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編者按：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院的研究人員指出，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的成熟及價(jià)格的下降，有望取代鉛酸蓄電池成為變電站后備電源的首選電池。

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院的研究人員梅成林、趙偉，在2019年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，國(guó)內(nèi)從磷酸鐵鋰電池的浮充性能、磷酸鐵鋰電池浮充性能改進(jìn)以及非浮充式的磷酸鐵鋰電池直流系統(tǒng)等方面研究了磷酸鐵鋰電池在變電站應(yīng)用的可行性，磷酸鐵鋰電池被視為變電站直流電源中鉛酸蓄電池的理想替代品。但是磷酸鐵鋰電池仍然存在不能過(guò)充過(guò)放、一致性差、單體容量小等缺點(diǎn)，使其在變電站的應(yīng)用中存在不可忽視的安全風(fēng)險(xiǎn)。

 

為解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種先串聯(lián)滿足電壓等級(jí)再并聯(lián)滿足容量要求的磷酸鐵鋰電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)各串聯(lián)電池組進(jìn)行獨(dú)立的充電控制，避免過(guò)充電及并聯(lián)電池組的環(huán)流風(fēng)險(xiǎn)，滿足交流失電時(shí)直流母線的無(wú)縫供電要求。

 

蓄電池作為交流中斷后的緊急電源為變電站保護(hù)、控制、事故照明等提供電力，是變電站安全運(yùn)行的保障。目前，大部分變電站采用“免維護(hù)”的閥控式鉛酸蓄電池，從運(yùn)行情況來(lái)看，閥控式鉛酸蓄電池只是不加水，不測(cè)比重，其日常維護(hù)工作量依然大。而且，閥控式鉛酸蓄電池具有對(duì)環(huán)境溫度要求高存在短時(shí)間崩潰風(fēng)險(xiǎn)。

 

與鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池具有更高的額定電壓、可以在同等容量的情況下減少串聯(lián)電池的數(shù)量；具有更好的溫度特性，對(duì)環(huán)境溫度要求降低，隨著磷酸鐵鋰電池性能的進(jìn)一步提升，價(jià)格進(jìn)一步的下降，磷酸鐵鋰電池被視為鉛酸蓄電池的理想替代品。

 

魏增福等人將磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于110kV變電站系統(tǒng)，提出磷酸鐵鋰電池在變電站應(yīng)用需要加裝電池管理系統(tǒng)，對(duì)各單體電池進(jìn)行均衡。鐘國(guó)彬等人研究了磷酸鐵鋰電池組的浮充特性，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池不同于鉛酸電池的浮充電流特性，在浮充電壓大于3.5V時(shí)，浮充電流為0。

 

李晶等人提出了一種非浮充式的變電站直流系統(tǒng)電源，改變傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池在線浮充電運(yùn)行方式，通過(guò)電池管理系統(tǒng)保證磷酸鐵鋰電池不離線以及非浮充的充電控制及保護(hù)，突破鋰電池在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用瓶頸。

 

李瑾等人從性能、購(gòu)置成本、使用維護(hù)成本、安全性和廢棄處理等方面分析了磷酸鐵鋰在變電站系統(tǒng)應(yīng)用可行性，認(rèn)為磷酸鐵鋰電池在變電站應(yīng)用是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

 

盡管磷酸鐵鋰電池有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其不能過(guò)充過(guò)放、一致性差等特性卻是客觀存在的事實(shí)，將其應(yīng)用于變電站作為后備電源還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。本文通過(guò)分析磷酸鐵鋰電池在變電站非浮充應(yīng)用時(shí)的供電可靠性及小容量電池組分組并聯(lián)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，提出基于磷酸鐵鋰電池的直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持。

 

 

磷酸鐵鋰電池是以磷酸鐵鋰作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，把電池正極與負(fù)極隔開(kāi)，鋰離子可以通過(guò)而電子則不能通過(guò)；以碳或石墨作為電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池內(nèi)部充有電解液，外部由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰電池在安全性上相對(duì)鋰錳電池及鋰鎳電池已有極大的提高，但是不具備在變電站進(jìn)行浮充應(yīng)用的條件。

 

制約高容量鋰離子電池在變電站等安全性要求高的場(chǎng)合推廣使用的重要因素是其在過(guò)熱、過(guò)充、過(guò)放、短路、振動(dòng)、擠壓等條件下會(huì)出現(xiàn)著火、爆炸乃至人員受傷等。陳玉紅等人對(duì)鋰離子電池的過(guò)充試驗(yàn)表明在過(guò)充條件下負(fù)極由鋰離子的嵌入反應(yīng)變成鋰金屬在負(fù)極表面的沉積，溶劑被氧化，金屬鋰與溶劑隨著電池溫度的升高發(fā)生反應(yīng)著火，并伴隨著電解液的分解，產(chǎn)生爆炸條件。

 

磷酸鐵鋰電池在變電站通常安裝在專用的電池室內(nèi)，應(yīng)用環(huán)境較好，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱、振動(dòng)、擠壓、短接電池的情況，因此其應(yīng)用安全性的關(guān)鍵在于不能出現(xiàn)過(guò)充及過(guò)放。

 

變電站電池組是由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成，單體之間的不一致性會(huì)導(dǎo)致在充電過(guò)程中各單體的充電電壓存在差距，如果沒(méi)有進(jìn)行任何的均衡措施，單體之間的差異逐漸增大，最終導(dǎo)致個(gè)別單體過(guò)充、溫度過(guò)高等故障，造成整組電池使用壽命縮減，甚至報(bào)廢爆炸等。

 

電池管理系統(tǒng)理論上可以解決磷酸鐵鋰電池在浮充應(yīng)用條件下過(guò)充電問(wèn)題，但是實(shí)際上目前主流的電池管理系統(tǒng)廠家都是采用電阻放電來(lái)避免過(guò)充，在長(zhǎng)期浮充條件下，電池管理系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于發(fā)熱狀態(tài)，反而成為一個(gè)巨大的安全隱患。

 

本文對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電控制，在電池充滿電的情況下進(jìn)行熱備份，既能避免磷酸鐵鋰電池過(guò)充電，同時(shí)又保障磷酸鐵鋰電池履行后備電源的職責(zé)，在交流失電的情況下無(wú)縫對(duì)直流負(fù)載供電。

 

鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域主要是電子器件如相機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦等電池容量較小的場(chǎng)合，對(duì)于電動(dòng)汽車、變電站等大容量高電壓等級(jí)的場(chǎng)合，需要將成百上千電池串并聯(lián)后應(yīng)用，則發(fā)生安全問(wèn)題的概率會(huì)增加，且對(duì)電池的一致性及電池管理系統(tǒng)的要求更高。

 

大容量磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用仍處于起步階段，市場(chǎng)上已成規(guī)?；a(chǎn)的單體容量為50AH，也可以定制100AH及以上更大容量的電池，但是單體容量越大，安全系數(shù)越低。變電站按規(guī)程設(shè)計(jì)單體電池模塊容量一般是在300AH以上，與直接用300AH以上單體串聯(lián)應(yīng)用以及18650或者26650電芯串并聯(lián)應(yīng)用相比，采用性能相對(duì)穩(wěn)定的單體容量為50AH的電池進(jìn)行串并聯(lián)組合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有更高的安全性。

 

 

磷酸鐵鋰電池采用先串聯(lián)成滿足電壓等級(jí)要求的電池組后再進(jìn)行并聯(lián)，由于各電池組直接并聯(lián)存在壓差，會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，本文設(shè)計(jì)的基于磷酸鐵鋰電池的直流系統(tǒng)在各電池組之間增加充電控制回路，獨(dú)立調(diào)整各電池組的充電，并利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，避免環(huán)流的產(chǎn)生，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

本文中，磷酸鐵鋰電池組是由IGBT器件通過(guò)PWM信號(hào)控制充電電壓/電流大小，當(dāng)外部接入的電壓電流過(guò)大時(shí)會(huì)智能調(diào)節(jié)對(duì)磷酸鐵鋰電池的電流輸出，避免大電流充電出現(xiàn)的安全隱患。當(dāng)兩組電池同時(shí)充電時(shí)，端電壓較低的電池組充電電流有增大的趨勢(shì)，控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)IGBT器件的導(dǎo)通速率，降低或停止對(duì)蓄電池組的電流輸入，阻止充電電流進(jìn)一步增大形成的惡性循環(huán)導(dǎo)致蓄電池?fù)p傷，避免充電過(guò)程產(chǎn)生較大的環(huán)流。

 

圖2所示為電池起動(dòng)充電的電流變化曲線，可以看出經(jīng)IGBT器件的控制，電池電流緩慢上升至設(shè)定充電電流，可避免大電流的產(chǎn)生。

 

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

圖2 電池起動(dòng)電流曲線圖

 

通過(guò)IGBT器件控制結(jié)合對(duì)電池組數(shù)據(jù)的采集和判斷，控制磷酸鐵鋰電池在充滿電后斷開(kāi)充電回路，在需要補(bǔ)充充電時(shí)自動(dòng)起動(dòng)充電，不進(jìn)行長(zhǎng)期在線浮充電，避免過(guò)充電對(duì)磷酸鐵鋰電池造成損傷，其充電控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

 

 

單向器件可以滿足交流失電時(shí)，蓄電池組無(wú)任何延遲的對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，還能滿足在非充電過(guò)程中，兩組或多組電池并聯(lián)存在電壓差時(shí)，高電壓蓄電池組與低電壓蓄電池組之間不導(dǎo)通，從而不存在充電回路，避免了環(huán)流現(xiàn)象的產(chǎn)生。二極管并聯(lián)等效電路如圖4所示。

 

圖5為4組并聯(lián)的磷酸鐵鋰電池同時(shí)放電時(shí)的電壓電流變化曲線，可以看出各組電池的電壓電流的變化比較均衡，不存在環(huán)流現(xiàn)象。

 

圖3 充電控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

 

圖4 二極管并聯(lián)等效電路圖

 

圖5 多組電池并聯(lián)放電電流變化曲線

 

 

本文設(shè)計(jì)的先串聯(lián)滿足電壓等級(jí)再并聯(lián)滿足容量要求的磷酸鐵鋰電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于磷酸鐵鋰電池的特性，改變了傳統(tǒng)的電池接線及管理方式。與傳統(tǒng)浮充時(shí)的鉛酸電池相比，本系統(tǒng)方案采用容量堆疊式的設(shè)計(jì)，有利于變電站磷酸鐵鋰電池的容量設(shè)計(jì)。通過(guò)各串聯(lián)電池組進(jìn)行獨(dú)立的充電控制，能夠避免過(guò)充電及并聯(lián)電池組的環(huán)流風(fēng)險(xiǎn)，滿足交流失電時(shí)直流母線的無(wú)縫供電要求。

 

本文的系統(tǒng)方案安全性能得到提高、自動(dòng)化程度增加，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的成熟及價(jià)格的下降，有望取代鉛酸蓄電池成為變電站后備電源的首選電池。

 

原標(biāo)題:磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用安全性分析及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)