磷酸鐵鋰電池故障保護方法研究

劉懷照，荊鑠鈞，鄒乃佳，王文博，張躍偉，朱起航

應用研究

磷酸鐵鋰電池故障保護方法研究

劉懷照，荊鑠鈞，鄒乃佳，王文博，張躍偉，朱起航

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

為保障磷酸鐵鋰電池系統安全穩定運行，本文對磷酸鐵鋰電池系統常見故障機理，及現有保護機制薄弱點進行分析。并設計歸納出一套暫態保護邏輯，使用運行曲線耦合的方式，實現對磷酸鐵鋰電池系統的暫態保護，能有效提高電池系統保護的靈敏性和速動性。

磷酸鐵鋰電池 保護設計 安全運行

0 引言

儲能技術按其具體方式可分為機械儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、電磁儲能（超級電容器、超導電磁儲能等）和電化學儲能（鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等）等[1]。其中以磷酸鐵鋰電池為主的電化學儲能系統近年來得到了迅速發展及工程應用。

在實際應用中，由于每個磷酸鐵鋰電池單體的生產工藝、使用條件存在差異，單體性能和參數并不完全一致，使得電池單體的運行容量存在偏差。而電池系統由成百上千的電池單體組成，大型化和成組化更加放大了運行偏差，使得電池系統的電、熱特性變得復雜，增加了系統出現故障的概率。

為了維持電池系統安全穩定運行，電池系統一般配置相應的電池管理系統對電池運行狀態進行監測、保護。現有的電池管理系統多采用設定固定保護閾值方式進行保護，但是現有的電池管理系統采集數據顆粒度大，無法實現對電池系統的暫態保護。并且電池管理系統運行相對獨立，缺少與其他系統的雙向保護聯動。

因此本文對磷酸鐵鋰電池系統現有保護機制進行分析，針對其薄弱點提出磷酸鐵鋰電池系統保護思路，并設計一套磷酸鐵鋰電池系統暫態保護邏輯。

1 磷酸鐵鋰電池系統常見故障機理

磷酸鐵鋰電池電、熱、老化動態行為具有明顯的非線性耦合特點，電池的成組化和大型化使得系統的行為特性變得更加復雜，加之大規模磷酸鐵鋰儲能電站中電池艙內部各系統設備種類繁多，存在類型復雜、數量大、對外接口不統一、設備狀態各異等特點，設備間相互兼容困難，難以實現電池的統一監管、調度和運維。根據目前磷酸鐵鋰儲能電站運行情況，磷酸鐵鋰電池常見故障多出現在系統運行過程，并且故障特征多反饋在溫度和電壓。相對于電池單體，集成后的電池系統結構復雜，更容易出現故障。常見的故障誘因如下：

1）電池電壓及健康狀態告警

電池系統正常運行過程中，需要保證電池間電壓基本一致。當電池組內部出現不一致時，會因故障電池更早到達電壓保護閾值，使系統較早停止運行，導致電池系統無法按照設定容量進行充放，影響系統使用。此類問題經常見于電池系統長期運行后，各電池單體間出現容量差異。

2）電池溫度告警

電池系統運行過程中，會持續產生熱量，熱量累積過多，會使電池內部反應更加劇烈，反應趨于失控，但如果電池溫度過低，還會影響電池內部活性，降低電池輸出功率，影響正常運行，因此，電池系統通常會配備如空調之類的溫度調節設備來改善電池系統運行環境。但受限于系統內部結構設計，以及溫度響應點規劃等因素，會使電池系統內部溫度出現兩極分化的趨勢，部分高溫電池組受限于其他低溫電池組，無法正常通過電池管理系統進行通風、制冷降溫操作，反之亦然，從而加重電池系統內部溫度異常。

此外，電池系統內部出現故障時，也會因內部劇烈的化學反應導致電池熱失控，也會反映為電池溫度過高或溫升過快，常見的熱失控因素有電池內部短路等。

2 磷酸鐵鋰電池系統現行保護缺陷

目前磷酸鐵鋰電池常使用電池管理系統作為保護裝置，電池管理系統的主要原理是：采集電池狀態數據，主要包括單體電壓、充放電電流、溫度等數據，對當前的數據進行分析，并結合電池前一個狀態信息得到當前狀態信息，電池狀態信息主要包括SOC、SOH、故障狀態、熱管理狀態等[2]。但該裝置集采樣、存儲、保護控制等多重功能于一身，使得其無法專注于分析電池系統運行狀態。電池的電壓和電流通過采集線束上送至電池管理系統進行分析，通過與設定閾值進行比對，判斷當前電池運行狀態是否正常，因此，現行保護存在以下缺陷。

1）缺少設備間雙向聯動

由于電池系統的保護邏輯涉及多種設備，不同設備間缺乏必要的信息雙向聯動及故障風險共享機制，使得電池系統保護邏輯固定、呆板。當設備間進行必要聯動時，也會因響應延遲，導致故障失控程度增加。

例如電池系統配套的消防系統，通常獨立運行于電池管理系統外。僅通過自身下屬的消防探頭進行采樣、判別，只會在必要時向電池管理系統傳遞消防啟動和二級告警保護，而電池系統一旦出現熱失控風險時，電池溫度雖然會急劇上升，但是要想觸發消防探頭，需要監測到周圍環境溫度過高，或監測到電池熱失控副反應產氣等，然而發展到該階段時，電池內部鏈式反應已經產生，單體熱失控已不可逆[3]。

2）數據存儲顆粒度大，存儲空間不獨立

電池管理系統會按照設定時間，定期存儲運行數據，此法記錄的數據，相較于運行曲線，顆粒度大，無法確定數據瞬時變化率，同時無法準確記錄運行數據的波動程度。

現有的電池系統數據存儲系統往往放置于艙內，當事故發生后，裝置會伴隨磷酸鐵鋰電池系統出現不同程度的損壞，致使故障數據遺失，影響后續事故分析，而保留在后臺監控系統的數據顆粒度太大（分鐘級），關鍵數據缺失，無法分析故障發生的點位、時間等，也就無法還原故障情況。

3）保護閾值固定

電池管理系統對鋰電池的充放電控制閾值初始值設定無法更迭，電池老化后對電池狀態估算出現偏差，電池壽命縮短，對電池老化出現異常的診斷缺乏等[4]。因此，為穩定電池系統運行，避免局部電池過充、過放，應當根據運行情況，及時調整保護閾值，避免電池系統超出平臺期。

4）無法準確區分電池數據正確性

當電池系統溫度或電壓出現驟然增長的情況時，一般需要區分是電池處于運行末期、采樣值跳變還是電池出現運行風險。而現有的保護邏輯，僅計算電池單位時間內的變化差值，但是計算過程必然存在延遲，并且無法準確區分數據異常點，往往會導致系統運行受限于某一異常數據，降低了系統運行的兼容性。

3 磷酸鐵鋰電池系統暫態保護思路

為保證磷酸鐵鋰電池在系統應用中安全穩定運行，需要在現有保護邏輯基礎上，增加預防性保護邏輯，即電池系統暫態保護，以便在電池系統出現電壓、溫度偏差時，及時預警，并聯動艙內保護裝置，快速靈敏地切斷故障源，降低磷酸鐵鋰電池系統事故風險。

1）提高與消防系統的聯動程度

熱失控防控應秉持預防為主、滅火為輔的設計理念。將電池系統溫升變化信號接入電池消防系統，作為滅火介質的啟用判據之一。以便快速啟用滅火介質，及早遏制電池系統內部氧氣含量，降低熱失控擴大風險，及故障規模。同時也可以使用溫升變化作為保護鎖，避免消防主機誤動。

2）權能拆分，設立獨立的分析保護模塊

將電池數據收集、存儲功能和電池保護功能進行拆分，將監視與保護權限下放，在更小的電池單位，例如電池簇，對電池系統進行深度監護管理，同時為保護運行數據完整，數據存儲裝置放置于電池系統外部。

3）調整保護響應條件

采用運行曲線耦合的方式，取代傳統的使用固定保護閾值的方式，以實時預判電池運行風險。即通過對電池運行數據的實時監控，測定運行曲線，當電池運行數據出現偏差時，能快速進行報警及暫態保護。同時定期在電池容量出現一定程度下滑時，自行重新進行測定運行曲線。此外使保護閾值動態化，更能精確區分電池當前是處于故障臨界點、充放電末期，亦或是采集數據出現誤差。

此外磷酸鐵鋰電池在絕熱環境下的熱失控過程可以明顯地分為自發熱階段（溫升速率≥0.02℃/min）和熱失控階段（溫升速率≥1℃/min，或稱自加熱狀態）[5]，因此可以考慮使用變化率作為保護參考值。

4 磷酸鐵鋰電池系統暫態保護邏輯

根據上述思路，針對磷酸鐵鋰電池系統設計一套暫態保護邏輯。主體以運行曲線作為保護閾值界定標準，以電壓或溫度的變化率作為保護判別條件，以實現磷酸鐵鋰電池系統的暫態保護，提高響應電池保護的速動性。

1）根據電池系統平均運行數據預設電壓和溫度保護閾值，其中{U}為電壓數據偏移限制值，{U}為電池分布偏移限制值，U為臨近電池電壓均值，為電壓實際值，為電壓數據偏移值，上述單位均為mV；{T}為溫度數據偏移限制值，t為溫度保護時限值，為溫度數據偏移值，上述單位均為℃；為溫度保護生效計時，單位為s。

2）根據電池系統歷史運行數據，制定電池電壓及溫度的模板曲線。

3）將儲能電池系統投入運行，持續監測電池電壓和溫度，并生成相應的溫度和電壓運行實時曲線。

4）當監測到電池電壓運行曲線與模板曲線偏移量不屬于{U}時，計算電壓實際值和臨近電池電壓均值的差值-U。若差值屬于{U},則正常停機。若不屬于，則需要檢查溫度數據偏移量是否屬于限定值{T}。若屬于則輸出熱失控風險預警信號至消防系統，反之則判定該點電壓數據異常。

5）當監測到電池溫度運行曲線與模板曲線偏移量不屬于{T}時，啟動空調進行制冷，并開始記錄溫度保護生效計時。當溫度保護生效計時≥t時，系統將判定空調系統制熱失效，自動停止運行。

圖1 磷酸鐵鋰電池系統暫態保護邏輯

5 結束語

本文對現有磷酸鐵鋰系統保護原理進行了分析，并針對其薄弱環節制定了保護策略，提出了使用運行曲線耦合的方式實現對磷酸鐵鋰電池安全運行的暫態保護策略。后續將在此基礎上，對磷酸鐵鋰電池系統運行曲線波動性進行研究，使運行曲線檢驗更加靈敏。

[1] 嚴干貴，謝國強，李軍徽，等. 儲能系統在電力系統中的應用綜述[J]. 東北電力大學學報，2011, 31(3): 7-8.

[2] 李圣勇, 宋春寧. 規模化儲能系統中的電池管理系統的設計[J]. 制造業自動化，2014, 36(1): 83-84.

[3] 曹文炅, 雷博, 史尤杰, 等. 韓國鋰離子電池儲能電站安全事故的分析及思考[J]. 儲能科學與技術, 2020, 9(5): 1539-1547.

[4] 周喜超, 王楠，徐街明，等. 磷酸鐵鋰電池管理技術及安全防護技術研究現狀[J]. 熱力發電，2021, 50(6): 9-17.

[5] 劉洋, 陶風波, 孫磊, 等. 磷酸鐵鋰儲能電池熱失控及其內部演變機制研究[J]. 高電壓技術, 2021, 47(4): 1333-1343.

Research on fault protection method of lithium iron phosphate battery

Liu Huaizhao, Jing Shuojun, Wang Wenbo, Zhang Yuewei, Zhu Qihang

（Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan, China)

TM912

A

1003-4862（2023）12-0059-03

2023-06-09

劉懷照（1982-），男，工程師。主要從事儲能系統設計。E-mail：hzhliu2006@126.com