人員的工作量，降低了運(yùn)維成本，該特點深受用戶青睞。

電力工程用閥控式鉛酸蓄電池只實時監(jiān)控蓄電池電壓，沒有監(jiān)控蓄電池容量，當(dāng)運(yùn)維管理不到位時，會出現(xiàn)蓄電池事故放電容量不足“猝死”現(xiàn)象。而FBL磷酸鐵鋰電池可通過自主均衡和被動均衡性能實現(xiàn)電池組各單體電池SOC狀態(tài)一致，保證每個電池容量均充到100%。

FBL磷酸鐵鋰電池體積小、重量輕，與同容量閥控式鉛酸蓄電池相比體積重量約減少60%，節(jié)省建筑成本。

5 FBL磷酸鐵鋰電池應(yīng)用前景

通過對FBL磷酸鐵鋰電池性能的研究、分析、和試驗，提供一套完整的FBL磷酸鐵鋰電池技術(shù)參數(shù)、曲線、計算公式等，從而填補(bǔ)了國內(nèi)外電力工程用磷酸鐵鋰電池基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空白，使得在浮充電狀態(tài)下的磷酸鐵鋰電池應(yīng)用不再盲目。

對于220 kV及以下變電站直流電源系統(tǒng)，經(jīng)過詳細(xì)驗算，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池可以滿足直流負(fù)荷及直流電源系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備選擇和保護(hù)配合要求。

對于發(fā)電廠來說，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池可在單元機(jī)組控制用直流電源系統(tǒng)，UPS電源以及輔助車間直流電源成套裝置中應(yīng)用。

對于500 kV及以上變電站、發(fā)電廠動力用直流電源系統(tǒng)，因受到FBL磷酸鐵鋰電池容量的限制，以及解決直流斷路器選擇性配合難題，如何應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究探討。

FBL磷酸鐵鋰電池與閥控式鉛酸蓄電池相比，在全生命周期內(nèi)的綜合經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性能都具有競爭性，未來具有良好的發(fā)展前景。

[1] 於崇干，等．浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池直流電源系統(tǒng)[M]．北京：中國電力出版社 2016．

[2] 王洪，等．磷酸鐵鋰蓄電池在變電站應(yīng)用研究與實踐[J]．電源技術(shù)，2011，(8)．

[3] DL/T 5044－2014，電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S]．

Application of FBL-Type Lithium Iron Phosphate Battery in Power Engineering

SUN Ming1, JIANG Xin-hua2, YU Chong-gan3
(1.North China Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100120, China; 2.Shanghai Aerospace Power Technology.,Ltd., Shanghai 201615, China; 3.Former East China Electric Power design Institute, Shanghai 20000, China)

This article introduces a new-type Lithium iron phosphate battery, i.e. FBL-type Lithium iron phosphate battery in d.c. auxiliary power supply of power engineering，which mainly resolve safety issues caused by the conventional Lithium iron phosphate battery in the long-term floating operation. By analyzing test curve, data, described FBL-type Lithium iron phosphate battery performance characteristics and advantages, and the solved several key technical problems in power engineering application, and submit reference and basis for specification of lithium iron phosphate battery used in power engineering.

FBL-type Lithium Iron phosphate battery; D.C. auxiliary power supply; power engineering.

TV12

B

1671-9913(2017)02-0062-05

2016-09-30

孫茗(1963- )，女，北京人，教授級高工，從事發(fā)電電器二次設(shè)計工作。