儲(chǔ)能電池單元可靠性提升研究

嚴(yán) 偉,馬曉恬,孟 磊,顧志斌,王萬純,熊 杰,潘明俊

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211100;2.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司,江蘇 常州 213025)

0 引言

為了應(yīng)對(duì)日益增長的電力需求和環(huán)境壓力,電力系統(tǒng)正形成高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備(即“雙高”)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著新能源和電力電子設(shè)備的滲透率增加,電力系統(tǒng)有著慣性減小、系統(tǒng)強(qiáng)度變?nèi)醯内厔?shì),穩(wěn)定性問題愈發(fā)嚴(yán)重。一方面,構(gòu)網(wǎng)(grid-forming,GFM)控制技術(shù)可以提高變流器的電壓、頻率支撐能力,增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性;另一方面,儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的作用包括為系統(tǒng)提供有功或無功支撐、提高新能源并網(wǎng)能力、參與調(diào)峰調(diào)頻、故障期間短時(shí)供電等。采用構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)來控制儲(chǔ)能變流器,可以提高新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵,其絕緣耐壓水平是檢驗(yàn)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。而電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的局部放電無論何種形式,無論發(fā)生在內(nèi)部還是表面,都會(huì)對(duì)設(shè)備的絕緣產(chǎn)生破壞。由懸浮引起的局部放電、由氣泡引起的局部放電、由導(dǎo)體尖端引起的尖端放電都可能會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生不同影響[1-7]。

當(dāng)前國內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的研究并不多,中國電力科學(xué)研究院公司建立了適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的二階共模等效電路模型,開展了對(duì)電池系統(tǒng)共模電壓和共模電流問題的研究[8]。上海船舶設(shè)備研究所和南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院合作,針對(duì)模組間的一致性差和電量不均衡現(xiàn)象,提出了一種基于雙向反激變換器的儲(chǔ)能電池模組雙向主動(dòng)均衡系統(tǒng),有效降低了電量的不均衡度[9]。

本文主要聚焦儲(chǔ)能電池單元可靠性提升的研究。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的絕緣耐壓邊界及在高海拔環(huán)境下的應(yīng)用能力,并探究了線束放電對(duì)電池系統(tǒng)絕緣和耐壓性能的影響。這些研究成果為后續(xù)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1 儲(chǔ)能電池單元可靠性

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)只有四個(gè)部分,分別是儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器(power conversion system,PCS)、能量管理系統(tǒng)(energy management system,EMS)和電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)。BMS主要裝置包括電池模塊管理單元(battery management unit,BMU)、電池簇管理單元(battery cluster management unit,BCMU)、電池堆管理單元(battery stack management unit,BSMU)、高壓控制箱、液晶屏裝置等,具體配置按工程設(shè)計(jì)進(jìn)行[10]。儲(chǔ)能電池單元包括電池、電池包相關(guān)結(jié)構(gòu)、線束、電池包管理單元等部分。

1.2 絕緣耐壓及局部放電

絕緣耐壓測(cè)試是一種用于檢驗(yàn)和評(píng)定電工設(shè)備絕緣耐受電壓能力的技術(shù)手段。設(shè)備的任何局部絕緣破壞都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備失去絕緣性能。因此,通常使用能夠耐受多高的試驗(yàn)電壓(單位為kV)來表示設(shè)備的整體絕緣能力[11]。

局部放電現(xiàn)象主要指電力設(shè)備絕緣在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下局部范圍內(nèi)放電。據(jù)電網(wǎng)統(tǒng)計(jì),局部放電是造成高壓電氣設(shè)備最終發(fā)生絕緣擊穿的重要原因,也是絕緣劣化的重要標(biāo)志。

在20 ℃、101 325 Pa和絕對(duì)濕度為11 g/m3的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,通常認(rèn)為均勻電場(chǎng)空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為30 kV/cm,也就是1 cm的距離需要30 kV的電壓才能擊穿,1 mm的距離需要3 kV的電壓才能擊穿。

局部放電一般包括電暈放電、電弧放電、表面放電、氣隙(內(nèi)部)放電。其中,氣隙(內(nèi)部)放電通常是電纜、套管、GIS接頭絕緣等固體絕緣中的缺陷引起的。氣隙放電對(duì)絕緣體的破壞性通常會(huì)持續(xù)擴(kuò)大,直至絕緣體完全失效[12-15]。

本次儲(chǔ)能電池單元的絕緣耐壓性能研究主要針對(duì)電池本身、電池結(jié)構(gòu)、線束以及電池管理單元進(jìn)行了絕緣和耐壓的試驗(yàn)驗(yàn)證,并探究了線束局部絕緣缺陷對(duì)絕緣耐壓的影響。

2 試驗(yàn)原理及方案

2.1 電氣試驗(yàn)原理

儲(chǔ)能電池模塊的絕緣耐壓電氣原理如圖1所示。盡管絕緣和耐壓性能的電氣原理相同,但評(píng)判指標(biāo)和試驗(yàn)電壓有所不同。絕緣性能的評(píng)判指標(biāo)是在特定試驗(yàn)電壓下的絕緣電阻;耐壓性能的評(píng)判指標(biāo)是在特定試驗(yàn)電壓下的漏電流。操作電壓分為工頻交流電壓和直流電壓,由于電池模塊本身為直流電源,故采用直流電壓作為試驗(yàn)電壓。雖然絕緣和耐壓電氣原理相同,但考核指標(biāo)不同,因此分別對(duì)絕緣和耐壓進(jìn)行考核試驗(yàn)。此外,為了試驗(yàn)的全面性,本試驗(yàn)分別對(duì)電池模塊的正對(duì)地和負(fù)對(duì)地的絕緣和耐壓能力進(jìn)行考核。

圖1 電池模塊絕緣耐壓電氣原理Fig.1 Electrical principle of insulation and withstand voltage for battery modules

2.2 電氣試驗(yàn)方案

儲(chǔ)能電池模塊由電池主體(結(jié)構(gòu)件+模塊)、二次采集線纜和BMU構(gòu)成。三者中絕緣耐壓水平最低的決定了儲(chǔ)能電池模塊的絕緣耐壓上限。采用分層解耦、逐級(jí)疊加的方法對(duì)電池主體、二次采集線纜和BMU進(jìn)行絕緣和耐壓測(cè)試。

根據(jù)GB/T 36276—2018[16],電力儲(chǔ)能用鋰離子電池(工作電壓1.5 kV)的絕緣國標(biāo)為2.5 kV。因電池系統(tǒng)的特殊性(有源系統(tǒng)),在實(shí)際的絕緣或耐壓過程中,需首先驗(yàn)證是否存在電勢(shì)疊加的情況,即在電池模塊不斷串聯(lián)的過程中,絕緣和耐壓電勢(shì)是否會(huì)不斷升高。

若存在電勢(shì)疊加,針對(duì)1 500 V系統(tǒng),系統(tǒng)末端將承受接近4 000 V的電壓。考慮1.1倍的系數(shù),絕緣標(biāo)準(zhǔn)需達(dá)到4.4 kV。

耐壓國標(biāo)為3.8 kV,根據(jù)海拔和耐壓的關(guān)系,對(duì)于海拔高于1 000 m但不超過4 000 m的設(shè)備外絕緣,每增加100 m的海拔,絕緣強(qiáng)度約降低1%。

根據(jù)式(1),考慮海拔4 800 m的絕緣耐壓要求,因現(xiàn)有35 kV及以下大多數(shù)電氣設(shè)備外絕緣已有一定裕度,所以按照4 000 m以下的情況考慮,要求耐壓強(qiáng)度達(dá)到7 400 V。

UGB=[1-(H/100)×1%]×Umax

(1)

2.2.1 絕緣測(cè)試方案

通過后臺(tái)連接BMS對(duì)儲(chǔ)能電池的溫度和電壓進(jìn)行采集,確保數(shù)據(jù)正常后,按照表1中的工況進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試,將電壓設(shè)定為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)值,持續(xù)時(shí)間60 s,并記錄絕緣電阻值。每次試驗(yàn)結(jié)束后,需要對(duì)電池模塊的殘余電荷進(jìn)行釋放。

表1 絕緣電阻測(cè)試工況Table 1 Insulation resistance test conditions

2.2.2 耐壓測(cè)試方案

通過后臺(tái)連接BMS對(duì)儲(chǔ)能電池溫度和電壓進(jìn)行采集,數(shù)據(jù)正常之后,按照表2中的工況進(jìn)行耐壓性能測(cè)試,將電壓設(shè)定至測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)值,持續(xù)時(shí)間60 s,記錄漏電流數(shù)值。每次試驗(yàn)結(jié)束之后,需要對(duì)電池模塊殘余電荷進(jìn)行釋放。

表2 漏電流測(cè)試工況Table 2 Leakage current test conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 電勢(shì)疊加現(xiàn)象驗(yàn)證

測(cè)試對(duì)象為一臺(tái)完整的儲(chǔ)能電池單元,另外準(zhǔn)備了絕緣測(cè)試儀器、萬用表及防護(hù)工具等進(jìn)行絕緣測(cè)試。

設(shè)置500 V的電壓值進(jìn)行負(fù)極對(duì)地絕緣試驗(yàn)。在這個(gè)試驗(yàn)中,電池模塊的負(fù)極對(duì)地電壓為500 V,測(cè)試負(fù)極的第一個(gè)電芯對(duì)地絕緣為500 V,而遠(yuǎn)離負(fù)極的第a個(gè)電芯對(duì)地電壓為665 V。這兩者的電勢(shì)差剛好近似等于a-1個(gè)電芯本身壓差之和。

進(jìn)行正極對(duì)地絕緣試驗(yàn)。在這個(gè)試驗(yàn)中,電池模塊的正極對(duì)地電壓為500 V,測(cè)試正極的第一個(gè)電芯對(duì)地絕緣電壓為500 V,而遠(yuǎn)離正極的第a個(gè)電芯對(duì)地電壓為335 V。同樣,這兩者的電勢(shì)差也剛好近似等于a-1個(gè)電芯本身壓差之和。(a≤N,N為電池包中電芯總數(shù))重復(fù)上述試驗(yàn),設(shè)置1 000 V電壓值,得到相同結(jié)果。由于耐壓試驗(yàn)在電壓施加上的原理與絕緣測(cè)試一致,故不作贅述。

由此說明,儲(chǔ)能電池單元在絕緣或耐壓過程中確實(shí)存在電勢(shì)疊加的情況。針對(duì)1 500 V系統(tǒng),在負(fù)極進(jìn)行國標(biāo)2.5 kV的絕緣測(cè)試時(shí),遠(yuǎn)離總負(fù)電池模塊的電壓逐級(jí)升高,最高可達(dá)4 000 V。

因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線束選擇和BMU板卡等方面,需按照4 000 V或更高水平進(jìn)行設(shè)計(jì)和執(zhí)行。

3.2 儲(chǔ)能電池單元可靠性研究

在工況1條件下,絕緣及耐壓測(cè)試均未發(fā)生擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象,對(duì)模塊復(fù)測(cè)通訊、電壓及溫度數(shù)據(jù)均無異常。因此后續(xù)測(cè)試僅針對(duì)工況2開展。表3為工況1絕緣、耐壓測(cè)試結(jié)果。

表3 工況1測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results for condition 1

由于儲(chǔ)能電池模塊由電池主體(結(jié)構(gòu)件+模塊)、線束和BMU構(gòu)成,三者中絕緣耐壓水平最低者決定了儲(chǔ)能電池模塊的絕緣耐壓上限。首先考慮從結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的線束入手,通過改變線束與電池框架的距離、線束是否存在尖端、線束絕緣包裹層數(shù)等參數(shù),來驗(yàn)證測(cè)試對(duì)象的放電因素以及對(duì)儲(chǔ)能電池單元可靠性的影響。

3.2.1 絕緣能力研究

在不同工況條件下使用絕緣測(cè)試設(shè)備(量程范圍DC:0～5 kV)對(duì)產(chǎn)品逐級(jí)施加直流電壓,直至發(fā)生擊穿、閃絡(luò),并記錄邊界電壓值。不同工況下絕緣測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同工況下絕緣測(cè)試結(jié)果Table 4 Insulation test results under different working conditions

由此說明當(dāng)線束不存在絕緣缺陷時(shí),在測(cè)試設(shè)備條件允許下,可達(dá)到5 kV及以上絕緣能力。即在存在電勢(shì)疊加的實(shí)際應(yīng)用條件下,測(cè)試對(duì)象仍能夠滿足絕緣國標(biāo)2.5 kV、1.1倍電壓裕度(實(shí)際DC 4.4 kV)的絕緣要求。存在絕緣缺陷的高壓線束可能會(huì)造成局部放電,距離另一導(dǎo)體越近,越易發(fā)生放電現(xiàn)象,進(jìn)而造成電池模塊及BMU絕緣耐壓能力下降,尤其易對(duì)BMU造成破壞性損傷。

3.2.2 耐壓能力探究

在不同工況條件下使用耐壓測(cè)試設(shè)備對(duì)產(chǎn)品逐級(jí)施加直流電壓,緩慢抬升,直至發(fā)生擊穿、閃絡(luò),并記錄邊界電壓值。不同工況下耐壓測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 不同工況下耐壓測(cè)試結(jié)果Table 5 Voltage withstand test results under different working conditions

由此說明,當(dāng)線束不存在絕緣缺陷時(shí),在測(cè)試設(shè)備條件允許下,儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能電池模塊可達(dá)到7.4 kV及以上的絕緣能力。根據(jù)2.2節(jié)中海拔-耐壓關(guān)系,可推算在高海拔條件下(4 800 m),儲(chǔ)能電池單元仍能耐受DC 3.8 kV的電壓。然而,如果高壓線束存在絕緣缺陷,可能會(huì)導(dǎo)致局部放電,進(jìn)而降低電池模塊及BMU的絕緣耐壓能力,尤其易對(duì)BMU造成破壞性損傷。對(duì)線束進(jìn)行絕緣防護(hù),例如增加絕緣膠帶的包裹可有效提升產(chǎn)品的耐壓能力。在理想狀態(tài)下,儲(chǔ)能電池模塊及其管理單元可耐受DC 8.0 kV及以上電壓。

3.3 可靠性提升方案

根據(jù)2.2節(jié)中試驗(yàn)結(jié)果分析,線束是否存在尖端、線束與鈑金框架距離、線束絕緣包裹情況等是影響線束放電的三個(gè)重要方面。

針對(duì)上述影響因素可以從以下兩個(gè)方向提升產(chǎn)品的可靠性。

(1)結(jié)構(gòu)改進(jìn):增加線束與鈑金之間的間隙,至少4 mm以上;同時(shí)增加儲(chǔ)能電池單元鈑金的絕緣包覆結(jié)構(gòu),形成絕緣隔離。

(2)工藝改進(jìn):提升線束的工藝水平,在采樣線焊點(diǎn)處包裹3～4層電工絕緣膠帶后再包裹布基膠帶以避免焊點(diǎn)與鈑金結(jié)構(gòu)產(chǎn)生尖端,或?qū)⒑附庸に嚫臑閴航庸に嚒?/p>

4 總結(jié)

本文通過理論分析及電氣試驗(yàn)驗(yàn)證了儲(chǔ)能電池單元在絕緣耐壓過程中存在電勢(shì)疊加現(xiàn)象,在理想狀態(tài)下,儲(chǔ)能電池單元的絕緣可超過5 kV,耐壓能力可超過8.0 kV。根據(jù)海拔-耐壓關(guān)系推算,儲(chǔ)能電池單元在高海拔條件下(4 800 m)仍可應(yīng)用。本文還重點(diǎn)討論了放電對(duì)儲(chǔ)能電池單元絕緣耐壓的影響,并通過改變線束與電池框架的距離、線束是否存在尖端、線束絕緣包裹層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,線束尖端距離鈑金4 mm以內(nèi)即可能會(huì)發(fā)生放電,從而降低儲(chǔ)能電池單元的可靠性。通過增加絕緣包裹、改進(jìn)線束工藝、增強(qiáng)絕緣防護(hù)等措施能夠極大提升產(chǎn)品穩(wěn)定性。另外,絕緣耐壓試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn),因此,在一些缺少備品或修復(fù)時(shí)間較長的關(guān)鍵設(shè)備中,應(yīng)慎重考慮是否進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)。當(dāng)然,此次針對(duì)儲(chǔ)能電池單元可靠性的研究仍有很多不足。一方面,受限于絕緣測(cè)試設(shè)備的量程,未能繼續(xù)探究絕緣的邊界;另一方面,在探究絕緣耐壓影響因素時(shí),僅考慮了結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的線束,而對(duì)于電池模塊結(jié)構(gòu)和管理單元的內(nèi)部因素對(duì)整體絕緣耐壓的影響將在以后的研究中進(jìn)行探索。