磷酸铁锂电池储能系统的应用研究

苏 适 王增新

(1.云南电网电力研究院，云南 昆明 650217;2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站)

1 前言

为了提高电网效率、稳定性，早已将铅酸电池引入电网中作为储能装置，但由于铅酸电池自身的短寿命，充放电倍率小等原因，一直无法满足电网储能应用的要求。随着电池行业研究的深入，出现的磷酸铁锂电池因其寿命长、安全性能好、成本低等优点，成为储能装置的理想选择［1－7］。

2 蓄电池性能比较

表1 磷酸铁锂动力电池与其他动力电池对比

磷酸铁锂电池与其他动力电池相比，循环寿命长出4倍，比能量也高很多，单体电压也是电池中最高的，安全环保，但是由于材料和生产技术的原因，其成本较高，不过磷酸铁锂电池在锂离子电池中成本是较低的。

表2 不同材料锂离子电池性能比较

3 磷酸铁锂电池性能

图1 电池容量－时间衰减曲线

图2 电池容量－温度关系曲线

由图1可以看出单体磷酸铁锂电池在15年间使用后容量由190Ah降低到150Ah，降低40Ah。从根本上讲，影响锂电池寿命的一个关键因素是固体电解质界面膜。在锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层，具有固体电解质的特征，是电子绝缘体同时是Li+的优良导体，Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出，这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”(solid electrolyte interface)，简称SEI膜［8］。SEI膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，能够很大提高电极的循环性能和使用寿命。

由图2可以看出同块电池放出的容量和温度高低是相关的。随着温度的升高电池放出的容量在变大，但是电池在放电平台上放出来的容量才具有应用价值，因为过了放电平台后电压会急剧下降，电池管理系统(BMS)也会对电池进行保护，会使系统待机直至停机。磷酸铁锂电池放电平台在3.3V左右，由性能曲线可以看出60℃下电池放出的容量最多，但是高温会破坏电池自身的内部机理，使电池更易接受充电电流，也加快了栅极腐蚀速度和气体的生成析出，从而缩短其寿命，所以经常保持使用环境在常温25℃时是发挥电池性能及保证使用寿命的关键条件。

图3 工况下单体电池充电曲线

图4 工况下单体电池放电曲线

电池充电时先恒流充电至充电截止电压后转恒压充电，即蓄电池浮充。对于蓄电池来说，充电方式包括恒流充电，恒压充电和恒功率充电，但是每一种充电方式都是充至截止电压时转为蓄电池浮充电方式，就是改用小电流给电池继续充电，也叫涓流充电。这种浮充状态对电池有很多好处。首先在浮充电压范围内时电池的栅板腐蚀处于最慢的状态，可延长电池使用寿命;再次，可以补充电池因自放电造成的容量损失，保证电池充足电力;还有可以抑制活性物质重结晶造成的硫酸盐化。这个浮充电压不是人为设定的，而是电池出厂时电压设定了浮充电压，只要以后电压处于浮充电压范围内时就自动形成了浮充电流。图4显示的是将纵坐标调到3.2V到3.36V之间时电池的放电特性，可以很直观地看出电池3.3V左右的放电平台。

对于磷酸铁锂单体电池而言有很多优点，但是由于是新型电池，生产技术水平有限，造成电池间存在着一致性的问题，而储能系统均是由大量的单体成组构成，除了对单体电池性能有要求外，对成组以后系统的性能要求更高，所以研究成组后电池堆性能更有实用价值，下文便展开对锂电池堆的应用分析。

4 应用分析

以某微网中储能系统为例，储能装置是由432支单体180Ah，3.2V磷酸铁锂电池构成两并216串额定容量248kWh，额定电压691.2V的电池堆，接入微网400V侧Ⅰ段母线。

4.1 系统参数设置

系统中电池堆充满电时总电压在720V左右，这是由于充满电后，大部分的电池电压在3.35V附近，按照系统结构产生的总电压就在720V附近，而每次充电后每支电池的电压都不相同，是因为电池中一致性问题的存在，故每次充电结束后的总电压也都不尽相同。系统放电结束后，电压常在692V附近，这是由于电池管理系统为了保护电池进行了参数设置，使电池在放电结束后电压常在3.2V附近。

因电池厂家针对应用方对电池循环寿命的要求和自身电池的保护，在电池管理系统中进行了告警和保护的设置。当系统检测到电池的参数达到报警门限时，BMS会与逆变器通信，逆变器发出待机的指令，下次操作只要正常操作就可以恢复;当参数达到保护门限时，逆变器下发停机故障指令，下次操作需要人为检查出现保护事件的原因并修复才可以操控电池堆，这样便可以更好地保护电池堆。本系统将单体充电过压告警设置为3.6V，充电过压保护为3.9V，放电欠压告警为3V，放电欠压保护为2V，这样电池堆充电过压告警门限遍设为777.6V，过压保护门限为842.4V，放电欠压告警门限设为648V，欠压保护门限为432V。同时为了保证电池堆的使用年限，初始充放电深度设置在67%，可保证循环寿命高于5500次，按照1天1充1放计算，则可使用15年。所以由于门限值的设置，使电池堆提供的能量不足248kWh，在BMS中，初始设置额定电池堆容量为190kWh，校正电池容量为190kWh，剩余电池容量为0kWh。额定电池容量是由厂家提供的，校正电池容量是指电池实际能够充入/放出的容量，剩余电池容量就是根据额定容量和校正容量的差值得到的剩余容量，而显示屏中显示的荷电状态(soc)为剩余电池容量与校正电池容量的比值。这样的初始设置，使得soc对应于0%到100%之间变化。

4.2 电池的电压跳变

图5和图6由BMS软件中得到，图5为1号电池组充电结束时的示意图，图6为1号电池组放电结束时的示意图。

图5 充电结束

图6 放电结束

图5中可看出电池一致性的差异，在充电过程中要比充电结束静置后电压差值大，充电中最大电压差值为50mV，即差值比为1.5%，这个值很小而且在动态中。静置后每一支电池的电压都差不多在3.33V左右，相差很小。同时可以通过长期的监测，找出容量小的或大的电池来便于更换，以免破坏电池堆的整体性能。图5中显示充电结束后电压有一个回落。图6同样也可以看出放电过程中比放电结束静置后电压差值大，放电结束后电压有一个回升，静置后每支电池的电压差也会变小。这一次的循环充放电表明电池在充放电时电压会不断的波动，而充放电结束时都会有一个小的电压跳变。

由于电池本身有内阻，在外接电源给电池充电中，内阻会有一定分压，当BMS检测电池电压到3.6V时，通信至逆变器，逆变器下发待机指令，即断开充电回路，内阻分压就会瞬间消失，所以电池两端电压(可以理解为开路电压)就会瞬间减小，达到一定值;当电池放电中，电池为电源，内阻当然也会产生电压，当检测达到报警门限电压时，系统待机停止放电，内阻分压也回瞬间消失，所以电池电压就会瞬间增大，达到一定值。所以由于内阻分压的存在就会出现电压跳变这一现象。而内阻分压这一现象可以定义为“电池虚压”。

电池虚压的存在有一定好处，在BMS中设置有门限值，在充放电过程中只要有一支单体电池的虚电压达到门限值就会出现告警，于是系统待机。这样一来，可以更好地保护电池，只要BMS不出现问题就不会出现严重的过充过放现象。但是，电池虚压的存在也会导致电池不易发挥更大的性能，所以电池内阻越小越好，同时设置好门限值对发挥性能也至关重要。本系统设置的门限值只能让储能堆放出82.6%的容量，这样可以保证电池的使用寿命，保证循环次数。

4.3 均衡分析

本系统中采用主动均衡，又叫有源均衡，就是在某支电池接近过充时，通过搬移该电池充电电流到其他尚未充满的电池中去，而不是像被动均衡一样充电电流变成热，同样放电过程也一样。由于没有热耗散问题，所以系统均衡电流可以比较大，平均均衡电流为2A，最大可以做到5A。均衡电路如图7所示。

图7 主动均衡电路

本系统中的均衡是在充电过程中进行均衡，放电时不做均衡。当一支电池电压高了，就把电流搬移到临近的两支电池中，当一支电池电压低了，临近的两支电池就把电流搬移到该支电池，直到在均衡开启电压差门限值以内时停止搬移。本系统均衡开启电压门限值为3.3V，即电池电压达到3.3V就开启均衡电路进行动态均衡;均衡开启电压差门限值为0.02V，即在两支电池电压差达到0.02V时开启均衡。图8为关均衡和开均衡时第2串电池的性能对比，图9为关均衡和开均衡时第1组电池的充电性能对比。

图8 关/开均衡第2串电池的充电性能

图9 关/开均衡第1组电池的充电性能

图8中系列1是关掉均衡时第2串电池的电压充电曲线，系列2是开启均衡时第2串电池的电压充电曲线。选第2串是因为在BMS软件中发现第2串在所有电池中的电压是最高的。两者都是在电池静置时开始充电，系列1中电压偏高，所以开启均衡时可以更好地分散电流，让每一块电池的电压大小更趋于一致。图9中，前面的充电曲线为关均衡时的充电曲线，再以相同倍率对电池放电，然后开启均衡充电。由于电池是新电池，电池的内阻和容量都很接近，所以开/关均衡时效果并不明显，但是关均衡时第1组电池的电压还是较开均衡时偏高，并且通过BMS记录的数据，关均衡时显示充入187kWh，开均衡时显示充入191kWh，所以开均衡时电池充入的容量比较多，多平均充入2.1%。而关均衡充电时最大电压差为0.0373V，开均衡充电时最大电压差为0.0318V，这说明在动态充电中本系统具有一定的均衡效果，充满电后最大电压差为0.0057V，电池组内电池一致性很好，满足系统的要求。其它组电池状况一样，具有良好的一致性。

5 结论

该系统中，为了保证电池寿命，充放电时最大使用0.3C即108A的电流，因为很大的电流充放电易使锂离子大量聚集形成枝晶，会刺穿隔膜造成电池内部短路，对电池造成损伤，正常运行时常使用0.2C附近的电流充放电。经多次的充放电实验，BMS显示平均充入或放出的电量在206kWh附近，逆变器显示平均充入或放出的电量在212kWh附近，故该系统逆变消耗大概在2.8%;而电池堆平均充入常在207kWh附近，平均放出常在200kWh附近，故系统储能效率大致在96.6%。满足电网储能的应用要求。

本文中解释了电池电压跳变的原因，同时提出了“电池虚压”这一概念，确定了电池管理系统设置的门限值和校正电池容量值，保证了储能系统的正常运行，并通过充放电实验验证了系统中主动均衡的效果，为其它微网储能的应用提供了依据。

［1］张宾，林成涛，陈全世.电动汽车用LiFePO4/C锂离子蓄电池性能［J］.电源技术，2008，32(2):95－98.

［2］王治华，殷承良.电动汽车用LiFePO4锂离子电池安全性分析［J］.电池工业，2008，13(3):169－172.

［3］赵淑红，吴锋，王子冬.磷酸铁锂动力电池工况循环性能研究［J］.电子元件与材料，2009，28(11):43－47.

［4］张宾.电动汽车用动力锂离子电池的电压特性［J］.电池工业，2009，14(6):398－403.

［5］华宁.锂离子蓄电池正极材料LiFePO4研究进展［J］.电子元件与材料，2007，26(12):1－4.

［6］赵新兵，谢健.新型锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展［J］.机械工程学报，2007，43(1):69－76.

［7］张宾.电动汽车用磷酸铁锂离子电池的PNGV模型分析［J］.电源技术，2009，33(5):417－421.

［8］倪江锋，周恒辉，陈继涛，苏光耀.锂离子电池中固体电解质界面膜(SEI)研究进展.化学进展，2004年5月，第16卷第3期.