基于磷酸鐵鋰電池變電站直流系統BMS的研究與應用

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(國網四川省電力公司南充供電公司檢修分公司，四川 南充 637000)

0 引 言

在目前變電站，大機組、超高壓的現代大型電力工程以及現代城網建設工程中，直流系統的品質，對電網的安全運行有著重要影響。直流系統工作的穩定性對變電站的正常運行起著關鍵的作用，也是變電站安全運行的保障。由于蓄電池是直流系統的關鍵組成部分，直流系統的核心工作就是科學的維護蓄電池，對蓄電池進行合理的充放電管理是使其長期運行的保證。

在眾多化學電池中，鉛酸電池雖然目前被各種變電站廣泛應用，但由于鉛污染的存在，一些鉛酸電池生產單位已被責令關閉。如此勢必引起鉛酸電池價格上漲，使用率下降。鎳氫、鎘鎳電池體積大，循環壽命短，有記憶效益，使用受到了限制。在近些年里，鋰離子電池獲得了長足的發展，成為電池家族的重要一員。鋰離子電池是20世紀90年代發展起來的高容量可充電電池，它的優點是能夠存儲更多的能量，能量比大、循環壽命長、自放電率小、無記憶效應和無環境污染。鋰離子電池的正極材料是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等，負極是碳素材料。因為原材料鈷、錳價格高和污染較重，性能活潑易爆炸，目前電池業界的研究及應用主要投入在成本較低的磷酸鐵鋰電池上。磷酸鐵鋰電池具有其它蓄電池所不具備的優勢，它結構穩定，循環性好，安全性優良，這些使得它的市場前景也很廣闊。因此，磷酸鐵鋰電池可以作為變電站直流系統的蓄電池。

磷酸鐵鋰電池管理單元(BMS)是文中研究的重點，如何把握電池內部狀態的變化規律以及外部因素對電池容量的影響、建立合理有效的電池模型和SOC算法、實現SOC在線估計并減少估算誤差, 是電池安全管理最基本、最重要的方面。安全管理主要是指工作狀態下電池的安全性問題，包括過充過放控制、過流保護、高壓隔離、均衡處理和熱管理。當電池發生異常，BMS應馬上啟動電池控制模塊的保護功能，保證電池能夠以正常方式運行。

1 磷酸鐵鋰電池的介紹

1.1 磷酸鐵銼電池結構

磷酸鐵鋰電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的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，把電池正極與負極隔開，鋰離子可以通過而電子則不能通過，右邊是由碳或石墨組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池內部充有電解液，外部由金屬外殼密閉封裝。

圖1 磷酸鐵鋰電池內部結構

1.1.2 磷酸鐵鋰電池的優勢

(1)超長壽命。長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰電池，循環壽命達到2 000次以上，標準充電(5小時率)使用，可達到2 000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，在電力行業應用中最多也就5～8 a時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達到8～10 a以上。

(2)使用安全。磷酸鐵理完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈的碰撞下會產生爆炸，對電力安全構成威脅，而磷酸鐵鋰經過嚴格的安全測試，即使在最惡劣的交通事故中也不會產生爆炸。

(3)可大電流快速充放電。

磷酸鐵鋰電池可大電流(2 C電流)快速充放電，在專用充電器下，1.5 C電流充電40 min內即可使電池充滿，起動電流可達2 C，而鉛酸電池現在無此性能。

(4)耐高溫。磷酸鐵鋰電熱峰值可達350～500 ℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200 ℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20～75 ℃)，有耐高溫特性。

(5)無記憶效應?？沙潆姵卦诮洺Ｌ幱诔錆M不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎘鎳電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處于什么狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。

(6)綠色環保。該電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無毒(SGS認證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規定，為絕對的綠色環保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，在其廢棄后若處理不當，仍將對環境造成二次污染，而磷酸鐵鋰材料無論在生產及使用中，均無污染。

2 電池管理系統的設計

由于變電站電池組是由多節單體電池串聯組成。在直接使用沒有配備電池管理系統的電池組的情況下，由于電池組內單體之間的差異在使用過程中會逐漸增大，而且無法進行調節，那么導致電池組在運行一段時間后出現單體過充、過放、過流及電池組環境溫度過高等一系列故障，造成整個電池組的使用壽命縮減，性能下降，嚴重時報廢、爆炸等。因此，磷酸鐵鋰電池組配備電池管理系統是十分必要的。電池管理系統可以有效解決電池組的安全問題，從而確保電池組可靠運行，同時延長電池組使用壽命，降低電池使用成本。

依據磷酸鐵鋰電池管理系統的實際需要，電池管理系統采用分布式結構，由電池管理單元(BMS)和溫度采集單元(BVT)組成。其在電池管理單元(BMS)總的控制下，使用多個控制單元分別實現電池管理系統所需的各種功能，如數據采集、均衡充電、電量估計及通訊顯示等；各個控制單元通過CAN總線進行數據通訊，實現單個電池及電池組模塊電壓、總電壓、充放電電流、溫度等數據的采集和測量、電量估計(SOC)。同時，分布式電池管理系統具有很強的擴展性，可以進行具體電池診斷和電池安全性能保護等功能擴展。

2.1 電池管理單元(BMS)實現功能

(1)具有系統自檢功能。

(2)具有過充電、過放電、過電壓、過溫、過流保護告警功能。

(3)具有高壓動力母線預充電功能。

(4)具有電池系統電壓、電流、進口及出口溫度、電芯電壓、電芯溫度等測量功能。

(5)具有電池系統SOC精確估算功能。

(6)具有電芯均衡功能。

(7)具有電池系統熱管理功能，使電池工作在適當的溫度范圍內，降低各個電池模塊之間的溫差。

(9)具有與直流屏上監控器通訊功能。

(10)能實現電池組的上電、充電、放電、斷電控制以及蓄電池組冷熱環境的控制。

2.2 溫度采集單元(BVT)實現功能

溫度采集單元(BVT)能實現快速的采集單體電池的電壓及溫度，同時也可采集電池屏內入口及出口溫度，具有電池組均衡功能，通過內部CAN總線及時上送數據到BMS。實現對單體蓄電池狀態的實時監控。

2.3 電池管理系統的設計

電池管理系統總體結構，如圖2所示。

圖2 電池管理系統結構示意圖

系統總體框架分析: 電池管理單元(BMS)是整個系統的核心控制部件，主要功能有數據采樣控制、數字信號預處理、卡爾曼濾波優化算法實現、上位機串口通訊、電池保護電路控制及其他外圍模塊管理。首先，溫度采集單元(BVT)對電壓、電流、溫度等電池參數進行實時測量，獲得相應的AD采樣數據。然后，溫度采集單元(BVT)對這些數據做前期預處理，電池管理單元(BMS)進而執行SOC估計算法得到當前電池剩余電量值。根據SOC估計值和其他電池參數信息，電池管理單元(BMS)對電池組狀態進行診斷，若電池出現過充過放等異?，F象，電池管理單元(BMS)會立刻切斷充放電回路。最后，電池管理單元(BMS)會通過CAN通信將電池實測數據和SOC估計值傳送給直流屏上的監控器。

3 電池剩余電量(SOC)估算方法的研究

在磷酸鐵鋰電池使用過程中，電池剩余電量受到許多內外不確定因素的影響。如何利用電池可測參數數據來實現當前電池剩余電量準確估算一直以來是磷酸鐵鋰電池管理系統的核心問題和急需解決的技術難點。

3.1 SOC定義

簡單地說，SOC就是指電池當前所存儲的電量，即剩余電量。它是反映電池狀態的主要參數。通常情況下，SOC數值上定義為在一定放電環境下，電池剩余電量與電池容量的比值：

近日，我國印發了《關于進一步加強科研誠信建設的若干意見》，指出科研誠信是科研創新的基石，將加強制度體系建設、管理、查處、宣傳和教育等工作。從美國國立衛生研究院管理經驗看，各級科研管理部門既要推進內部控制制度建設，打造廉潔、高效、規范的科技管理系統，又要嚴格處理違規人員和項目，視情適時向主管部門報告以追究責任，維護科學誠信，履行監管責任，保障科研活動公平和效率。

(1)

式中:Qn為標稱容量;Qc為電池標準剩余電量，是指當前電量狀態下電池以室溫25 ℃ C/30倍率完全放電至放電截止電壓所獲得的全部電量；Qi為電池標準己用電量，數值上等于標稱容量與標準剩余電量的差值；QI為實際己用電量，是指電量完全充滿的電池以實際工作溫度及放電倍率下所放出的電量。η為電池效率系數，用來量化各種因素對電池SOC的影響。

3.2 影響SOC的因素

在電力系統運行環境中，SOC受放電倍率、電池溫度、自放電率、循環使用次數等許多因素的影響，這給SOC的估算帶來了很大的困難。

(1) 放電倍率

在其他影響因素不變的條件下，電池放電容量會隨著放電倍率的增加而降低。這是因為電池內部活性物質沿電極厚度方向的作用深度是有限的，當大電流放電時，放電倍率越大，作用深度就越淺，利用率越低，所以電池容量也就越小，反之電池容量就越大。圖3為室溫25 ℃磷酸鐵鋰電池在放電倍率0.25 C和0.85 C時的恒流放電特性曲線。

圖3 室溫電池放電倍率特性曲線

(2)電池溫度

磷酸鐵鋰電池電量和活性物質利用率都會隨著電池溫度的上升而增加，這主要是由電解液溫度性能變化引起的。當電池溫度升高時，電解液黏度減小、活性增大，導致離子擴散運動能力增強，最終使得活性物質利用率提高，磷酸鐵鋰電池實際可用電量增大。反之，電池溫度下降時，活性物質利用率降低，實際可用電量減少，所以電池實際可用電量是和電池溫度成正比關系的。在實際使用中，磷酸鐵鋰電池的充放電工作溫度范圍為：0～45 ℃。

(3)循環使用次數

在使用一段時間后，磷酸鐵鋰電池的標準可放總電量會發生一定的變化。一開始電量會有所增加，在接下來一段時間內大體保持不變，然后電量會逐步減少。對于磷酸鐵鋰電池，一般用可放總電量降至標稱電量80%時的充放電次數來表示電池循環壽命。

(4)自放電率

自放電又稱荷電保持能力，是指在一定環境條件下，電池開路狀態的存儲電量保持能力。電池在自放電的作用下，SOC值會隨著存儲時間的增加而減小。一般情況下，自放電率用單位時間內容量降低的百分比表示。

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(2)

式中:Ca為存放前的電池電量；Cb為存放后的電池電量;T為電池存放的時間。鋰電池自放電率大小與循環使用次數、環境溫度以及存儲時間等多種因素有關，一般利用試驗的方法推導計算得到。

3.3 常見SOC估計方法

磷酸鐵鋰電池在直流電源中的放電是一個復雜的電化學反應過程，放電倍率、環境溫度、電池內阻、自放電率等因素都會對電池SOC值的估計判斷產生影響，同時這些因素又會隨著循環使用次數的增加而發生改變，從而相應地增加了電池建模和SOC算法估計的難度。

目前，國內外磷酸鐵鋰電池SOC的估算方法主要有放電試驗法、開路電壓法、安時計量法、內阻測量法等，下面對這些方法進行簡要的介紹分析。

(1)放電試驗法

放電試驗法是使用恒定電流對電池進行連續放電直至電池端電壓達到放電截止電壓的實驗方法，電池剩余電量等于放電電流值與時間的乘積。放電試驗法在實驗室里經常使用，是最可靠的SOC估計方法，并且適用于所有類型的電池，但它也存在兩個方面的缺陷:第一，需要花費大量測量時間。只有當整個放電試驗結束后，之前各時刻的SOC值才能被計算得到，無法做到SOC的實時估計；第二，電池之前進行的工作要被迫停止，并轉到恒流放電狀態。

(2)開路電壓法

電池開路電壓在數值上與電池電動勢非常接近。磷酸鐵鋰電池電動勢是關于內部電解質密度的函數，而電解質密度會隨電池放電次數的增加而成比例下降，所以開路電壓法是按照電池在一定條件下開路電壓與SOC值成數學比例關系的原理來估算SOC。在放電末期，開路電壓估計SOC的效果較好。但是開路電壓法自身也存在著一些不足，例如電池開路電壓測量的時間問題。為了克服自恢復效應，電池需要長時間靜置才能達到電壓狀態穩定，一般這個靜置過程需要幾個小時到十幾個小時，這就造成了時間上的浪費；此外，如何正確判定電池是否達到穩定狀態也是剩余電量估計的難點。當電池處于放電中期平臺時，開路電壓與SOC的數值對應關系并不十分明顯，導致SOC估計誤差較大。

(3)安時計量法

安時計量法是通過計算電池在充電或放電時的累積電量來估計電池的SOC，并根據溫度、充放電倍率對SOC估計值進行補償。它是目前使用最普遍、最簡單的SOC估計方法，己成功地應用到電子類消費品的電量估計。如果規定充放電初始狀態為SOC0，那么當前狀態的SOC值可由式(3)計算得到。

(3)

式中：Qn為標稱容量；i表示電池電流，放電時為正，充電時為負;η為電池效率系數，包括溫度影響系數ηT和充放電倍率系數ηi，其中ηi可由Peukert方程得到。在使用安時計量法時應注意三個方面的問題：方法自身不能提供電池初始值SOC0；不準確的電流測量將增大SOC估計誤差，經過長時間累積，該誤差會變得越來越大；估算SOC時必須考慮電池效率系數。雖然電流測量的精度問題可以通過使用高性能電流傳感器解決，但是這樣會使系統成本大幅增加。同時，解決電池效率系數η問題必須通過大量實驗數據建立溫度影響系數ηT和充放電倍率系數ηi的經驗公式。

(4)內阻測量法

內阻測量法是指通過以不同頻率交流電激勵電池的方式來測量電池內部交流電阻，并利用剩余電量與交流內阻的電池靜態模型計算SOC值的方法。在電池放電后期，內阻測量法具有很高的估算精度和電池適應性，一般情況下與安時計量法組合使用。

4 結 論

文中介紹了磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統中的應用，重點分析和研究電池管理系統在磷酸鐵鋰電池組中的應用以及SOC算法。電池管理系統負責整個電池組的運行。它需要監視電池組的運行狀態，精確估算電池組的剩余容量，調整電池組內單體電池之間的差異，提供各種電池故障保護措施及報警信息。電池管理系統與直流系統監控器通過CAN通信，能有效的保證磷酸鐵鋰電池組及整個直流系統的安全可靠工作。

[1] 徐海明,王個勝.變電站直流電源設備使用與維護[M].北京:中國電力出版社，2007.

[2] 周運鴻,陳 軍,郊向峰,等.鉀離子電池正極材料LiFePO;的進展[J].電源技術，2009,33(8):649-651.

[3] 李 瑾,張 宇,李景霖,等.磷酸鐵鉀電池在變電站系統應用的可行性分析[J].華東電力，2009,37(10):1693-1695.

[4] 向小民,周百鳴,徐沙渺.蓄電池容量在線監測的探討[J].電源技術, 2009,33(3):213-216.

[5] 冉建國,陳勝軍.通過電池均衡提高鉛酸電池組壽命[J].電源技術, 2006,30(7):576-579.

[6] 王 洪,張廣輝,梁志強,等.電力直流電源系統的網絡化管理及狀態檢修[J].電網技術，2001,34(2):185-189.