磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用研究

蘇 適 王增新

(1.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650217;2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站)

1 前言

為了提高電網(wǎng)效率、穩(wěn)定性，早已將鉛酸電池引入電網(wǎng)中作為儲(chǔ)能裝置，但由于鉛酸電池自身的短壽命，充放電倍率小等原因，一直無(wú)法滿足電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的要求。隨著電池行業(yè)研究的深入，出現(xiàn)的磷酸鐵鋰電池因其壽命長(zhǎng)、安全性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為儲(chǔ)能裝置的理想選擇［1－7］。

2 蓄電池性能比較

表1 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池與其他動(dòng)力電池對(duì)比

磷酸鐵鋰電池與其他動(dòng)力電池相比，循環(huán)壽命長(zhǎng)出4倍，比能量也高很多，單體電壓也是電池中最高的，安全環(huán)保，但是由于材料和生產(chǎn)技術(shù)的原因，其成本較高，不過(guò)磷酸鐵鋰電池在鋰離子電池中成本是較低的。

表2 不同材料鋰離子電池性能比較

3 磷酸鐵鋰電池性能

圖1 電池容量－時(shí)間衰減曲線

圖2 電池容量－溫度關(guān)系曲線

由圖1可以看出單體磷酸鐵鋰電池在15年間使用后容量由190Ah降低到150Ah，降低40Ah。從根本上講，影響鋰電池壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素是固體電解質(zhì)界面膜。在鋰離子電池首次充放電過(guò)程中，電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層，具有固體電解質(zhì)的特征，是電子絕緣體同時(shí)是Li+的優(yōu)良導(dǎo)體，Li+可以經(jīng)過(guò)該鈍化層自由地嵌入和脫出，這層鈍化膜被稱(chēng)為“固體電解質(zhì)界面膜”(solid electrolyte interface)，簡(jiǎn)稱(chēng)SEI膜［8］。SEI膜具有有機(jī)溶劑不溶性，在有機(jī)電解質(zhì)溶液中能穩(wěn)定存在，并且溶劑分子不能通過(guò)該層鈍化膜，從而能有效防止溶劑分子的共嵌入，避免了因溶劑分子共嵌入對(duì)電極材料造成的破壞，能夠很大提高電極的循環(huán)性能和使用壽命。

由圖2可以看出同塊電池放出的容量和溫度高低是相關(guān)的。隨著溫度的升高電池放出的容量在變大，但是電池在放電平臺(tái)上放出來(lái)的容量才具有應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)檫^(guò)了放電平臺(tái)后電壓會(huì)急劇下降，電池管理系統(tǒng)(BMS)也會(huì)對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，會(huì)使系統(tǒng)待機(jī)直至停機(jī)。磷酸鐵鋰電池放電平臺(tái)在3.3V左右，由性能曲線可以看出60℃下電池放出的容量最多，但是高溫會(huì)破壞電池自身的內(nèi)部機(jī)理，使電池更易接受充電電流，也加快了柵極腐蝕速度和氣體的生成析出，從而縮短其壽命，所以經(jīng)常保持使用環(huán)境在常溫25℃時(shí)是發(fā)揮電池性能及保證使用壽命的關(guān)鍵條件。

圖3 工況下單體電池充電曲線

圖4 工況下單體電池放電曲線

電池充電時(shí)先恒流充電至充電截止電壓后轉(zhuǎn)恒壓充電，即蓄電池浮充。對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō)，充電方式包括恒流充電，恒壓充電和恒功率充電，但是每一種充電方式都是充至截止電壓時(shí)轉(zhuǎn)為蓄電池浮充電方式，就是改用小電流給電池繼續(xù)充電，也叫涓流充電。這種浮充狀態(tài)對(duì)電池有很多好處。首先在浮充電壓范圍內(nèi)時(shí)電池的柵板腐蝕處于最慢的狀態(tài)，可延長(zhǎng)電池使用壽命;再次，可以補(bǔ)充電池因自放電造成的容量損失，保證電池充足電力;還有可以抑制活性物質(zhì)重結(jié)晶造成的硫酸鹽化。這個(gè)浮充電壓不是人為設(shè)定的，而是電池出廠時(shí)電壓設(shè)定了浮充電壓，只要以后電壓處于浮充電壓范圍內(nèi)時(shí)就自動(dòng)形成了浮充電流。圖4顯示的是將縱坐標(biāo)調(diào)到3.2V到3.36V之間時(shí)電池的放電特性，可以很直觀地看出電池3.3V左右的放電平臺(tái)。

對(duì)于磷酸鐵鋰單體電池而言有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于是新型電池，生產(chǎn)技術(shù)水平有限，造成電池間存在著一致性的問(wèn)題，而儲(chǔ)能系統(tǒng)均是由大量的單體成組構(gòu)成，除了對(duì)單體電池性能有要求外，對(duì)成組以后系統(tǒng)的性能要求更高，所以研究成組后電池堆性能更有實(shí)用價(jià)值，下文便展開(kāi)對(duì)鋰電池堆的應(yīng)用分析。

4 應(yīng)用分析

以某微網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，儲(chǔ)能裝置是由432支單體180Ah，3.2V磷酸鐵鋰電池構(gòu)成兩并216串額定容量248kWh，額定電壓691.2V的電池堆，接入微網(wǎng)400V側(cè)Ⅰ段母線。

4.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)中電池堆充滿電時(shí)總電壓在720V左右，這是由于充滿電后，大部分的電池電壓在3.35V附近，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總電壓就在720V附近，而每次充電后每支電池的電壓都不相同，是因?yàn)殡姵刂幸恢滦詥?wèn)題的存在，故每次充電結(jié)束后的總電壓也都不盡相同。系統(tǒng)放電結(jié)束后，電壓常在692V附近，這是由于電池管理系統(tǒng)為了保護(hù)電池進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置，使電池在放電結(jié)束后電壓常在3.2V附近。

因電池廠家針對(duì)應(yīng)用方對(duì)電池循環(huán)壽命的要求和自身電池的保護(hù)，在電池管理系統(tǒng)中進(jìn)行了告警和保護(hù)的設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電池的參數(shù)達(dá)到報(bào)警門(mén)限時(shí)，BMS會(huì)與逆變器通信，逆變器發(fā)出待機(jī)的指令，下次操作只要正常操作就可以恢復(fù);當(dāng)參數(shù)達(dá)到保護(hù)門(mén)限時(shí)，逆變器下發(fā)停機(jī)故障指令，下次操作需要人為檢查出現(xiàn)保護(hù)事件的原因并修復(fù)才可以操控電池堆，這樣便可以更好地保護(hù)電池堆。本系統(tǒng)將單體充電過(guò)壓告警設(shè)置為3.6V，充電過(guò)壓保護(hù)為3.9V，放電欠壓告警為3V，放電欠壓保護(hù)為2V，這樣電池堆充電過(guò)壓告警門(mén)限遍設(shè)為777.6V，過(guò)壓保護(hù)門(mén)限為842.4V，放電欠壓告警門(mén)限設(shè)為648V，欠壓保護(hù)門(mén)限為432V。同時(shí)為了保證電池堆的使用年限，初始充放電深度設(shè)置在67%，可保證循環(huán)壽命高于5500次，按照1天1充1放計(jì)算，則可使用15年。所以由于門(mén)限值的設(shè)置，使電池堆提供的能量不足248kWh，在BMS中，初始設(shè)置額定電池堆容量為190kWh，校正電池容量為190kWh，剩余電池容量為0kWh。額定電池容量是由廠家提供的，校正電池容量是指電池實(shí)際能夠充入/放出的容量，剩余電池容量就是根據(jù)額定容量和校正容量的差值得到的剩余容量，而顯示屏中顯示的荷電狀態(tài)(soc)為剩余電池容量與校正電池容量的比值。這樣的初始設(shè)置，使得soc對(duì)應(yīng)于0%到100%之間變化。

4.2 電池的電壓跳變

圖5和圖6由BMS軟件中得到，圖5為1號(hào)電池組充電結(jié)束時(shí)的示意圖，圖6為1號(hào)電池組放電結(jié)束時(shí)的示意圖。

圖5 充電結(jié)束

圖6 放電結(jié)束

圖5中可看出電池一致性的差異，在充電過(guò)程中要比充電結(jié)束靜置后電壓差值大，充電中最大電壓差值為50mV，即差值比為1.5%，這個(gè)值很小而且在動(dòng)態(tài)中。靜置后每一支電池的電壓都差不多在3.33V左右，相差很小。同時(shí)可以通過(guò)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，找出容量小的或大的電池來(lái)便于更換，以免破壞電池堆的整體性能。圖5中顯示充電結(jié)束后電壓有一個(gè)回落。圖6同樣也可以看出放電過(guò)程中比放電結(jié)束靜置后電壓差值大，放電結(jié)束后電壓有一個(gè)回升，靜置后每支電池的電壓差也會(huì)變小。這一次的循環(huán)充放電表明電池在充放電時(shí)電壓會(huì)不斷的波動(dòng)，而充放電結(jié)束時(shí)都會(huì)有一個(gè)小的電壓跳變。

由于電池本身有內(nèi)阻，在外接電源給電池充電中，內(nèi)阻會(huì)有一定分壓，當(dāng)BMS檢測(cè)電池電壓到3.6V時(shí)，通信至逆變器，逆變器下發(fā)待機(jī)指令，即斷開(kāi)充電回路，內(nèi)阻分壓就會(huì)瞬間消失，所以電池兩端電壓(可以理解為開(kāi)路電壓)就會(huì)瞬間減小，達(dá)到一定值;當(dāng)電池放電中，電池為電源，內(nèi)阻當(dāng)然也會(huì)產(chǎn)生電壓，當(dāng)檢測(cè)達(dá)到報(bào)警門(mén)限電壓時(shí)，系統(tǒng)待機(jī)停止放電，內(nèi)阻分壓也回瞬間消失，所以電池電壓就會(huì)瞬間增大，達(dá)到一定值。所以由于內(nèi)阻分壓的存在就會(huì)出現(xiàn)電壓跳變這一現(xiàn)象。而內(nèi)阻分壓這一現(xiàn)象可以定義為“電池虛壓”。

電池虛壓的存在有一定好處，在BMS中設(shè)置有門(mén)限值，在充放電過(guò)程中只要有一支單體電池的虛電壓達(dá)到門(mén)限值就會(huì)出現(xiàn)告警，于是系統(tǒng)待機(jī)。這樣一來(lái)，可以更好地保護(hù)電池，只要BMS不出現(xiàn)問(wèn)題就不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)充過(guò)放現(xiàn)象。但是，電池虛壓的存在也會(huì)導(dǎo)致電池不易發(fā)揮更大的性能，所以電池內(nèi)阻越小越好，同時(shí)設(shè)置好門(mén)限值對(duì)發(fā)揮性能也至關(guān)重要。本系統(tǒng)設(shè)置的門(mén)限值只能讓儲(chǔ)能堆放出82.6%的容量，這樣可以保證電池的使用壽命，保證循環(huán)次數(shù)。

4.3 均衡分析

本系統(tǒng)中采用主動(dòng)均衡，又叫有源均衡，就是在某支電池接近過(guò)充時(shí)，通過(guò)搬移該電池充電電流到其他尚未充滿的電池中去，而不是像被動(dòng)均衡一樣充電電流變成熱，同樣放電過(guò)程也一樣。由于沒(méi)有熱耗散問(wèn)題，所以系統(tǒng)均衡電流可以比較大，平均均衡電流為2A，最大可以做到5A。均衡電路如圖7所示。

圖7 主動(dòng)均衡電路

本系統(tǒng)中的均衡是在充電過(guò)程中進(jìn)行均衡，放電時(shí)不做均衡。當(dāng)一支電池電壓高了，就把電流搬移到臨近的兩支電池中，當(dāng)一支電池電壓低了，臨近的兩支電池就把電流搬移到該支電池，直到在均衡開(kāi)啟電壓差門(mén)限值以內(nèi)時(shí)停止搬移。本系統(tǒng)均衡開(kāi)啟電壓門(mén)限值為3.3V，即電池電壓達(dá)到3.3V就開(kāi)啟均衡電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡;均衡開(kāi)啟電壓差門(mén)限值為0.02V，即在兩支電池電壓差達(dá)到0.02V時(shí)開(kāi)啟均衡。圖8為關(guān)均衡和開(kāi)均衡時(shí)第2串電池的性能對(duì)比，圖9為關(guān)均衡和開(kāi)均衡時(shí)第1組電池的充電性能對(duì)比。

圖8 關(guān)/開(kāi)均衡第2串電池的充電性能

圖9 關(guān)/開(kāi)均衡第1組電池的充電性能

圖8中系列1是關(guān)掉均衡時(shí)第2串電池的電壓充電曲線，系列2是開(kāi)啟均衡時(shí)第2串電池的電壓充電曲線。選第2串是因?yàn)樵贐MS軟件中發(fā)現(xiàn)第2串在所有電池中的電壓是最高的。兩者都是在電池靜置時(shí)開(kāi)始充電，系列1中電壓偏高，所以開(kāi)啟均衡時(shí)可以更好地分散電流，讓每一塊電池的電壓大小更趨于一致。圖9中，前面的充電曲線為關(guān)均衡時(shí)的充電曲線，再以相同倍率對(duì)電池放電，然后開(kāi)啟均衡充電。由于電池是新電池，電池的內(nèi)阻和容量都很接近，所以開(kāi)/關(guān)均衡時(shí)效果并不明顯，但是關(guān)均衡時(shí)第1組電池的電壓還是較開(kāi)均衡時(shí)偏高，并且通過(guò)BMS記錄的數(shù)據(jù)，關(guān)均衡時(shí)顯示充入187kWh，開(kāi)均衡時(shí)顯示充入191kWh，所以開(kāi)均衡時(shí)電池充入的容量比較多，多平均充入2.1%。而關(guān)均衡充電時(shí)最大電壓差為0.0373V，開(kāi)均衡充電時(shí)最大電壓差為0.0318V，這說(shuō)明在動(dòng)態(tài)充電中本系統(tǒng)具有一定的均衡效果，充滿電后最大電壓差為0.0057V，電池組內(nèi)電池一致性很好，滿足系統(tǒng)的要求。其它組電池狀況一樣，具有良好的一致性。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)中，為了保證電池壽命，充放電時(shí)最大使用0.3C即108A的電流，因?yàn)楹艽蟮碾娏鞒浞烹娨资逛囯x子大量聚集形成枝晶，會(huì)刺穿隔膜造成電池內(nèi)部短路，對(duì)電池造成損傷，正常運(yùn)行時(shí)常使用0.2C附近的電流充放電。經(jīng)多次的充放電實(shí)驗(yàn)，BMS顯示平均充入或放出的電量在206kWh附近，逆變器顯示平均充入或放出的電量在212kWh附近，故該系統(tǒng)逆變消耗大概在2.8%;而電池堆平均充入常在207kWh附近，平均放出常在200kWh附近，故系統(tǒng)儲(chǔ)能效率大致在96.6%。滿足電網(wǎng)儲(chǔ)能的應(yīng)用要求。

本文中解釋了電池電壓跳變的原因，同時(shí)提出了“電池虛壓”這一概念，確定了電池管理系統(tǒng)設(shè)置的門(mén)限值和校正電池容量值，保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并通過(guò)充放電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)中主動(dòng)均衡的效果，為其它微網(wǎng)儲(chǔ)能的應(yīng)用提供了依據(jù)。

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