磷酸鐵鋰電池在變電站直流電源系統(tǒng)應用的安全性分析

國網山東省電力公司經濟技術研究院 王一蒙 邵淑燕 張立楊 王 鵬 李 迅 葉 涵 劉菲菲 王志偉

為剩余電流斷路器分合閘、分離控制器、繼電維護設備、測控裝置、電力、通信、不間斷供電系統(tǒng)等一次、二次設備提供健康準確的工作用電，在站用交流電已停止使用的情形下，將蓄電池作后備用電繼續(xù)為重要機器設備提供直流電，而蓄電池管理系統(tǒng)裝置選型的科學技術合理、信息安全與準確程度，危害到變壓器內直流電源控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。磷酸鐵鋰電池是在20世紀90年代興起的高容量可充電電池，優(yōu)點是可貯存更多的電量且能源比大，但由于運行安全顧慮在變電站中應用還不廣泛[1]。

1 變電站電池使用現狀分析.

目前，變電站直流電源系統(tǒng)廣泛采用的蓄電池主要是閥控式鉛酸電池，鉛酸蓄電池具有技術成熟、性能穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點，但仍存在壽命短、維護工作量大、環(huán)境污染等諸多缺點，所以并不能完全適應變電站直流系統(tǒng)的運行環(huán)境，主要表現為以下方面。

變電站環(huán)境溫度較高。變電站環(huán)境因素對電池的高溫性能要求較高，但實驗證明鉛酸蓄電池的耐高溫性能并不高，當環(huán)境溫度從27℃降至-40℃時，HF-130型鉛酸蓄電池的平均容量會減少到原來的1/3左右；當環(huán)境溫度大于40℃時，溫度每升高10℃電池壽命便降低1/2。DL/T 742- 2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程》建議，閥型鉛酸蓄電池室的環(huán)境溫度應盡可能保持在5～35℃之間，這顯然不符合變電站的環(huán)境溫度要求。

工作狀態(tài)對電池性能影響較大。變電站用直流系統(tǒng)中的蓄電池長期處于浮充的狀態(tài)，即只充電不放電，這會導致鉛酸蓄電池的陽極極板鈍化，從而使蓄電池內阻增加、容量大幅下降，嚴重的影響了蓄電池的使用壽命；檢修、維護要求嚴格。國家電網公司《國網直流電源系統(tǒng)設備檢修規(guī)范》5.13規(guī)定，對閥控式密封鉛酸蓄電池應每年至少檢查1次，檢查項目包括端電壓、內阻、溫度和外觀4個大項12個小項。

電池使用中存在安全隱患。在變電站的正常運行中存在電池使用安全隱患，在電池容量已不足情況下，閥控式鉛酸蓄電池在浮充的狀態(tài)下，端電壓仍會顯示處于正常狀態(tài)、不會出現異常顯示，但一旦站用交流失電或意外低電壓，電池有可能短時間內崩潰；產生環(huán)境污染。在變電站生產運行及報廢過程中，電池會造成一定的重金屬污染。

2 磷酸鐵鋰電池

2.1 電池組成

磷酸鐵鋰電池的主體構成包括水平方位、負極、橫膈膜、電解液介質和鋰離子電池機殼等構成。其正負極一般是由活性塑料、導電物和黏結物等構成。電解質水溶料則一般是由鋰鹽直接溶化于有機介質中，再加上一個或多個的功能化學添加劑等構成。目前鋰離子電池的涂層較多使用聚烯烴涂層，一般包括了聚乙烷(PE)和聚丙烯(PP)的微孔涂層，但也有小部分使用了無紡布隔膜或其他類型涂層。隔膜本身也是電子絕緣的，能防止正負極直接碰撞，也防止了鋰離子電池內部產生短路；且由于薄層中還存在著很多小孔，所以這種微孔能夠儲存大量電解液，并作為鋰離子電池信息傳遞的重要媒介。磷酸鐵鋰電池LiFePO4為正極材料，石墨為負極材料[2]。

2.2 工作原理

動力電池充滿時，Li+從磷酸鐵鋰材質中轉移到晶格表面上，從正極板材中分離后，在電荷力的影響下先進入電解液、再經過電阻層，并經過酸性電解質水溶液轉移到負極石墨晶體的表層，進而植入負極石墨材質中。與此同時，電子流經過正極的金屬鋁箔，再經水平方位耳、正極料柱、負載、負極柱、負極料耳等流入負極的銅箔電極，然后再經導體流到多層石墨負極，從而使負極材料的電荷獲得均衡。

充電時的電極反應為：負極C+Li++e-=LiC，正極LiFePo4=FePo4+Li++e-， 總反應C+LiFePO4=FePO4+LiC。電池放電時Li+從石墨晶體中脫嵌出來進入電解質，穿過隔膜，再經電解質遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的材料中。與此同時，電子經導體流向負極的銅箔電極，經負極耳、負極柱、負載、正極柱、正極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經導體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達到平衡。

放電時的電極反應為：負極LiC=C+Li++e-，正極FePO4+Li++e-=LiFePO4，總反應FePO4+LiC=C+liFePO4。所以磷酸鐵鋰電池的基本原理，就是在充、放電過程中，對應的鋰離子在正負極之間來回地嵌脫，完成對負載的供電。

2.3 磷酸鐵鋰電池充放電方式

2.3.1 間歇式充電方式

恒流-限壓滿足階段(T1)：在此階段中滿足電流范圍基本維持恒定不變，但電流輸出范圍逐漸擴大，至動力電池的最大電壓輸入值或電池組端電壓達到或接近所標準的最大電壓輸入值以后，完成了此階段滿足；恒壓-限流充滿階段(T2)：在此階段中，最佳充滿電流限定在容許充滿電流區(qū)域內，當動力電池的最佳壓力低于設定值后，充滿電流自動下降，當最佳充滿電流降低至規(guī)定值后，終止充滿。

動能電池組開路靜置階段(T3)：在動能電池組圓滿完成全部恒流-恒壓充滿操作流程后，動能電池組由BMS 控制系統(tǒng)加入到充滿操作回路開路低溫靜置狀況，以及時檢測電源控制系統(tǒng)的直流電壓及輸入輸出端直流電壓輸入，并保證放流控制電路正常接通，但一旦交換電中斷，則BMS 要能保證動力電池組無延時加入到電池釋放狀況。

間歇式補足電階段(T4)：將動力電池組的補充充電回路保持在開路或靜置狀況，直至電源容量逐漸下降到電池組充滿極限電壓起始容積的90～95%SOC 時，再由BMS 調節(jié)動力電池組再次加入補電狀況，但補電方法仍遵循傳統(tǒng)恒流-恒壓補償方法；電池組釋放過程(T5)：動力電池組按照負荷狀況供給電能，但在動力電池的極限電壓或電池組端電壓超過終止電流時會終止釋放。

2.3.2 連續(xù)在線浮充與電池電壓均衡充電方式

連續(xù)的浮充模式。即恒流-恒壓充，將動力電池組串聯(lián)于供電體系的直流輸出側，由充滿控制器針對各動力電池的負載執(zhí)行充滿管理，同時調節(jié)電池電流與電池組的充滿壓力以達到充滿控制電壓要求，直至每個電池均滿電；電池電壓的均衡充電方法?？尚拚诖?lián)電池組中因電池本身工藝不同產生的電流離散程度，以防止個別電池由于過充或欠充而造成電池特性變差或損壞狀況的出現，使整個電池電壓差異都在一定的合理范圍內。

2.4 磷酸鐵鋰電池的特性

安全性較高。磷酸鐵鋰電池具有較高的安全性，201所通過對電池的過充、過放、短路、跌落、加熱、擠壓和針刺實驗，證明磷酸鐵鋰安全性較高，在這一系列實驗操作過程中并未出現爆炸、起火現象；高溫性能好。在實驗中把溫度從45℃升高到65℃，磷酸鐵鋰電池的電壓始終能夠保持在3.2V。廣東精進能源有限公司也對磷酸鐵鋰電池溫度性能做過實驗，實驗證明磷酸鐵鋰電池的實用放電溫度范圍可達-10℃～55℃；環(huán)保性較高。磷酸鐵鋰電池具有較高的環(huán)保性，電池內沒有稀有金屬與重金屬成分，在整個生產過程中都是無污染的，在運行、報廢時也不會產生任何有毒、有害物質，是一種綠色環(huán)保電池。

能量密度大。磷酸鐵鋰電池體積僅為相同容量鉛酸蓄電池的2/3，比氫鎳電池體積還小。質量也僅為相同容量鉛酸蓄電池的1/3、氫鎳電池的2/3左右，因此磷酸鐵鋰電池的能量密度比較大；使用壽命長。201所使用壽命實驗測試中顯示，500次循環(huán)后磷酸鐵鋰蓄電池的容量仍保持了額定容量的98.4%。磷酸鐵鋰蓄電池1C 充放循環(huán)壽命一般產品達2000次，而最多可達5000次，理論壽命長達10a。

3 磷酸鐵鋰電池存在的安全問題

磷酸鐵鋰電池位于開路狀態(tài)時，由于電池的電極電流處于平衡狀態(tài)，電池二端的感應電動勢就成為了均衡電動勢。在電池充放電時間，隨著電壓的變化經過所產生電流的電動勢偏離了平衡數值，這個現象就叫做極化，其也會對磷酸鐵鋰電池的容量形成很大負面影響。

電極間產生的過電位會妨礙充電電流增大，從而降低電化學的反應速率，從而拉長了充電時間，減低充電效果；極化會使電池的電解液迅速溶解，形成大量廢氣，其不但會延緩動力電池的充滿速率，還會對極板形成強烈的侵蝕效果；電解液分解后會產生大量熱能，使電池工作的溫度增加。如氣溫上升到一定程度就會引起極板的受熱變化，嚴重時候甚至會導致爆裂。

磷酸鐵鎳氫電池晶格內部結構中P-O 鍵很穩(wěn)定且不易溶解，即便在高熱或過充時也沒有因為內部結構的破裂加熱或產生過強抗氧化產物，所以有著優(yōu)異的穩(wěn)定性。

在實際工作中，針刺或短路試驗中發(fā)現有小部分的試樣發(fā)生了爆炸現象，但并未發(fā)生大爆炸事件，在過充試驗中采用了大大高于自身放電電壓倍數的超高電壓充電，但發(fā)現仍然有自爆現象。因此，磷酸鐵鋰電池在變電站運行時需對電池充放電過程進行監(jiān)控，在出現過充過放時及時停止，同時在監(jiān)控失效時站內具有完備的消防滅火措施。

4 磷酸鐵鋰電池安全措施及準備

具備完善的強檢報告。要求磷酸鐵鋰電池電芯過放電、過充電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、溫度循環(huán)、低氣壓等強檢測試時未爆炸、未起火；電池管理系統(tǒng)具備完善保護功能。電池管理系統(tǒng)（BMS）能精確估測動能電池組的荷電狀態(tài)（SOC），并確保SOC 維持在合適的范圍內，以避免過充及過放電對電池的損害。

動態(tài)監(jiān)測燃料電池組的工作狀況，即時收集各筆動力電池組的極端電壓和工作溫度、充釋放電流和總電壓。能適時準確地提供力量電池狀況，并挑出有問題的力量電池，以保證整組力量燃料電池工作的安全與高效。對蓄燃料電池實現過充、過溫的維護管理工作，有效斷開充電系統(tǒng)回路或者調整充滿機的出口電流，以保證磷酸鐵鋰燃料電池安全工作。

電池充電、放電回路需獨立。調研目前各廠家磷酸鐵鋰電池內部接線圖，其中磷酸鐵鋰電池充電回路、放電回路獨立，且運行過程中放電回路原則上一直閉合，充電回路根據充放電不同階段進行斷開閉合操作。充電回路的斷開閉合操作完全受電池管理系統(tǒng)BMS 控制，放電回路在過充狀態(tài)下受BMS 控制斷開。因此BMS 控制的穩(wěn)定性、準確性直接決定了磷酸鐵鋰電池組運行的安全性。

圖1 磷酸鐵鋰電池充放電回路接線圖

需與現有高頻開關電源進行適配。實際工程中，若將現有鉛酸蓄電池更換為磷酸鐵鋰電池且不更換現有高頻開關電源，磷酸鐵鋰電池需與高頻開關電源進行適配。由于原有高頻開關電源電壓電流均根據鉛酸電池均充浮充狀態(tài)進行設置，更換磷酸鐵鋰電池后需對高頻開關電源電池充電電壓電流重新進行設置[3]。通常對高頻開關電源模塊充電參數調整，以16節(jié)48V 磷酸鐵鋰電池包為例，其參數調整為：浮充電壓54.4V、均充電壓56.8V、均充電流20A、浮充轉均充周期90天。

具備安全防爆措施。電池組箱體內安裝獨立的熱感應氣溶膠或七氟丙烷管，實現對電池組的自動滅火功能，滿足全天候便攜式發(fā)電裝置的防火要求。電池組箱體設置防爆閥，保證特殊情況出現時通過防爆閥避免爆炸；蓄電池室滿足消防規(guī)程要求。根據DL 5027-2015《電力設備典型消防規(guī)程》10.6.2鋰電池應設置在專用房間內，建筑面積小于200m2時應設置干粉滅火器和消防砂箱。

綜上，隨著近幾年磷酸鐵鋰電池在國內的飛速發(fā)展，磷酸鐵鋰電池造價快速逼近鉛酸電池，由于磷酸鐵鋰電池先天在能量密度、節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)勢，同時在國網公司全面推進輸變電工程綠色建造的倡導下，使得其在變電站直流電源系統(tǒng)中的應用成為可能。