浮充保護(hù)型磷酸鐵鋰電池在煤礦中的應(yīng)用

齊明輝，王 政，嚴(yán)家明，張建文

（中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116）

根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，煤礦井下需配備必要的應(yīng)急救援設(shè)備，主要包括自救器、礦井救生艙、避難硐室等[1-2]。隨著煤礦開采深度的增加，井下事故救援難度不斷加大，因此井下應(yīng)急避險(xiǎn)設(shè)備得以廣泛應(yīng)用。事故發(fā)生以后可能會造成井下配電系統(tǒng)的供電中斷，此時需要備用電池對應(yīng)急救險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行不間斷的供電。國家相關(guān)規(guī)定要求，井下通訊監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)生事故以后要繼續(xù)保持2 h以上的正常工作，應(yīng)急救生艙和避難硐室則要求后備電池可以提供96 h以上不間斷電力供應(yīng)，以保證井下工作人員的生命安全，為救援贏得必要的時間[3-6]。

由于傳統(tǒng)鋰電池的安全性問題和設(shè)計(jì)特點(diǎn)不適合煤礦井下特殊的運(yùn)行環(huán)境，目前應(yīng)用于煤礦井下的備用電池絕大多數(shù)都是鉛酸電池和鎳氫電池[7]。文獻(xiàn)[8-10]介紹了浮充保護(hù)型磷酸鐵鋰電池在電力儲能領(lǐng)域的應(yīng)用，應(yīng)用情況表明采用鋰電池的儲能系統(tǒng)較鉛酸電池儲能系統(tǒng)有巨大的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢。為此在分析了鉛酸電池和鋰電池特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出將具有浮充保護(hù)的磷酸鐵鋰電池作為備用電池應(yīng)用于煤礦井下。浮充保護(hù)型（FBL）磷酸鐵鋰電池能夠很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋰電池在煤礦井下應(yīng)用時存在的問題，使得鋰電池能夠安全可靠的應(yīng)用于井下復(fù)雜環(huán)境中。

1 FBL磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)

目前，應(yīng)用于煤礦井下的應(yīng)急儲能電池絕大多數(shù)是具有高安全性和耐浮充能力強(qiáng)的閥控式鉛酸蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的比功率較低、占地面積大、對環(huán)境的適應(yīng)能力較差，在相對濕度大的情況下會產(chǎn)生較大的安全問題[10]。同時閥控式鉛酸蓄電池浮充壽命較短，一般只有2～3年的浮充運(yùn)行壽命，因此需要經(jīng)常進(jìn)行更換，這不僅增加了操作的復(fù)雜性，同時還增加了成本。

與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比FBL磷酸鐵鋰電池具有以下特點(diǎn)；①耐浮充運(yùn)行壽命長：FBL磷酸鐵鋰電池的浮充運(yùn)行壽命可達(dá)10年以上[11]；②能量密度高：FBL磷酸鐵鋰電池的能量密度大約是閥控式鉛酸蓄電池的3倍，這意味著同等容量時，電池的體積更小，可以有效地減少占地面積；③無記憶效應(yīng)：FBL磷酸鐵鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)，無論電池當(dāng)前處于何種狀態(tài)，都可以隨充隨用，不需要完整的循環(huán)周期；④充放電特性好：FBL磷酸鐵鋰電池的充電效率高，可以達(dá)到95%以上，可以有效的減少充電損耗。

2 FBL磷酸鐵鋰電池的均衡

2.1 鋰電池自主均衡

鋰電池原型是不適宜浮充電運(yùn)行的，浮充運(yùn)行時容量迅速衰減且安全性能得不到保障，這也是制約磷酸鐵鋰電池在儲能系統(tǒng)中應(yīng)用的主要原因[11]。為了在煤礦應(yīng)急儲能系統(tǒng)中應(yīng)用磷酸鐵鋰電池，需要解決磷酸鐵鋰電池的浮充安全性問題，研究解決如何將磷酸鐵鋰電池從即沖即用型運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換為浮充電的儲能運(yùn)行工況。

FBL磷酸鐵鋰電池是在傳統(tǒng)鋰電池的基礎(chǔ)上添加了自主均衡功能和集成了電池電壓保護(hù)裝置的電池管理系統(tǒng)而成的，通過自主均衡和電池管理系統(tǒng)共同作用實(shí)現(xiàn)了電池組內(nèi)各單體電池之間的均衡，有效防止電池過充，保證了浮充運(yùn)行的安全可靠性能。FBL磷酸鐵鋰電池自主均衡的實(shí)現(xiàn)方式是將一定的氧化還原劑加入到原有的六氟磷酸鋰(LiPF6)電解液中，在單體電池內(nèi)部建立一種防過充的電化學(xué)自我保護(hù)機(jī)制，可以有效解決電池過充造成的安全問題[12]。氧化還原劑不參與電池的正常充放電過程，只有當(dāng)電池電壓超過一定限度，電解液中的還原劑才在電池的正極表面被氧化，氧化產(chǎn)物由于電場的作用而擴(kuò)散到電池負(fù)極又被還原成還原產(chǎn)物，再擴(kuò)散到電池正極繼續(xù)被氧化，整個過程沿氧化—擴(kuò)散—還原—擴(kuò)散不斷循環(huán)進(jìn)行[12]。在充電過程中多余的電量以熱能形式釋放出來，長期自主均衡將會產(chǎn)生的副作用是：電池的外殼溫度上升，可能使外殼發(fā)生膨脹。因此僅采用電池自主均衡，難以解決電池過熱問題，很難達(dá)到長期穩(wěn)定的均衡效果。

2.2 電池管理均衡系統(tǒng)

為了彌補(bǔ)電池自主均衡能力的不足，采用集成了電壓保護(hù)裝置的電池管理系統(tǒng)，對電池進(jìn)一步保護(hù)。只依靠電池的自主均衡，在長期的浮充運(yùn)行工況下可能會導(dǎo)致電池的熱失控，給電池造成不可逆的損傷，甚至產(chǎn)生安全事故[13]。因此需要采用電池管理系統(tǒng)中的均衡控制外電路對電池進(jìn)行均衡。采用簡單可靠地電阻均衡電路，當(dāng)單體電池電壓超過規(guī)定的最大浮充電壓時，均衡電路開啟，對電池進(jìn)行均衡控制[14-15]。利用并聯(lián)電阻將電壓較高的單體電池中的能量進(jìn)行消耗，同時通過對開關(guān)管導(dǎo)通時間的控制，使得各單體電池能夠同時達(dá)到均衡狀態(tài)。為了增加電阻的散熱，采用多個電阻并聯(lián)的方式進(jìn)行均衡控制。均衡控制流程如圖1。

圖1 均衡控制流程圖

電池自主均衡和依靠外電路進(jìn)行的均衡都是將多余電量以熱能的形式釋放出來，長期浮充電運(yùn)行會使電池溫度過高。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中需要采取有效措施對電池進(jìn)行降溫，以達(dá)到安全運(yùn)行的目的。

3 FBL磷酸鐵鋰電池的容量衰減特性分析

通過6節(jié)串聯(lián)FBL磷酸鐵鋰電池的浮充電試驗(yàn)，分析記錄電池容量的變化情況，并對電池容量衰減和壽命進(jìn)行預(yù)測。每節(jié)電池的額定容量為7.8 Ah，額定電壓為3.6 V。FBL磷酸鐵鋰電池對環(huán)境溫度的適應(yīng)性能好，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)安全運(yùn)行。不同溫度下的FBL磷酸鐵鋰電池的容量曲線如圖2。由圖2可以看出，電池放電量隨著溫度的升高而增大，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬铣鲱~定容量，這是由于電池的化學(xué)性能完全被激活而引起的，電池在最初的循環(huán)過程中放電容量大于額定容量。不同溫度下電池浮充電運(yùn)行時的容量衰減速度也有很大差異，電池在不同溫度浮充電運(yùn)行時的容量衰減曲線圖如圖3，20°C時FBL磷酸鐵鋰電池的放電容量測試數(shù)據(jù)見表1。

圖2 電池容量隨溫度的變化曲線

圖3 不同溫度時的浮充衰減曲線

表1 浮充運(yùn)行時電池容量的變化

電池剩余容量隨浮充運(yùn)行時間的變化規(guī)律如圖4，從圖4可以看出在第1年電池的容量衰減率約為6%，從第22個月開始電池的容量衰減幅度逐漸縮小。這主要是因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)基本達(dá)到了平衡，電池的自放電電流和浮充電電流基本抵消。

圖4 浮充運(yùn)行時電池容量的變化趨勢

通過分析采集到的數(shù)據(jù)，對電池的容量衰減規(guī)律進(jìn)行仿真預(yù)測，電池容量衰減的預(yù)測數(shù)據(jù)見表2。分析預(yù)測結(jié)果表明，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池的浮充運(yùn)行壽命可以達(dá)到15年以上。但是，仿真預(yù)測結(jié)果并沒有考慮煤礦井下嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境影響，因此預(yù)測結(jié)果偏大?？紤]到仿真預(yù)測誤差和電池運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池預(yù)期實(shí)際壽命約為12年。浮充電運(yùn)行狀態(tài)容量衰減趨勢圖如圖5。

由以上分析可知，F(xiàn)BL磷酸鐵鋰電池的浮充壽命可達(dá)10年以上，可以有效地解決鉛酸蓄電池需要經(jīng)常更換而帶來的不便?？紤]到礦井下嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境，在實(shí)際應(yīng)用中要采取適當(dāng)?shù)姆辣胧?。FBL磷酸鐵鋰電池雖然具有很好的耐浮充和防爆性能，但相較于鉛酸蓄電池安全性仍會有所降低，所以在煤礦井下應(yīng)用時需要加裝防爆外殼，以增加安全性。

圖5 電池壽命預(yù)測曲線

4 結(jié)語

FBL磷酸鐵鋰電池通過電池的自主均衡和外加均衡電路，解決了傳統(tǒng)鋰電池不能運(yùn)行于浮充工況的缺點(diǎn)。試驗(yàn)測試結(jié)果表明采用FBL磷酸鐵鋰電池的容量保持性能優(yōu)越、浮充運(yùn)行壽命長，可以適用于需要長期浮充電運(yùn)行的儲能系統(tǒng)，是一種很好的閥控式鉛酸蓄電池的替代產(chǎn)品。