磷酸鐵鋰電池故障保護(hù)方法研究

劉懷照，荊鑠鈞，鄒乃佳，王文博，張躍偉，朱起航

應(yīng)用研究

磷酸鐵鋰電池故障保護(hù)方法研究

劉懷照，荊鑠鈞，鄒乃佳，王文博，張躍偉，朱起航

（許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

為保障磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)常見故障機(jī)理，及現(xiàn)有保護(hù)機(jī)制薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析。并設(shè)計(jì)歸納出一套暫態(tài)保護(hù)邏輯，使用運(yùn)行曲線耦合的方式，實(shí)現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護(hù)，能有效提高電池系統(tǒng)保護(hù)的靈敏性和速動性。

磷酸鐵鋰電池 保護(hù)設(shè)計(jì) 安全運(yùn)行

0 引言

儲能技術(shù)按其具體方式可分為機(jī)械儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、電磁儲能（超級電容器、超導(dǎo)電磁儲能等）和電化學(xué)儲能（鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等）等[1]。其中以磷酸鐵鋰電池為主的電化學(xué)儲能系統(tǒng)近年來得到了迅速發(fā)展及工程應(yīng)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于每個磷酸鐵鋰電池單體的生產(chǎn)工藝、使用條件存在差異，單體性能和參數(shù)并不完全一致，使得電池單體的運(yùn)行容量存在偏差。而電池系統(tǒng)由成百上千的電池單體組成，大型化和成組化更加放大了運(yùn)行偏差，使得電池系統(tǒng)的電、熱特性變得復(fù)雜，增加了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率。

為了維持電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電池系統(tǒng)一般配置相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)對電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、保護(hù)?，F(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)多采用設(shè)定固定保護(hù)閾值方式進(jìn)行保護(hù)，但是現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)顆粒度大，無法實(shí)現(xiàn)對電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護(hù)。并且電池管理系統(tǒng)運(yùn)行相對獨(dú)立，缺少與其他系統(tǒng)的雙向保護(hù)聯(lián)動。

因此本文對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)現(xiàn)有保護(hù)機(jī)制進(jìn)行分析，針對其薄弱點(diǎn)提出磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)保護(hù)思路，并設(shè)計(jì)一套磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)邏輯。

1 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)常見故障機(jī)理

磷酸鐵鋰電池電、熱、老化動態(tài)行為具有明顯的非線性耦合特點(diǎn)，電池的成組化和大型化使得系統(tǒng)的行為特性變得更加復(fù)雜，加之大規(guī)模磷酸鐵鋰儲能電站中電池艙內(nèi)部各系統(tǒng)設(shè)備種類繁多，存在類型復(fù)雜、數(shù)量大、對外接口不統(tǒng)一、設(shè)備狀態(tài)各異等特點(diǎn)，設(shè)備間相互兼容困難，難以實(shí)現(xiàn)電池的統(tǒng)一監(jiān)管、調(diào)度和運(yùn)維。根據(jù)目前磷酸鐵鋰儲能電站運(yùn)行情況，磷酸鐵鋰電池常見故障多出現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行過程，并且故障特征多反饋在溫度和電壓。相對于電池單體，集成后的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更容易出現(xiàn)故障。常見的故障誘因如下：

1）電池電壓及健康狀態(tài)告警

電池系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，需要保證電池間電壓基本一致。當(dāng)電池組內(nèi)部出現(xiàn)不一致時，會因故障電池更早到達(dá)電壓保護(hù)閾值，使系統(tǒng)較早停止運(yùn)行，導(dǎo)致電池系統(tǒng)無法按照設(shè)定容量進(jìn)行充放，影響系統(tǒng)使用。此類問題經(jīng)常見于電池系統(tǒng)長期運(yùn)行后，各電池單體間出現(xiàn)容量差異。

2）電池溫度告警

電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中，會持續(xù)產(chǎn)生熱量，熱量累積過多，會使電池內(nèi)部反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)趨于失控，但如果電池溫度過低，還會影響電池內(nèi)部活性，降低電池輸出功率，影響正常運(yùn)行，因此，電池系統(tǒng)通常會配備如空調(diào)之類的溫度調(diào)節(jié)設(shè)備來改善電池系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。但受限于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及溫度響應(yīng)點(diǎn)規(guī)劃等因素，會使電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度出現(xiàn)兩極分化的趨勢，部分高溫電池組受限于其他低溫電池組，無法正常通過電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)、制冷降溫操作，反之亦然，從而加重電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度異常。

此外，電池系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時，也會因內(nèi)部劇烈的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，也會反映為電池溫度過高或溫升過快，常見的熱失控因素有電池內(nèi)部短路等。

2 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)現(xiàn)行保護(hù)缺陷

目前磷酸鐵鋰電池常使用電池管理系統(tǒng)作為保護(hù)裝置，電池管理系統(tǒng)的主要原理是：采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括單體電壓、充放電電流、溫度等數(shù)據(jù)，對當(dāng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合電池前一個狀態(tài)信息得到當(dāng)前狀態(tài)信息，電池狀態(tài)信息主要包括SOC、SOH、故障狀態(tài)、熱管理狀態(tài)等[2]。但該裝置集采樣、存儲、保護(hù)控制等多重功能于一身，使得其無法專注于分析電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。電池的電壓和電流通過采集線束上送至電池管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過與設(shè)定閾值進(jìn)行比對，判斷當(dāng)前電池運(yùn)行狀態(tài)是否正常，因此，現(xiàn)行保護(hù)存在以下缺陷。

1）缺少設(shè)備間雙向聯(lián)動

由于電池系統(tǒng)的保護(hù)邏輯涉及多種設(shè)備，不同設(shè)備間缺乏必要的信息雙向聯(lián)動及故障風(fēng)險(xiǎn)共享機(jī)制，使得電池系統(tǒng)保護(hù)邏輯固定、呆板。當(dāng)設(shè)備間進(jìn)行必要聯(lián)動時，也會因響應(yīng)延遲，導(dǎo)致故障失控程度增加。

例如電池系統(tǒng)配套的消防系統(tǒng)，通常獨(dú)立運(yùn)行于電池管理系統(tǒng)外。僅通過自身下屬的消防探頭進(jìn)行采樣、判別，只會在必要時向電池管理系統(tǒng)傳遞消防啟動和二級告警保護(hù)，而電池系統(tǒng)一旦出現(xiàn)熱失控風(fēng)險(xiǎn)時，電池溫度雖然會急劇上升，但是要想觸發(fā)消防探頭，需要監(jiān)測到周圍環(huán)境溫度過高，或監(jiān)測到電池?zé)崾Э馗狈磻?yīng)產(chǎn)氣等，然而發(fā)展到該階段時，電池內(nèi)部鏈?zhǔn)椒磻?yīng)已經(jīng)產(chǎn)生，單體熱失控已不可逆[3]。

2）數(shù)據(jù)存儲顆粒度大，存儲空間不獨(dú)立

電池管理系統(tǒng)會按照設(shè)定時間，定期存儲運(yùn)行數(shù)據(jù)，此法記錄的數(shù)據(jù)，相較于運(yùn)行曲線，顆粒度大，無法確定數(shù)據(jù)瞬時變化率，同時無法準(zhǔn)確記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)的波動程度。

現(xiàn)有的電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)往往放置于艙內(nèi)，當(dāng)事故發(fā)生后，裝置會伴隨磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的損壞，致使故障數(shù)據(jù)遺失，影響后續(xù)事故分析，而保留在后臺監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顆粒度太大（分鐘級），關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失，無法分析故障發(fā)生的點(diǎn)位、時間等，也就無法還原故障情況。

3）保護(hù)閾值固定

電池管理系統(tǒng)對鋰電池的充放電控制閾值初始值設(shè)定無法更迭，電池老化后對電池狀態(tài)估算出現(xiàn)偏差，電池壽命縮短，對電池老化出現(xiàn)異常的診斷缺乏等[4]。因此，為穩(wěn)定電池系統(tǒng)運(yùn)行，避免局部電池過充、過放，應(yīng)當(dāng)根據(jù)運(yùn)行情況，及時調(diào)整保護(hù)閾值，避免電池系統(tǒng)超出平臺期。

4）無法準(zhǔn)確區(qū)分電池?cái)?shù)據(jù)正確性

當(dāng)電池系統(tǒng)溫度或電壓出現(xiàn)驟然增長的情況時，一般需要區(qū)分是電池處于運(yùn)行末期、采樣值跳變還是電池出現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。而現(xiàn)有的保護(hù)邏輯，僅計(jì)算電池單位時間內(nèi)的變化差值，但是計(jì)算過程必然存在延遲，并且無法準(zhǔn)確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)異常點(diǎn)，往往會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行受限于某一異常數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的兼容性。

3 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)思路

為保證磷酸鐵鋰電池在系統(tǒng)應(yīng)用中安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要在現(xiàn)有保護(hù)邏輯基礎(chǔ)上，增加預(yù)防性保護(hù)邏輯，即電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)，以便在電池系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、溫度偏差時，及時預(yù)警，并聯(lián)動艙內(nèi)保護(hù)裝置，快速靈敏地切斷故障源，降低磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)。

1）提高與消防系統(tǒng)的聯(lián)動程度

熱失控防控應(yīng)秉持預(yù)防為主、滅火為輔的設(shè)計(jì)理念。將電池系統(tǒng)溫升變化信號接入電池消防系統(tǒng)，作為滅火介質(zhì)的啟用判據(jù)之一。以便快速啟用滅火介質(zhì)，及早遏制電池系統(tǒng)內(nèi)部氧氣含量，降低熱失控?cái)U(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)，及故障規(guī)模。同時也可以使用溫升變化作為保護(hù)鎖，避免消防主機(jī)誤動。

2）權(quán)能拆分，設(shè)立獨(dú)立的分析保護(hù)模塊

將電池?cái)?shù)據(jù)收集、存儲功能和電池保護(hù)功能進(jìn)行拆分，將監(jiān)視與保護(hù)權(quán)限下放，在更小的電池單位，例如電池簇，對電池系統(tǒng)進(jìn)行深度監(jiān)護(hù)管理，同時為保護(hù)運(yùn)行數(shù)據(jù)完整，數(shù)據(jù)存儲裝置放置于電池系統(tǒng)外部。

3）調(diào)整保護(hù)響應(yīng)條件

采用運(yùn)行曲線耦合的方式，取代傳統(tǒng)的使用固定保護(hù)閾值的方式，以實(shí)時預(yù)判電池運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。即通過對電池運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控，測定運(yùn)行曲線，當(dāng)電池運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時，能快速進(jìn)行報(bào)警及暫態(tài)保護(hù)。同時定期在電池容量出現(xiàn)一定程度下滑時，自行重新進(jìn)行測定運(yùn)行曲線。此外使保護(hù)閾值動態(tài)化，更能精確區(qū)分電池當(dāng)前是處于故障臨界點(diǎn)、充放電末期，亦或是采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

此外磷酸鐵鋰電池在絕熱環(huán)境下的熱失控過程可以明顯地分為自發(fā)熱階段（溫升速率≥0.02℃/min）和熱失控階段（溫升速率≥1℃/min，或稱自加熱狀態(tài)）[5]，因此可以考慮使用變化率作為保護(hù)參考值。

4 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)邏輯

根據(jù)上述思路，針對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套暫態(tài)保護(hù)邏輯。主體以運(yùn)行曲線作為保護(hù)閾值界定標(biāo)準(zhǔn)，以電壓或溫度的變化率作為保護(hù)判別條件，以實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護(hù)，提高響應(yīng)電池保護(hù)的速動性。

1）根據(jù)電池系統(tǒng)平均運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)電壓和溫度保護(hù)閾值，其中{U}為電壓數(shù)據(jù)偏移限制值，{U}為電池分布偏移限制值，U為臨近電池電壓均值，為電壓實(shí)際值，為電壓數(shù)據(jù)偏移值，上述單位均為mV；{T}為溫度數(shù)據(jù)偏移限制值，t為溫度保護(hù)時限值，為溫度數(shù)據(jù)偏移值，上述單位均為℃；為溫度保護(hù)生效計(jì)時，單位為s。

2）根據(jù)電池系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，制定電池電壓及溫度的模板曲線。

3）將儲能電池系統(tǒng)投入運(yùn)行，持續(xù)監(jiān)測電池電壓和溫度，并生成相應(yīng)的溫度和電壓運(yùn)行實(shí)時曲線。

4）當(dāng)監(jiān)測到電池電壓運(yùn)行曲線與模板曲線偏移量不屬于{U}時，計(jì)算電壓實(shí)際值和臨近電池電壓均值的差值-U。若差值屬于{U},則正常停機(jī)。若不屬于，則需要檢查溫度數(shù)據(jù)偏移量是否屬于限定值{T}。若屬于則輸出熱失控風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號至消防系統(tǒng)，反之則判定該點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)異常。

5）當(dāng)監(jiān)測到電池溫度運(yùn)行曲線與模板曲線偏移量不屬于{T}時，啟動空調(diào)進(jìn)行制冷，并開始記錄溫度保護(hù)生效計(jì)時。當(dāng)溫度保護(hù)生效計(jì)時≥t時，系統(tǒng)將判定空調(diào)系統(tǒng)制熱失效，自動停止運(yùn)行。

圖1 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)邏輯

5 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有磷酸鐵鋰系統(tǒng)保護(hù)原理進(jìn)行了分析，并針對其薄弱環(huán)節(jié)制定了保護(hù)策略，提出了使用運(yùn)行曲線耦合的方式實(shí)現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池安全運(yùn)行的暫態(tài)保護(hù)策略。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上，對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)運(yùn)行曲線波動性進(jìn)行研究，使運(yùn)行曲線檢驗(yàn)更加靈敏。

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Research on fault protection method of lithium iron phosphate battery

Liu Huaizhao, Jing Shuojun, Wang Wenbo, Zhang Yuewei, Zhu Qihang

（Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan, China)

TM912

A

1003-4862（2023）12-0059-03

2023-06-09

劉懷照（1982-），男，工程師。主要從事儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：hzhliu2006@126.com