浮充式保护型磷酸铁锂电池在电力工程应用

浮充式保护型磷酸铁锂　电池在电力工程应用　孙茗　，蒋新华　，於崇干　（１华北电力设计院有限公司，北京１００１２０；　２上海航天电源公司技术有限责任公司，上海２０１６１５３；３．原华东电力设计院，上海２０００４０）　摘要：本文介绍一种用于电力工程直流电源系统的浮充式保护型磷酸铁锂电池，重点解决常规磷酸铁锂电池在　长期浮充电运行工况下的安全问题。通过试验数据分析，描述了浮充式保护型磷酸铁锂电池的性能特点及优势，　并解决了在电力工程中应用的几个关键技术问题，为规范磷酸铁锂电池在电力工程中的应用提供参考和依据。　关键词：浮充式保护型磷酸铁锂电池；直流电源系统。　中图分类号：ＴＶ１２文献标志码：Ｂ文章编号：１６７１—９９１３（２０１７）０２—００６２—０５　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＦＢＬ—Ｔｙｐｅ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｉｒｏｎ　Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　Ｂａｔｔｅｒｙ　ｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＳＵＮ　Ｍｉｎｇ　，ＪＩＡＮＧ　Ｘｉｎ—ｈｕａ２ＹＵ　Ｃｈｏｎｇ－ｇａｎ　，（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）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：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　ｓｐｅｃｉｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｆｔｈｉｕｍ　ｉｒｏｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＢＬ—ｔｙｐｅ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｉｒｏｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂａｔｔｅｒｙ；Ｄ．Ｃ．ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｐｏｗｅｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　磷酸铁锂电池目前主要应用在汽车、通信、　光伏和风电行业等储能市场，在１１０　ｋＶ变电站　直流电源系统中虽也有少量应用，但还存在关　键技术问题有待解决：　（２）磷酸铁锂电池设计原型是５　ｈ放电率，　原有磷酸铁锂电池的试验数据、曲线等在电力　工程的设计计算中不适用。目前变电站应用磷　酸铁锂电池是套用ＤＬ／Ｔ５０４４规程中铅酸蓄电池　的相关参数。　（１）传统磷酸铁锂电池是频繁充放电的起动　型蓄电池，为适合电力工程要求，需要解决如何　将磷酸铁锂电池从频繁充放电运行方式转变为正　常浮充电运行方式，其安全性问题至关重要。　（３）磷酸铁锂电池内阻远小于铅酸蓄电池，　提供的短路电流值大很多，需要评估该短路电　流对电池本体安全、直流电源系统设计及直流　收稿日期：２０１６—０９—３０　作者简介：孙茗（１９６３一），女，北京人，教授级高工，从事发电电器二次设计工作。　６２－２ｏｌ７年０４月第２期　甘＇ｌ　ａ¨：九＿＿Ｊ＿　设备选择造成的影响。　锂电池在电力工程应用中存在的问题，经过近　本文介绍一种新的磷酸铁锂电池——浮充　三年的持续工作，完成了对ＦＢＬ磷酸铁锂电池　性能的全部试验工作，通过归纳整理、分析研究，　获得一套符合电力工程所需的磷酸铁锂电池数　据、曲线和计算公式，基本涵盖了电力工程直　式保护型磷酸铁锂电池（简称ＦＢＬ磷酸铁锂电　池）在电力工程中的研究应用情况，并对存在　的技术问题提供解决方案。　１　ＦＢＬ磷酸铁锂电池基本原理　因制造和使用条件不同，磷酸铁锂电池组　中各单体电池在特性方面存在差异，若个别单　体电池在浮充工况下长期处于过充状态，不及　时有效控制的话，会对电池电极结构造成永久　损坏，对电池组容量和寿命也会造成很大影响。　常规磷酸铁锂电池是依靠电池管理系统（ＢＭＳ）　实现均衡控制的。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池是一种具有自主均衡功　能的磷酸铁锂电池。自主均衡基本原理是在电　池电解液中添加一定比例的氧化一还原添加剂，　在电池内部建立一种防过充的电化学自我保护　机制，该自主均衡电池能在特定电压下进行定　电流充电，通过内部自主均衡载体的作用，将　电池电压控制在安全范围内，克服了常规磷酸　铁锂电池因ＢＭＳ失效造成的安全隐患。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池还为每个电池模块配置　了电池电压保护装置（ＢＰＤ）。　ＢＰＤ也称被动均衡，是采用基于电路设计　的平衡电路，实现电池电压实时均衡，保证模　块中每只单体电池都能够充满，达到容量均衡。　当电池电压接近设定值时，启动ＢＰＤ保护措施。　ＢＰＤ电压均衡功能仅在充电过程开启，一旦进　入电池放电状态或未充电状态，ＢＰＤ立即关闭　均衡功能。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池是将电池自主均衡功能　和ＢＰＤ被动均衡功能相结合，构成多重保护功　能，可确保磷酸铁锂电池在持续浮充电工况下　的安全运行。　２　ＦＢＬ磷酸铁锂电池性能　磷酸铁锂电池在电力工程应用时，应遵循　现行相关标准和设计原则进行，需要综合考虑　采用磷酸铁锂电池后对电力工程直流电源系统　设计和设备选择的影响，而不仅仅是将铅酸蓄　电池简单更换为磷酸铁锂电池。为解决磷酸铁　流电源系统设计所需的全部电池数据。　２．１基本参数　单体电池额定电压：３．２Ｖ　单体电池浮充电压：３．４０±０．０２　Ｖ　单体电池均充电压：３．４５　Ｖ±０．０２　Ｖ；　单体电池平均放电最低电压：３．０　Ｖ　电池组在线均充电流１．１　。，离线可取１．５　。　电池组核对性放电电流２　。４　ｈ　２．２充电特性　均充电流：在同一放电深度情况下，在相　同充电电压、充电时间以充电电流１．１Ｉ，。、１．３１１。、　１．５１１　进行定电流充电，充入容量基本相同。从　安全角度考虑，均充电流选用１．１／１。。　均充电压：在同一放电深度情况下，在　相同充电电流、充电时间而均充电压分别为　３．４５　ｖ或３．５　ｖ时，充入容量基本相同；对于同　一放电深度后电池充满电所需时间，采用３．４５　ｖ或３．５　Ｖ均充电压的充电时间相差不多。因此　在保证均充要求的前提下，适当降低均充电压　对电池安全运行有利，均充电压选用３．４５　Ｖ。　２．３放电特性　根据试验数据，电池以１．０Ｉ。。～１０／１。放电，　其放电过程中电压比较平稳，当电池电压降至　３．２～３．３　ｖ时，电压下降速度加快；３．０　Ｖ以下，　电压急剧下降，在１　５　ｍｉ１７１之内电压降到　２．５　Ｖ左右。为保证电力工程直流电源系统事故放　电末期蓄电池组出口电压不低于８７．５％Ｕｎ，考虑　到电池电压低于３．０　Ｖ后电压急剧下降特点，确　定ＦＢＬ磷酸铁锂单体电池放电终止电压取３．０　Ｖ。　２．４温度特性　ＦＢＬ磷酸铁锂电池不同温度下的放电容量　曲线见图１。　２０１７年０４月第２期　－Ｉ，＝一一Ｉ５　、　ＦＢＬ磷酸铁锂电池（自主均衡＋被动均衡１　在浮充运行初期各单体电池浮充端电压偏差较　一一　—　／　＿・■＿　，　／　大，浮充运行一段时间，电压较高的单体电池　端电压逐渐下降，电压较低的单体电池端电压　逐渐上升，单体电池端电压偏差明显减少。说　｝ＪｆＪ长期浮充运行状态下，通过被动均衡电路的　．　ｆ　ｆ　／　图１　不同温度下的放电容量曲线　均衡作用使各单体电池电压逐渐接近模块平均　电压，实现单体电池容量均衡。　２．６电池内阻　考虑剑电池安伞及设备选择等因素，磷酸　铁锂电池单体容量不宜太大，目前单体电池容　量多为５０～１００　Ａｈ，１００　Ａｈ以上蓄电池组是　从曲线图的变化趋势米看，环境温度ｌ＇￣ｌｔ，Ｊ－，　ＦＢＬ磷酸铁锂电池放电特性不佳，随着环境温　度升高，电池放出容量逐步增大，３０℃以上温度，　电池放出容量基本稳定，高温特性较好。　经过若＝ｆ＝小容量单体电池串并联构成。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池模块的内阻除包含电池　奉体物理电阻和极化电阻外，还应包含电池并　联连接片电阻值，特别是容量较大的电池组，　连接片电阻值若忽略不计，会对电池组出口短　路电流影响较大。　鉴于日前磷酸铁锂电池内阻测试没有相关　２．５浮充状态端电压　常规磷酸铁锂电池浮充运行状态端电　偏　差曲线见图２。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池浮充运行状态端电压偏　差曲线见图３。　从曲线图可以看到，常规磷酸铁锂电池模　块住浮充运行过程【ｆｌ】，单体电池浮充端电压偏　标准，本次试验采用两种测试方法，即短路试　验法和　二次放电法，５０　Ａｈ单体电池内阻见表ｌ，　Ｊｉ：联、串联连接片电阻见表２。　表１　二种测试方法内阻测试值　差瑟本不变，说明电池模块的不。‘致性无法通　过长期浮充得到改善。　表２并联、串联连接片电阻　单体电池并联后电阻计算公式：　图２常规磷酸铁锂电池浮充运行状态端电压偏差曲线　：　ｈ　——门ｈ　十　’　（１）　、　蓄电池组电阻汁算公式：　ｒｂ＝Ｈ（ｒｈｌ　）　（２）　为电力Ｌ程设计计算提供参考，ＦＢＬ磷酸　铁锂电池组电阻值（部分）见表３。　表３　ＦＢＬ磷酸铁锂电池组电阻值（ｍＱ）　沣匍时鲰ｈｌ　图３　ＦＢＬ磷酸铁锂电池浮充运行状态端电压偏差曲线　６４．２０１７年０４月第２期　－：ｔ　蜩叽＝几＝　．Ｌ　电网设计　浮充式保护型磷酸铁锂电池在电力工程应用　３　ＦＢＬ磷酸铁锂电池应用研究　）｜垂＝ｌ钵　蚕　础嗍　很多，电池电阻及出口短路电流比较表见表４。　３．１浮充电运行设计预期寿命　持续浮充电状态容量衰减趋势图见图４，　基准温度和高温浮充电运行状态容量保持率变　化曲线见图５。　浮兜运行时　年】　图４持续浮充电状态容量衰减趋势图　浮充运行时阗（月）　图５基准温度和高温浮充电运行　状态容量保持率变化曲线　经过样品测试和数据分析，再通过仿真　计算方法推算：ＦＢＬ磷酸铁锂电池浮充电运　行１５年时，预期容量保持率为８６．３％Ｃ　考虑　到环境及计算误差等因素，将ＦＢＬ磷酸铁锂电　池设计预期寿命定为ｌ５年。　３．２电池短时耐受电流　蓄电池组短时耐受电流是指电池本体结构　（包括连接片）能够耐受短路电流大小的能力，　是关系到电池结构性能及电池安全运行的重要　指标。ＦＢＬ磷酸铁锂电池与同容量铅酸蓄电池　相比，因其内阻较小，电池组出口短路电流大　表４电池电阻及出口短路电流比较　容量１００　Ａｈ的ＦＢＬ磷酸铁锂电池短时耐　受电流为３　ｋＡ，工程设计施工需要特别注意：　电池柜与直流柜之间须经过一定长度电缆连接，　使直流母线短路电流值减小到允许值，以保证　电池本体及直流柜上电气设备安全。　３．３电池核容方法　核对性放电试验是判断蓄电池组运行寿命　终止的常用方法。电力工程铅酸蓄电池组采用　１．　。电流持续放电法，放电终止电压取１．８　Ｖ。　该方法整个放电过程长，费时费力，带来时间　成本和人力成本很大，因此运维部门要求缩短　核对性放电试验时间的呼声很高。　根据大电流优越性试验确认，ＦＢＬ磷酸铁　锂电池可采用２．０，ｍ电流持续放电４　ｈ，蓄电池　组出口电压不小于８７．５％Ｕｎ的试验方法进行核　容。个别单体电池电压低于２．５　Ｖ时，应予以更　换。若电池组单体电池平均放电终止电压低于　２．８３　Ｖ时，电池组寿命终止。　３．４　ＦＢＬ磷酸铁锂电池容量计算　按直流规程规定的阶梯计算法计算蓄电池　组容量，需要选用合适的容量换算系数。由于　不同类型的蓄电池容量换算系数都是不相同的，　因此，磷酸铁锂电池容量计算是不能套用铅酸　蓄电池的容量换算系数。但由于没有相关数据，　目前实际工程的磷酸铁锂电池容量选择计算还　是参考直流规程提供的阀控式铅酸蓄电池的容　量换算系数进行保守估算，计算不规范且选用　的磷酸铁锂电池容量偏大。　根据各项试验结果，归纳整理出ＦＢＬ磷酸　铁锂电池与铅酸蓄电池容量换算系数比较表见　表５。　２０１７年０４月第２期　・ｂ　，一广　表５不同类型电池容量换算系数比较　从表５中可知，ＦＢＬ磷酸铁锂电池１　ｒａｉｎ　放电率容量换算系数为阀控式铅酸蓄电池的　４～５倍，１　ｈ放电率容量换算系数约为２倍，　２　ｈ放电率容量换算系数约为１．６倍。这说明　ＦＢＬ磷酸铁锂电池短时大电流放电性能优越，　适合事故初期大电流放电工况。在同等直流负　荷条件下，ＦＢＬ磷酸铁锂电池组计算容量约为　阀控式铅酸蓄电池组容量的（１／２～２／３）Ｃ　４　ＦＩｌＬ磷酸铁锂电池与铅酸电池比较　电力工程用阀控式铅酸蓄电池设计寿命为　ｌＯ年，但因受高温环境影响较大，实际运行寿　命一般仅为５～６年。ＦＢＬ磷酸铁锂电池设计　寿命长，高温特性好，环境适应能力强，电池　运行寿命受环境温度影响较小。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池充、放电时间短，放电　深度８０％，均充电时间可缩短１０　ｈ以上，核对　性放电可缩短４　ｈ及以上，大大减轻了现场维护　人员的工作量，降低了运维成本，该特点深受　用户青睐。　电力工程用阀控式铅酸蓄电池只实时监控　蓄电池电压，没有监控蓄电池容量，当运维管　理不到位时，会出现蓄电池事故放电容量不足　“猝死”现象。而ＦＢＬ磷酸铁锂电池可通过　自主均衡和被动均衡性能实现电池组各单体　电池ＳＯＣ状态一致，保证每个电池容量均充　到１００％。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池体积小、重量轻，与　同容量阀控式铅酸蓄电池相比体积重量约减少　６０％，节省建筑成本。　６６．２０１７年０４月第２期　５　ＦＢＬ．磷酸铁锂电池应用前景　通过对ＦＢＬ磷酸铁锂电池性能的研究、分　析、和试验，提供一套完整的ＦＢＬ磷酸铁锂电　池技术参数、曲线、计算公式等，从而填补了　国内外电力工程用磷酸铁锂电池基础数据的空　白，使得在浮充电状态下的磷酸铁锂电池应用　不再盲目。　对于２２０　ｋＶ及以下变电站直流电源系统，　经过详细验算，ＦＢＬ磷酸铁锂电池可以满足直　流负荷及直流电源系统相关设备选择和保护配　合要求。　对于发电厂来说，ＦＢＬ磷酸铁锂电池可在　单元机组控制用直流电源系统，ＵＰＳ电源以及　辅助车间直流电源成套装置中应用。　对于５００　ｋＶ及以上变电站、发电厂动力用　直流电源系统，因受到ＦＢＬ磷酸铁锂电池容量　的，以及解决直流断路器选择性配合难题，　如何应用还需要进一步研究探讨。　ＦＢＬ磷酸铁锂电池与阀控式铅酸蓄电池相　比，在全生命周期内的综合经济性和技术性能　都具有竞争性，未来具有良好的发展前景。　参考文献：　［１］於崇干，等．浮充式保护型磷酸铁锂电池直流电源　系统【Ｍ】．北京：中国电力出版社２０１６．　［２】王洪，等．磷酸铁锂蓄电池在变电站应用研究与实　践［Ｊ］．电源技术，２０１１，（８）．　［３］ＤＬ／Ｔ　５０４４－－２０１４，电力工程直流电源系统设计技术　规程［Ｓ］．