变电站磷酸铁锂电池组荷电率估算方法及均衡措施

王晓东，石一峰，阚建飞

(1.苏州供电公司，江苏 苏州 215004;2.南京工程学院 计算机工程学院，江苏 南京 211167)

0 引言

变电站直流系统目前大多采用铅酸蓄电池组作为备用电源，这类电池除一致性较差、对温度敏感和维护工作量较多等缺点外，其对环境的影响也成为不可忽略的因素。与此相比，磷酸铁锂电池具有能积比高、寿命长、维护简单等特点。综合考虑购置、基建、运行维护和废弃处理等成本之后，在变电站直流系统中采用磷酸铁锂电池具有明显的优势［1］。

磷酸铁锂电池目前较多的应用是作为电动汽车的动力电源，而作为变电站直流系统备用电源的应用案例不多。在变电站应用中，锂电池作为备用电源的工作模式，同作为动力电源时有一定差异。作为备用电源时，充分利用电池的荷电能力并非首要目标，电池组在交流失电时能可靠工作才是关键。

变电站交流失电时，要保证磷酸铁锂蓄电池组供电时间符合规定，必须相对精确地估算电池组的荷电率SOC(State of Charge)。蓄电池组的SOC描述了其储存的电量，其相对值RSOC用公式表达为

1 SOC与直流系统工作状态

SOC还是决定直流系统工作状态转换的重要因素。

使用铅酸蓄电池组的变电站直流系统，蓄电池组并联在直流母线上。在交流正常的备用状态下，电池组大部分时间均处于浮充电状态，浮充电流用来补充电池自放电的损耗。在交流失电时，电池自动转入放电状态，以保证变电站直流系统供电的连续性［2］。

这种直流系统的接线方式和蓄电池的工作方式简单可靠，但却不适合采用磷酸铁锂电池的变电站直流系统。锂电池组不宜长期工作于浮充电方式之下［3］，应在其充电完成之后，转为停止充电的备用状态。图1是采用磷酸铁锂电池组的变电站直流系统的工作状态示意图。

图1 直流系统工作状态图

按照图1所示，处于备用状态的电池由于存在自放电，经过一段时间后SOC自然下降，当SOC下降到设定值时，系统应当及时补充充电。当充电接近饱和、SOC上升到一定数值时，改为脉冲充电并根据电池组中电池单体的特性差异执行充电均衡。当电池组的SOC达到100%时停止充电，防止过充电损毁蓄电池组。

在交流失电时，电池组进入放电状态，由磷酸铁锂蓄电池组为变电站提供直流电源。系统在线估算当前SOC值，并在SOC下降到30%时发出提醒信号，在15%时发出警告信号，表明电池所储存的电能即将耗光。

2 磷酸铁锂电池的SOC估算

测量蓄电池SOC最直观的方法就是对电池进行实际的放电试验，这种方法需要将电池离线且耗时很长。先后有研究者提出不同的在线估测蓄电池SOC的方法，如:开路电压法、内阻法、安时计量法、卡尔曼滤波法和神经网络法等［4］，每种方法都有自己的适用范围和局限，多数文献的研究对象是作为动力电源的蓄电池组，典型的应用环境是电动汽车。这种应用环境下的电池组经常获得充分放电的机会，可以利用每次的充放电循环，修正对电池 SOC估算的误差［5］。

采用磷酸铁锂蓄电池之后，由于其稳定性较原先使用的铅酸蓄电池好，定时充、放电维护的频率大大降低，蓄电池组长期处于备用状态，实际放电的机会极少，其电池容量估算更加不易。

一方面，电池组的SOC决定了变电站直流系统的工作状态;另一方面，在不同的工作状态下，对SOC的估算应使用不同的方法。文献中所提到的SOC估算方法，大都没有考虑在实际工程应用环境下电池组的工作方式会有所不同。

鉴于此，作者提出一种在不同条件下、应用不同方式估算电池的SOC值，并依据 SOC值决定直流系统运行状态的方法。

2.1 充电阶段

为了提供220 V的直流电源，选用由68个磷酸铁锂电池单体组成的电池组，每个电池单体的标称电压为3.20 V。正常情况下，使用0.3倍的1小时率放电电流对电池组进行恒流充电。充电过程中监视每个电池单体的电压，当有3个电池单体的电压大于或等于3.65 V时，启动均衡电阻，并且转为脉冲充电方式;当有5个电池单体的电压大于或等于3.65 V时，充电停止。

这种处理方式看似简单，但是符合变电站应用环境的实用要求。在充电阶段，对运行维护人员最有价值的信息是当前的SOC值与距离充满电量所需要的剩余时间。使用如下公式计算

式中:RSOC0为充电开始时的初始SOC值;Qn为电池的额定容量;ηc为充电效率系数;I为充电电流;t为充电时间。

实际应用中充电截止的条件是基于电池电压的，当充电停止时，此刻的SOC值标定为100%，作为后续其他阶段SOC计算的初始值。

2.2 备用阶段

电池一旦充电结束，系统会自动将电池置于备用状态。根据电池厂家所提供的电池存储特性，RSOC可以按下如下公式计算

式中:Q0和Q1分别为电池存放特性中的电池初始容量和首次放电容量;T为存放测试周期;t为备用状态的持续时间。

2.3 放电阶段

单纯采用安时积分法估算SOC的公式如下

式中:ηd为放电效率系数。

一般认为，在电动汽车应用环境下蓄电池放电电流波动大，安时积分法的估算精度不高。但是变电站的直流负荷相对稳定，只有在一次系统进行合闸操作时才会产生短时间的较大负荷。如果电流测量精度较高，则可以取得较好的估算效果。

另一方面，电动汽车应用环境下，允许电池电压有较大的波动幅度，而变电站动力负荷的最低直流电压不允许低于额定电压的87.5%，这意味着当电池的放电电压低于此数值时，在实际应用意义上的SOC值即减少到零。

对于68个单体电池组成的系统来说，每个电池单体的端电压降到2.83 V即视为放电终止，而电池生产厂家所认定的磷酸铁锂电池放电终止电压为2.00 V，这一点在进行SOC值估算时必须考虑。

电池放电的终止条件是基于电池放电电压的，当电池组的放电电压达到放电截止电压，造成直流母线电压达到下限时，就应该将SOC的值报告为零，工作人员所获知的SOC值才符合实际应用中的意义。采用以下公式将基于电压的估算方法与基于安时积分法所得数值相互结合，作为系统的SOC值。

式中:RSOCS为综合2种测量方式之后系统报告的SOC值;Raht和Rv分别为使用安时积分法与端电压方法所测得的SOC值;k为放电过程中从1变到0的系数;V为放电过程中蓄电池组的端电压;Vb和Ve分别为放电开始时蓄电池组的端电压和到达放电截止点时的电池端电压。对于一个电池单体来说，这2个值分别为3.65 V和2.83 V，对于68个电池单体构成的电池组来说，这2个值分别为248.00 V 和192.50 V。

3 电池均衡措施

变电站直流系统的额定电压一般为110 V或220V。就220V直流系统而言，需要将68个标称电压为3.20 V的电池单体串联，才能提供符合要求的电压。由于磷酸铁锂电池本身固有的分散性，导致蓄电池组的每个电池的特性并非完全一致，当电池组采用串联方式充电时，总会有个别电池较其他电池更早被充满。

常见的电池均衡技术分为能量耗散型与非耗散型［6］。耗散型是在较早充满的电池单体两端并联一个电阻，以消耗额外的能量;非耗散型是借助电容或电感储能元件，将能量从电量较多电池单体转移到能量较少的电池单体［7－8］。

使用并联电阻的手段进行电池均衡的缺点是能量损失与发热，优点是电路简单、可靠性高。在变电站应用环境下，磷酸铁锂电池的充放电循环周期较长，循环次数一般较少，能量损失不显著，相对于电动汽车的应用环境，充电时间充裕，有条件选用较高阻值的耗散电阻，以控制发热。并联电阻均衡电路的简单性，有利于保证整个变电站直流系统的高可靠性。因此，在变电站直流系统的磷酸铁锂电池组中采用并联电阻均衡技术是可行的。图2是并联电阻式电池均衡电路示意图。

图2 并联电阻式电池均衡电路

通过试验可知，磷酸铁锂电池组恒流充电时，电池单体的电压升至约3.45 V之后，开始呈现一定的分散性［3］。在充电过程中，监测每个电池单体的端电压，将充电时端电压超过3.45 V的电池作为统计目标，计算这些电池单体端电压的平均值，超过平均值较多的电池单体所对应的耗散电阻开关闭合，进入均衡程序。

4 结束语

在变电站直流系统中，使用新型的磷酸铁锂电池替代目前普遍使用的铅酸电池，在技术和环境方面拥有明显的优势。当蓄电池组发生改变之后，直流系统的工作方式也需要做出相应的调整。在不同的工作方式下，选用不同的方法估算蓄电池组的荷电率，对于正确反映备用电池的当前状态以及决定电池组的工作方式非常重要。

磷酸铁锂蓄电池的寿命较长，循环次数远超铅酸电池，本文所给出的SOC估算方法和均衡措施对电池特性的长期影响，还需要更长周期的观察。

［1］王洪，张广辉，邢静原，等.磷酸铁锂蓄电池在变电站应用研究与实践［J］.电源技术，2011，35(8):902 －905.

［2］白忠敏，於崇干，刘百震，等.现代电力工程直流系统［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［3］武雪峰，王振波.LiFePO4/C电池循环性能和安全性能的研究［J］.电池工业，2010，15(3):156 －159.

［4］张金灵.电动汽车智能电池系统的研究［D］.北京:北京交通大学，2010.

［5］朱晨.备用电力系统中VRLA电池SOC及SOH的在线估计方法研究［D］.北京:北京交通大学，2010.

［6］徐伟.磷酸铁锂动力电池充电方法研究和均衡充电模块的设计［D］.重庆:重庆大学，2010.

［7］李娜，白恺，陈豪，等.磷酸铁锂电池均衡技术综述［J］.华北电力技术，2012(2):60－65.

［8］胡银全，刘和平，刘平，等.磷酸铁锂电池组的均衡充电研究与应用分析［J］.重庆大学学报，2012，35(4):7－12.