磷酸鐵鋰電池故障保護(hù)方法研究

劉懷照，荊鑠鈞，鄒乃佳，王文博，張躍偉，朱起航

應(yīng)用研究

磷酸鐵鋰電池故障保護(hù)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(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

為保障磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文對(duì)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)常見(jiàn)故障機(jī)理，及現(xiàn)有保護(hù)機(jī)制薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析。并設(shè)計(jì)歸納出一套暫態(tài)保護(hù)邏輯，使用運(yùn)行曲線耦合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護(hù)，能有效提高電池系統(tǒng)保護(hù)的靈敏性和速動(dòng)性。

磷酸鐵鋰電池 保護(hù)設(shè)計(jì) 安全運(yùn)行

0 引言

儲(chǔ)能技術(shù)按其具體方式可分為機(jī)械儲(chǔ)能（抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）、電磁儲(chǔ)能（超級(jí)電容器、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等）和電化學(xué)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展及工程應(yīng)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于每個(gè)磷酸鐵鋰電池單體的生產(chǎn)工藝、使用條件存在差異，單體性能和參數(shù)并不完全一致，使得電池單體的運(yùn)行容量存在偏差。而電池系統(tǒng)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(yùn)行偏差，使得電池系統(tǒng)的電、熱特性變得復(fù)雜，增加了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率。

為了維持電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電池系統(tǒng)一般配置相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)。現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)多采用設(shè)定固定保護(hù)閾值方式進(jìn)行保護(hù)，但是現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)顆粒度大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護(hù)。并且電池管理系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，缺少與其他系統(tǒng)的雙向保護(hù)聯(lián)動(dòng)。

因此本文對(duì)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)現(xiàn)有保護(hù)機(jī)制進(jìn)行分析，針對(duì)其薄弱點(diǎn)提出磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)保護(hù)思路，并設(shè)計(jì)一套磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)邏輯。

1 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)常見(jiàn)故障機(jī)理

磷酸鐵鋰電池電、熱、老化動(dòng)態(tài)行為具有明顯的非線性耦合特點(diǎn)，電池的成組化和大型化使得系統(tǒng)的行為特性變得更加復(fù)雜，加之大規(guī)模磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電站中電池艙內(nèi)部各系統(tǒng)設(shè)備種類繁多，存在類型復(fù)雜、數(shù)量大、對(duì)外接口不統(tǒng)一、設(shè)備狀態(tài)各異等特點(diǎn)，設(shè)備間相互兼容困難，難以實(shí)現(xiàn)電池的統(tǒng)一監(jiān)管、調(diào)度和運(yùn)維。根據(jù)目前磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電站運(yùn)行情況，磷酸鐵鋰電池常見(jiàn)故障多出現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，并且故障特征多反饋在溫度和電壓。相對(duì)于電池單體，集成后的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更容易出現(xiàn)故障。常見(jiàn)的故障誘因如下：

1）電池電壓及健康狀態(tài)告警

電池系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，需要保證電池間電壓基本一致。當(dāng)電池組內(nèi)部出現(xiàn)不一致時(shí)，會(huì)因故障電池更早到達(dá)電壓保護(hù)閾值，使系統(tǒng)較早停止運(yùn)行，導(dǎo)致電池系統(tǒng)無(wú)法按照設(shè)定容量進(jìn)行充放，影響系統(tǒng)使用。此類問(wèn)題經(jīng)常見(jiàn)于電池系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，各電池單體間出現(xiàn)容量差異。

2）電池溫度告警

電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱量，熱量累積過(guò)多，會(huì)使電池內(nèi)部反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)趨于失控，但如果電池溫度過(guò)低，還會(huì)影響電池內(nèi)部活性，降低電池輸出功率，影響正常運(yùn)行，因此，電池系統(tǒng)通常會(huì)配備如空調(diào)之類的溫度調(diào)節(jié)設(shè)備來(lái)改善電池系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。但受限于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及溫度響應(yīng)點(diǎn)規(guī)劃等因素，會(huì)使電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度出現(xiàn)兩極分化的趨勢(shì)，部分高溫電池組受限于其他低溫電池組，無(wú)法正常通過(guò)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)、制冷降溫操作，反之亦然，從而加重電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度異常。

此外，電池系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)因內(nèi)部劇烈的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀矔?huì)反映為電池溫度過(guò)高或溫升過(guò)快，常見(jiàn)的熱失控因素有電池內(nèi)部短路等。

2 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)現(xiàn)行保護(hù)缺陷

目前磷酸鐵鋰電池常使用電池管理系統(tǒng)作為保護(hù)裝置，電池管理系統(tǒng)的主要原理是：采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括單體電壓、充放電電流、溫度等數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合電池前一個(gè)狀態(tài)信息得到當(dāng)前狀態(tài)信息，電池狀態(tài)信息主要包括SOC、SOH、故障狀態(tài)、熱管理狀態(tài)等[2]。但該裝置集采樣、存儲(chǔ)、保護(hù)控制等多重功能于一身，使得其無(wú)法專注于分析電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。電池的電壓和電流通過(guò)采集線束上送至電池管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)與設(shè)定閾值進(jìn)行比對(duì)，判斷當(dāng)前電池運(yùn)行狀態(tài)是否正常，因此，現(xiàn)行保護(hù)存在以下缺陷。

1）缺少設(shè)備間雙向聯(lián)動(dòng)

由于電池系統(tǒng)的保護(hù)邏輯涉及多種設(shè)備，不同設(shè)備間缺乏必要的信息雙向聯(lián)動(dòng)及故障風(fēng)險(xiǎn)共享機(jī)制，使得電池系統(tǒng)保護(hù)邏輯固定、呆板。當(dāng)設(shè)備間進(jìn)行必要聯(lián)動(dòng)時(shí)，也會(huì)因響應(yīng)延遲，導(dǎo)致故障失控程度增加。

例如電池系統(tǒng)配套的消防系統(tǒng)，通常獨(dú)立運(yùn)行于電池管理系統(tǒng)外。僅通過(guò)自身下屬的消防探頭進(jìn)行采樣、判別，只會(huì)在必要時(shí)向電池管理系統(tǒng)傳遞消防啟動(dòng)和二級(jí)告警保護(hù)，而電池系統(tǒng)一旦出現(xiàn)熱失控風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，電池溫度雖然會(huì)急劇上升，但是要想觸發(fā)消防探頭，需要監(jiān)測(cè)到周圍環(huán)境溫度過(guò)高，或監(jiān)測(cè)到電池?zé)崾Э馗狈磻?yīng)產(chǎn)氣等，然而發(fā)展到該階段時(shí)，電池內(nèi)部鏈?zhǔn)椒磻?yīng)已經(jīng)產(chǎn)生，單體熱失控已不可逆[3]。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顆粒度大，存儲(chǔ)空間不獨(dú)立

電池管理系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)定時(shí)間，定期存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，此法記錄的數(shù)據(jù)，相較于運(yùn)行曲線，顆粒度大，無(wú)法確定數(shù)據(jù)瞬時(shí)變化率，同時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度。

現(xiàn)有的電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)往往放置于艙內(nèi)，當(dāng)事故發(fā)生后，裝置會(huì)伴隨磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的損壞，致使故障數(shù)據(jù)遺失，影響后續(xù)事故分析，而保留在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顆粒度太大（分鐘級(jí)），關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失，無(wú)法分析故障發(fā)生的點(diǎn)位、時(shí)間等，也就無(wú)法還原故障情況。

3）保護(hù)閾值固定

電池管理系統(tǒng)對(duì)鋰電池的充放電控制閾值初始值設(shè)定無(wú)法更迭，電池老化后對(duì)電池狀態(tài)估算出現(xiàn)偏差，電池壽命縮短，對(duì)電池老化出現(xiàn)異常的診斷缺乏等[4]。因此，為穩(wěn)定電池系統(tǒng)運(yùn)行，避免局部電池過(guò)充、過(guò)放，應(yīng)當(dāng)根據(jù)運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整保護(hù)閾值，避免電池系統(tǒng)超出平臺(tái)期。

4）無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分電池?cái)?shù)據(jù)正確性

當(dāng)電池系統(tǒng)溫度或電壓出現(xiàn)驟然增長(zhǎng)的情況時(shí)，一般需要區(qū)分是電池處于運(yùn)行末期、采樣值跳變還是電池出現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。而現(xiàn)有的保護(hù)邏輯，僅計(jì)算電池單位時(shí)間內(nèi)的變化差值，但是計(jì)算過(guò)程必然存在延遲，并且無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)異常點(diǎn)，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行受限于某一異常數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的兼容性。

3 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)思路

為保證磷酸鐵鋰電池在系統(tǒng)應(yīng)用中安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要在現(xiàn)有保護(hù)邏輯基礎(chǔ)上，增加預(yù)防性保護(hù)邏輯，即電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)，以便在電池系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、溫度偏差時(shí)，及時(shí)預(yù)警，并聯(lián)動(dòng)艙內(nèi)保護(hù)裝置，快速靈敏地切斷故障源，降低磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)。

1）提高與消防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)程度

熱失控防控應(yīng)秉持預(yù)防為主、滅火為輔的設(shè)計(jì)理念。將電池系統(tǒng)溫升變化信號(hào)接入電池消防系統(tǒng)，作為滅火介質(zhì)的啟用判據(jù)之一。以便快速啟用滅火介質(zhì)，及早遏制電池系統(tǒng)內(nèi)部氧氣含量，降低熱失控?cái)U(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)，及故障規(guī)模。同時(shí)也可以使用溫升變化作為保護(hù)鎖，避免消防主機(jī)誤動(dòng)。

2）權(quán)能拆分，設(shè)立獨(dú)立的分析保護(hù)模塊

將電池?cái)?shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)功能和電池保護(hù)功能進(jìn)行拆分，將監(jiān)視與保護(hù)權(quán)限下放，在更小的電池單位，例如電池簇，對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行深度監(jiān)護(hù)管理，同時(shí)為保護(hù)運(yùn)行數(shù)據(jù)完整，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置放置于電池系統(tǒng)外部。

3）調(diào)整保護(hù)響應(yīng)條件

采用運(yùn)行曲線耦合的方式，取代傳統(tǒng)的使用固定保護(hù)閾值的方式，以實(shí)時(shí)預(yù)判電池運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。即通過(guò)對(duì)電池運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，測(cè)定運(yùn)行曲線，當(dāng)電池運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時(shí)，能快速進(jìn)行報(bào)警及暫態(tài)保護(hù)。同時(shí)定期在電池容量出現(xiàn)一定程度下滑時(shí)，自行重新進(jìn)行測(cè)定運(yùn)行曲線。此外使保護(hù)閾值動(dòng)態(tài)化，更能精確區(qū)分電池當(dāng)前是處于故障臨界點(diǎn)、充放電末期，亦或是采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

此外磷酸鐵鋰電池在絕熱環(huán)境下的熱失控過(guò)程可以明顯地分為自發(fā)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(tài)）[5]，因此可以考慮使用變化率作為保護(hù)參考值。

4 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)邏輯

根據(jù)上述思路，針對(duì)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套暫態(tài)保護(hù)邏輯。主體以運(yùn)行曲線作為保護(hù)閾值界定標(biāo)準(zhǔn)，以電壓或溫度的變化率作為保護(hù)判別條件，以實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護(hù)，提高響應(yīng)電池保護(hù)的速動(dòng)性。

1）根據(jù)電池系統(tǒng)平均運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)電壓和溫度保護(hù)閾值，其中{U}為電壓數(shù)據(jù)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(shí)際值，為電壓數(shù)據(jù)偏移值，上述單位均為mV；{T}為溫度數(shù)據(jù)偏移限制值，t為溫度保護(hù)時(shí)限值，為溫度數(shù)據(jù)偏移值，上述單位均為℃；為溫度保護(hù)生效計(jì)時(shí)，單位為s。

2）根據(jù)電池系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，制定電池電壓及溫度的模板曲線。

3）將儲(chǔ)能電池系統(tǒng)投入運(yùn)行，持續(xù)監(jiān)測(cè)電池電壓和溫度，并生成相應(yīng)的溫度和電壓運(yùn)行實(shí)時(shí)曲線。

4）當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池電壓運(yùn)行曲線與模板曲線偏移量不屬于{U}時(shí)，計(jì)算電壓實(shí)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(jī)。若不屬于，則需要檢查溫度數(shù)據(jù)偏移量是否屬于限定值{T}。若屬于則輸出熱失控風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)至消防系統(tǒng)，反之則判定該點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)異常。

5）當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池溫度運(yùn)行曲線與模板曲線偏移量不屬于{T}時(shí)，啟動(dòng)空調(diào)進(jìn)行制冷，并開(kāi)始記錄溫度保護(hù)生效計(jì)時(shí)。當(dāng)溫度保護(hù)生效計(jì)時(shí)≥t時(shí)，系統(tǒng)將判定空調(diào)系統(tǒng)制熱失效，自動(dòng)停止運(yùn)行。

圖1 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)邏輯

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有磷酸鐵鋰系統(tǒng)保護(hù)原理進(jìn)行了分析，并針對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)制定了保護(hù)策略，提出了使用運(yùn)行曲線耦合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鐵鋰電池安全運(yùn)行的暫態(tài)保護(hù)策略。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上，對(duì)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)運(yùn)行曲線波動(dòng)性進(jìn)行研究，使運(yùn)行曲線檢驗(yàn)更加靈敏。

[1] 嚴(yán)干貴，謝國(guó)強(qiáng)，李軍徽，等. 儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011, 31(3): 7-8.

[2] 李圣勇, 宋春寧. 規(guī)模化儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2014, 36(1): 83-84.

[3] 曹文炅, 雷博, 史尤杰, 等. 韓國(guó)鋰離子電池儲(chǔ)能電站安全事故的分析及思考[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 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(shù)及安全防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電，2021, 50(6): 9-17.

[5] 劉洋, 陶風(fēng)波, 孫磊, 等. 磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池?zé)崾Э丶捌鋬?nèi)部演變機(jī)制研究[J]. 高電壓技術(shù), 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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：hzhliu2006@126.com