后備用磷酸鐵鋰電池組應用特性研究

鄧 磊，吳 鈁，帥驍睿

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

在后備電池領域中，目前鉛酸蓄電池現(xiàn)有市場占比在90%以上，由于鉛酸蓄電池無法滿足后備電池在性能、壽命、維護、綜合成本等方面日益苛刻的要求，高功率密度、高能量密度、長壽命、免維護、低成本的磷酸鐵鋰電池替代鉛酸蓄電池趨勢已明確。磷酸鐵鋰電池用作后備電池的應用技術相對薄弱，潛在的技術問題尚未完全發(fā)現(xiàn)和解決。通信基站領域應用磷酸鐵鋰電池作為后備電池過程中，遇到了電池壽命衰減嚴重、一致性惡化迅速等問題，嚴重影響了后備電源的可靠性，維護周期和使用壽命也低于預期。后備電池的運行工況較為惡劣，其浮充工況與動力電池的循環(huán)充放電工況不同，長期處于恒壓浮充的狀態(tài)，荷電狀態(tài)接近滿電，造成磷酸鐵鋰電池容量衰減加速，單體差異性惡化，并形成惡性循環(huán)[1]。

1 后備電池浮充工況分析

在配備后備電池的供電系統(tǒng)中，一般在電路結構中會存在直流母線，正常供電電源將輸入電制轉(zhuǎn)換成與母線匹配的直流電，負載從母線上取電，后備電池通常直接接入在母線上[2]。對供電系統(tǒng)進行簡化后如圖1 所示，后備電池和正常供電電源、負載共同接入在直流母線上，直流母線電壓為UL。在正常供電工況，正常供電電源輸出電壓穩(wěn)定，母線電壓UL基本恒定，電池處于恒壓浮充狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)下電池的充電電流接近于0；在應急供電工況，正常供電電源故障停機，負載從后備電池取電，母線電壓隨著電池剩余電量的減少而降低。

圖1 配備后備電池的供電系統(tǒng)簡化圖

對電池進行等效電路建模分析，將電池組近似看作為單個電池，采用Thevenin 等效電路模型進行等效(Thevenin 等效電路模型是最具代表性的電池等效電路模型)。如圖2 所示，等效電路模型由電池極化內(nèi)阻Rp、極化電容Cp、歐姆內(nèi)阻R0和理想電壓源E組成，電池端電壓為UL，極化電壓為Up，電池電流為IL，理想電壓源E的電壓為電池開路電壓UOCV，開路電壓UOCV與荷電狀態(tài)SOC為一特定曲線函數(shù)關系，該曲線稱之為開路電壓曲線。單體磷酸鐵鋰電池的開路電壓曲線如圖3所示。

圖2 電池Thevenin等效電路模型

圖3 磷酸鐵鋰單體電池開路電壓曲線

電池端電壓與電流的關系如式(1)，其中極化電壓Up穩(wěn)態(tài)下與電流IL呈正比例關系。

根據(jù)簡化供電電路結構及電池等效電路進行分析，當供電系統(tǒng)由正常供電電源供電時，母線電壓處于恒壓狀態(tài)，電池端電壓UL恒定，起始狀態(tài)下電池荷電狀態(tài)SOC低，開路電壓UOCV低于端電壓UL，則電流IL為負，即電池處于充電狀態(tài)，電池SOC隨著充電進行不斷升高，開路電壓UOCV也隨之升高，因此電流IL不斷變小，UL與UOCV差值不斷縮小，直至相等，此時IL等于0。

與理論分析不同的是，由于電池內(nèi)部存在微弱自放電，UL隨之緩慢降低，因此母線將以極小電流對電池進行充電，由于浮充電壓會受負載和電源影響而上下波動，電池電流會伴隨母線電壓浮動而處于隨機充或放電的狀態(tài)。

2 單體電池浮充試驗

磷酸鐵鋰電池一般充電方法為恒流恒壓充電，即充電器設置恒流值IM和恒壓值UM對電池進行充電，充電時先以電流IM進行恒流充電，當電池電壓升至恒壓值UM時，切換為電壓為UM的恒壓充電，充電電流逐漸減小，當充電電流減小到設定的截止電流值Ie時，充電結束。充電恒流值IM根據(jù)電池規(guī)格要求和應用需求綜合設定，磷酸鐵鋰單體電池的充電恒壓值UM通常為3.65 V。

浮充充電可以看作恒壓恒流充電的恒壓末端，由于浮充充電的過程較長，恒流充電階段充電電流值的大小對浮充穩(wěn)態(tài)階段的影響可以忽略，浮充充電的恒壓值要比3.60 V 要低。

對磷酸鐵鋰單體電池采用特定的恒流恒壓充電方法來測試浮充電壓與容量的關系，其中充電恒壓值UM為浮充電壓UL，截止電流值Ie設置為近似于0 的極小值。本測試選用了202 Ah 的方形硬包磷酸鐵鋰電池樣品3 個，恒流值IM設置為0.2C，即40.4 A，截止電流值Ie設置為0.000 5C，即0.1 A。3個樣本電池編號分別為B1、B2、B3，在20 ℃恒溫箱中進行測試，測試流程為：

(a)容量測試，0.2C、3.60 V 恒流恒壓充電，靜置4 h，0.2C恒流放電至放電截止點，記錄放電容量C，靜置4 h，循環(huán)測試直至前后兩次的放電容量差異小于0.5%，記錄放電容量為C0。

(b)針對某恒壓值UM進行恒流恒壓充電測試，充電完成后對電池進行0.2C恒流放電至放電截止點，靜置4 h，記錄浮充放電容量Cd，進行下一個設置恒壓值UM的測試循環(huán)，直至完成所有恒壓值的測試。

3 個電池樣本均為新出廠電池，測試容量差異較小。試驗設置恒壓值UM在3.30～3.34 V 區(qū)間，每隔10 mV 選取了11個測試點，并在容量變化突變的3.350～3.360 V 區(qū)間間隔2 mV 增加了4個測試點。根據(jù)每個電池對應恒壓值UM測試的C0和Cd數(shù)據(jù)，計算該恒壓值浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)S=Cd/C0×100%，B1、B2、B3 對應的浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)分別為S1、S2、S3，以及三個電池的均值Sm，結果見表1。

表1 浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)測試結果 %

以浮充電壓為橫坐標，浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)平均值為縱坐標，得出磷酸鐵鋰單體電池浮充電壓與浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)曲線，如圖4 所示，從圖和數(shù)據(jù)中可以看出：(1)3.35～3.36 V 區(qū)間電池浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)增長率較高；(2)單體浮充電壓大于3.37 V 時，電池接近于滿電狀態(tài)，浮充電壓大于3.4 V 時，電池基本處于滿電狀態(tài)。

圖4 單體電池浮充電壓與浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)關系圖

3 單體浮充電壓的設定

由應用經(jīng)驗以及相關文獻可知，單體電池的浮充電壓越高，壽命衰減速度越快。從單體電池浮充測試結果可知，浮充電壓大于3.40 V 時容量幾乎沒有增長空間，考慮到電池組電壓一致性問題，因此推薦單體浮充電壓控制在3.40 V 以下區(qū)間。

將浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)相對浮充電壓變化的增長率命名為浮充荷電狀態(tài)敏感度Kn，即浮充電壓增長1 mV 對應的SOC增長值。在浮充電壓3.35～3.40 V 區(qū)間內(nèi)進行計算，Kn=0.001×(Sn－Sn－1)/(UMn－UMn－1)，其中n為按浮充電壓值排序的測試序號。浮充荷電狀態(tài)敏感度曲線如圖5 所示。

圖5 浮充荷電敏感度曲線

從圖中可以看出，浮充電壓在3.36 V 附近時，浮充電壓每增加1 mV，對應的浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)增加約0.6%。浮充電壓從3.36 V 增加到3.37 V 時，對應穩(wěn)態(tài)浮充荷電狀態(tài)增加了約7%。

后備電池組是由多個單體電池串并聯(lián)組成的，當電池組處于恒壓狀態(tài)時，內(nèi)部串聯(lián)的單體電池或者并聯(lián)單元也處于恒壓狀態(tài)，但由于存在單體差異，各自恒壓值不一定相同，因此電池組浮充電壓應留有一定裕量。

考慮到后備電池組浮接在直流母線上，直流母線電壓受負載和電源影響存在大幅波動的可能性，電池可能承受瞬時的大電流充電，而電池在SOC過高時不具備大電流充電能力，根據(jù)磷酸鐵鋰電池充電特性，浮充穩(wěn)態(tài)SOC應低于90%。

綜合考慮，為保證電池的儲能電量最大化、具備瞬時充電的承受能力，并留有一定工程裕量，將單體浮充電壓設定為3.36 V，對應的浮充穩(wěn)態(tài)SOC為87.7%。

4 電池組差異性在浮充工況的影響

電池組的一致性主要體現(xiàn)在單體容量、SOC、充電效率和自放電率上，在初始狀態(tài)下認為容量和SOC完全一致的情況下，在使用過程中一致性會逐步惡化。后備磷酸鐵鋰電池長期處于浮充狀態(tài)，由于浮充狀態(tài)下的充電效率和自放電率存在差異，單體電池的差異性逐步擴大，根據(jù)應用數(shù)據(jù)，相比循環(huán)充放電工況下，浮充工況一致性惡化速度要更快。由于磷酸鐵鋰電池的開路電壓曲線過于平緩，較小的電壓變化引起的SOC變化大，因此電池組常出現(xiàn)單體電壓相近但SOC差異較大的情況，使一致性管控的難度變大。

串聯(lián)電池組中，實際可放電電量由最低可放電容量單體決定，由于電池組總電壓恒定，電壓過高單體必然會引起其他電池電壓過低，串聯(lián)電池數(shù)量越多，單體電壓極差越大，導致電池組的實際可放電電量損失也更嚴重。

以48 V 后備電池組為例，通常由15 個串聯(lián)的單體或者并聯(lián)單元組成，電池組理論上的滿電電壓為54 V(3.6 V×15)，浮充電壓3.36×15=50.4 V。假設電池組處于最惡劣情況，一個電池電壓過高，其他電池電壓相等為Ux，則過壓電池的電壓Um=50.5 V－14×Ux，如果Ux減小1 mV，則Um增加14 mV，經(jīng)過查圖5 的浮充荷電敏感度曲線可得，對應的浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)差異Sd=0.75%/mV×1 mV+0.5%/mV×14 mV=7.75%。

從示例分析中可以看出，極限情況下，1 mV 的單體電壓差異可能造成個別單體電池SOC領先近8%，該領先單體在母線電壓波動時極易造成過壓引起不可逆損傷甚至熱失控。另外，由于領先單體的SOC明顯高于其他單體，該單體在浮充下的壽命衰減速度較其他電池更快，形成差異性擴大的惡性循環(huán)。

5 后備磷酸鐵鋰電池對管理系統(tǒng)的特殊要求

在磷酸鐵鋰電池因機理特性和生產(chǎn)缺陷而個體差異較大的現(xiàn)狀下，一致性的有效管控是后備用磷酸鐵鋰電池組可靠和長壽運行的基礎，對于后備用磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)而言，首先是要準確監(jiān)測到一致性的變化情況，然后有效且迅速地對差異性進行調(diào)整，即對電池管理系統(tǒng)的單體電壓檢測精度和能量均衡能力提出了較高的要求。

市場通用的電池管理系統(tǒng)單體電壓檢測誤差一般在5～10 mV，較為優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)可以達到3 mV 的精度，但對于后備用磷酸鐵鋰電池組而言，1 mV 的差異最高影響SOC差異達0.8%，3 mV 的監(jiān)測精度將導致SOC單體差異最高可達2.4%，遠不能滿足準確評估單體一致性差異的需要。由于單體檢測精度越高，對檢測電路的要求也更高，綜合檢測電路成本和可靠性要求，單體電壓檢測誤差在1 mV 左右可滿足后備磷酸鐵鋰電池對單體一致性檢測的要求。

市場通用電池管理系統(tǒng)普遍采用了電阻耗能式的能量均衡電路。耗能式能量均衡電路受限于耗能電阻散熱能力，一般均衡電流較小，通常在100 mA 左右，只能進行放電均衡[3-4]。對于后備磷酸鐵鋰電池高達數(shù)百Ah 容量而言，100 mA 的調(diào)節(jié)速度太慢，更重要的是耗能均衡對于SOC落后的單體電池沒有調(diào)節(jié)能力。以200 Ah 48 V 電池組為例，假設某單體電壓較其他單體高1 mV，則需要調(diào)節(jié)的SOC最高可達0.8%，即均衡放電電量最高達1.6 Ah，以100 mA 的均衡電流進行調(diào)節(jié)需要16 h 才能完成，如果是某單體電壓較其他單體低1 mV，則需要對其他14 個單體電池進行放電調(diào)節(jié)，由于管理系統(tǒng)散熱要求，需要分時對14 個單體電池放電，均衡速度更慢，且效率更低。因此，根據(jù)電池組容量，需要配備相應的大電流均衡電路，具備充電和放電雙向能量調(diào)節(jié)的能力，實現(xiàn)對電池組差異性的高效調(diào)節(jié)。

6 結語

本文從機理上分析了后備磷酸鐵鋰電池浮充工況的特殊性，通過試驗對后備電池特性進行研究，并結合應用需求，對后備磷酸鐵鋰電池的浮充電壓的設定、單體一致性的影響、電壓檢測精度的要求、一致性調(diào)節(jié)能力的要求進行了詳細闡述。