浮充保護型磷酸鐵鋰電池在煤礦中的應用

齊明輝，王 政，嚴家明，張建文

（中國礦業大學 電氣與動力工程學院,江蘇 徐州 221116）

根據國家有關規定，煤礦井下需配備必要的應急救援設備，主要包括自救器、礦井救生艙、避難硐室等[1-2]。隨著煤礦開采深度的增加，井下事故救援難度不斷加大，因此井下應急避險設備得以廣泛應用。事故發生以后可能會造成井下配電系統的供電中斷，此時需要備用電池對應急救險設備進行不間斷的供電。國家相關規定要求，井下通訊監測系統在發生事故以后要繼續保持2 h以上的正常工作，應急救生艙和避難硐室則要求后備電池可以提供96 h以上不間斷電力供應，以保證井下工作人員的生命安全，為救援贏得必要的時間[3-6]。

由于傳統鋰電池的安全性問題和設計特點不適合煤礦井下特殊的運行環境，目前應用于煤礦井下的備用電池絕大多數都是鉛酸電池和鎳氫電池[7]。文獻[8-10]介紹了浮充保護型磷酸鐵鋰電池在電力儲能領域的應用，應用情況表明采用鋰電池的儲能系統較鉛酸電池儲能系統有巨大的經濟和技術優勢。為此在分析了鉛酸電池和鋰電池特點的基礎上，提出將具有浮充保護的磷酸鐵鋰電池作為備用電池應用于煤礦井下。浮充保護型（FBL）磷酸鐵鋰電池能夠很好的彌補傳統鋰電池在煤礦井下應用時存在的問題，使得鋰電池能夠安全可靠的應用于井下復雜環境中。

1 FBL磷酸鐵鋰電池的特點

目前，應用于煤礦井下的應急儲能電池絕大多數是具有高安全性和耐浮充能力強的閥控式鉛酸蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的比功率較低、占地面積大、對環境的適應能力較差，在相對濕度大的情況下會產生較大的安全問題[10]。同時閥控式鉛酸蓄電池浮充壽命較短，一般只有2～3年的浮充運行壽命，因此需要經常進行更換，這不僅增加了操作的復雜性，同時還增加了成本。

與傳統的鉛酸蓄電池相比FBL磷酸鐵鋰電池具有以下特點；①耐浮充運行壽命長：FBL磷酸鐵鋰電池的浮充運行壽命可達10年以上[11]；②能量密度高：FBL磷酸鐵鋰電池的能量密度大約是閥控式鉛酸蓄電池的3倍，這意味著同等容量時，電池的體積更小，可以有效地減少占地面積；③無記憶效應：FBL磷酸鐵鋰電池無記憶效應，無論電池當前處于何種狀態，都可以隨充隨用，不需要完整的循環周期；④充放電特性好：FBL磷酸鐵鋰電池的充電效率高，可以達到95%以上，可以有效的減少充電損耗。

2 FBL磷酸鐵鋰電池的均衡

2.1 鋰電池自主均衡

鋰電池原型是不適宜浮充電運行的，浮充運行時容量迅速衰減且安全性能得不到保障，這也是制約磷酸鐵鋰電池在儲能系統中應用的主要原因[11]。為了在煤礦應急儲能系統中應用磷酸鐵鋰電池，需要解決磷酸鐵鋰電池的浮充安全性問題，研究解決如何將磷酸鐵鋰電池從即沖即用型運行工況轉換為浮充電的儲能運行工況。

FBL磷酸鐵鋰電池是在傳統鋰電池的基礎上添加了自主均衡功能和集成了電池電壓保護裝置的電池管理系統而成的，通過自主均衡和電池管理系統共同作用實現了電池組內各單體電池之間的均衡，有效防止電池過充，保證了浮充運行的安全可靠性能。FBL磷酸鐵鋰電池自主均衡的實現方式是將一定的氧化還原劑加入到原有的六氟磷酸鋰(LiPF6)電解液中，在單體電池內部建立一種防過充的電化學自我保護機制，可以有效解決電池過充造成的安全問題[12]。氧化還原劑不參與電池的正常充放電過程，只有當電池電壓超過一定限度，電解液中的還原劑才在電池的正極表面被氧化，氧化產物由于電場的作用而擴散到電池負極又被還原成還原產物，再擴散到電池正極繼續被氧化，整個過程沿氧化—擴散—還原—擴散不斷循環進行[12]。在充電過程中多余的電量以熱能形式釋放出來，長期自主均衡將會產生的副作用是：電池的外殼溫度上升，可能使外殼發生膨脹。因此僅采用電池自主均衡，難以解決電池過熱問題，很難達到長期穩定的均衡效果。

2.2 電池管理均衡系統

為了彌補電池自主均衡能力的不足，采用集成了電壓保護裝置的電池管理系統，對電池進一步保護。只依靠電池的自主均衡，在長期的浮充運行工況下可能會導致電池的熱失控，給電池造成不可逆的損傷，甚至產生安全事故[13]。因此需要采用電池管理系統中的均衡控制外電路對電池進行均衡。采用簡單可靠地電阻均衡電路，當單體電池電壓超過規定的最大浮充電壓時，均衡電路開啟，對電池進行均衡控制[14-15]。利用并聯電阻將電壓較高的單體電池中的能量進行消耗，同時通過對開關管導通時間的控制，使得各單體電池能夠同時達到均衡狀態。為了增加電阻的散熱，采用多個電阻并聯的方式進行均衡控制。均衡控制流程如圖1。

圖1 均衡控制流程圖

電池自主均衡和依靠外電路進行的均衡都是將多余電量以熱能的形式釋放出來，長期浮充電運行會使電池溫度過高。因此，在實際應用過程中需要采取有效措施對電池進行降溫，以達到安全運行的目的。

3 FBL磷酸鐵鋰電池的容量衰減特性分析

通過6節串聯FBL磷酸鐵鋰電池的浮充電試驗，分析記錄電池容量的變化情況，并對電池容量衰減和壽命進行預測。每節電池的額定容量為7.8 Ah，額定電壓為3.6 V。FBL磷酸鐵鋰電池對環境溫度的適應性能好，可以在較寬的溫度范圍內安全運行。不同溫度下的FBL磷酸鐵鋰電池的容量曲線如圖2。由圖2可以看出，電池放電量隨著溫度的升高而增大，甚至會在一定程度上超出額定容量，這是由于電池的化學性能完全被激活而引起的，電池在最初的循環過程中放電容量大于額定容量。不同溫度下電池浮充電運行時的容量衰減速度也有很大差異，電池在不同溫度浮充電運行時的容量衰減曲線圖如圖3，20°C時FBL磷酸鐵鋰電池的放電容量測試數據見表1。

圖2 電池容量隨溫度的變化曲線

圖3 不同溫度時的浮充衰減曲線

表1 浮充運行時電池容量的變化

電池剩余容量隨浮充運行時間的變化規律如圖4，從圖4可以看出在第1年電池的容量衰減率約為6%，從第22個月開始電池的容量衰減幅度逐漸縮小。這主要是因為電池內部的電化學反應基本達到了平衡，電池的自放電電流和浮充電電流基本抵消。

圖4 浮充運行時電池容量的變化趨勢

通過分析采集到的數據，對電池的容量衰減規律進行仿真預測，電池容量衰減的預測數據見表2。分析預測結果表明，FBL磷酸鐵鋰電池的浮充運行壽命可以達到15年以上。但是，仿真預測結果并沒有考慮煤礦井下嚴酷的運行環境影響，因此預測結果偏大。考慮到仿真預測誤差和電池運行環境等因素的影響，FBL磷酸鐵鋰電池預期實際壽命約為12年。浮充電運行狀態容量衰減趨勢圖如圖5。

由以上分析可知，FBL磷酸鐵鋰電池的浮充壽命可達10年以上，可以有效地解決鉛酸蓄電池需要經常更換而帶來的不便。考慮到礦井下嚴酷的運行環境，在實際應用中要采取適當的防爆措施。FBL磷酸鐵鋰電池雖然具有很好的耐浮充和防爆性能，但相較于鉛酸蓄電池安全性仍會有所降低，所以在煤礦井下應用時需要加裝防爆外殼，以增加安全性。

圖5 電池壽命預測曲線

4 結語

FBL磷酸鐵鋰電池通過電池的自主均衡和外加均衡電路，解決了傳統鋰電池不能運行于浮充工況的缺點。試驗測試結果表明采用FBL磷酸鐵鋰電池的容量保持性能優越、浮充運行壽命長，可以適用于需要長期浮充電運行的儲能系統，是一種很好的閥控式鉛酸蓄電池的替代產品。