浮充式保护型磷酸铁锂电池在电力工程应用

孙 茗，蒋新华，於崇干

(1 华北电力设计院有限公司，北京 100120；2 上海航天电源公司技术有限责任公司，上海 2016153；3.原华东电力设计院，上海 200040)

浮充式保护型磷酸铁锂电池在电力工程应用

孙 茗1，蒋新华2，於崇干3

(1 华北电力设计院有限公司，北京 100120；2 上海航天电源公司技术有限责任公司，上海 2016153；3.原华东电力设计院，上海 200040)

本文介绍一种用于电力工程直流电源系统的浮充式保护型磷酸铁锂电池，重点解决常规磷酸铁锂电池在长期浮充电运行工况下的安全问题。通过试验数据分析，描述了浮充式保护型磷酸铁锂电池的性能特点及优势，并解决了在电力工程中应用的几个关键技术问题，为规范磷酸铁锂电池在电力工程中的应用提供参考和依据。

浮充式保护型磷酸铁锂电池；直流电源系统。

磷酸铁锂电池目前主要应用在汽车、通信、光伏和风电行业等储能市场，在110 kV变电站直流电源系统中虽也有少量应用，但还存在关键技术问题有待解决：

(1)传统磷酸铁锂电池是频繁充放电的起动型蓄电池，为适合电力工程要求，需要解决如何将磷酸铁锂电池从频繁充放电运行方式转变为正常浮充电运行方式，其安全性问题至关重要。

(2)磷酸铁锂电池设计原型是5 h放电率，原有磷酸铁锂电池的试验数据、曲线等在电力工程的设计计算中不适用。目前变电站应用磷酸铁锂电池是套用DL/T5044规程中铅酸蓄电池的相关参数。

(3)磷酸铁锂电池内阻远小于铅酸蓄电池，提供的短路电流值大很多，需要评估该短路电流对电池本体安全、直流电源系统设计及直流设备选择造成的影响。

本文介绍一种新的磷酸铁锂电池——浮充式保护型磷酸铁锂电池(简称FBL磷酸铁锂电池)在电力工程中的研究应用情况，并对存在的技术问题提供解决方案。

1 FBL磷酸铁锂电池基本原理

因制造和使用条件不同，磷酸铁锂电池组中各单体电池在特性方面存在差异，若个别单体电池在浮充工况下长期处于过充状态，不及时有效控制的话，会对电池电极结构造成永久损坏，对电池组容量和寿命也会造成很大影响。常规磷酸铁锂电池是依靠电池管理系统(BMS)实现均衡控制的。

FBL磷酸铁锂电池是一种具有自主均衡功能的磷酸铁锂电池。自主均衡基本原理是在电池电解液中添加一定比例的氧化－还原添加剂，在电池内部建立一种防过充的电化学自我保护机制，该自主均衡电池能在特定电压下进行定电流充电，通过内部自主均衡载体的作用，将电池电压控制在安全范围内，克服了常规磷酸铁锂电池因BMS失效造成的安全隐患。

FBL磷酸铁锂电池还为每个电池模块配置了电池电压保护装置(BPD)。

BPD也称被动均衡，是采用基于电路设计的平衡电路，实现电池电压实时均衡，保证模块中每只单体电池都能够充满，达到容量均衡。当电池电压接近设定值时，启动BPD保护措施。BPD电压均衡功能仅在充电过程开启，一旦进入电池放电状态或未充电状态，BPD立即关闭均衡功能。

FBL磷酸铁锂电池是将电池自主均衡功能和BPD被动均衡功能相结合，构成多重保护功能，可确保磷酸铁锂电池在持续浮充电工况下的安全运行。

2 FBL磷酸铁锂电池性能

磷酸铁锂电池在电力工程应用时，应遵循现行相关标准和设计原则进行，需要综合考虑采用磷酸铁锂电池后对电力工程直流电源系统设计和设备选择的影响，而不仅仅是将铅酸蓄电池简单更换为磷酸铁锂电池。为解决磷酸铁锂电池在电力工程应用中存在的问题，经过近三年的持续工作，完成了对FBL磷酸铁锂电池性能的全部试验工作，通过归纳整理、分析研究，获得一套符合电力工程所需的磷酸铁锂电池数据、曲线和计算公式，基本涵盖了电力工程直流电源系统设计所需的全部电池数据。

2.1 基本参数

单体电池额定电压：3.2 V

单体电池浮充电压：3.40±0.02 V

单体电池均充电压：3.45 V±0.02 V；

单体电池平均放电最低电压：3.0 V

电池组在线均充电流1.1 I10，离线可取1.5 I10

电池组核对性放电电流2I104 h

2.2 充电特性

均充电流：在同一放电深度情况下，在相同充电电压、充电时间以充电电流1.1I10、1.3I10、1.5I10进行定电流充电，充入容量基本相同。从安全角度考虑，均充电流选用1.1I10。

均充电压：在同一放电深度情况下，在相同充电电流、充电时间而均充电压分别为3.45 V或3.5 V时，充入容量基本相同；对于同一放电深度后电池充满电所需时间，采用3.45 V或3.5 V均充电压的充电时间相差不多。因此在保证均充要求的前提下，适当降低均充电压对电池安全运行有利，均充电压选用3.45 V。

2.3 放电特性

根据试验数据，电池以1.0I10～10I10放电，其放电过程中电压比较平稳，当电池电压降至3.2 ～3.3 V时，电压下降速度加快；3.0 V以下，电压急剧下降，在15 min之内电压降到2.5 V左右。为保证电力工程直流电源系统事故放电末期蓄电池组出口电压不低于87.5%Un，考虑到电池电压低于3.0 V后电压急剧下降特点，确定FBL磷酸铁锂单体电池放电终止电压取3.0 V。

2.4 温度特性

FBL磷酸铁锂电池不同温度下的放电容量曲线见图1。

图1 不同温度下的放电容量曲线

从曲线图的变化趋势来看，环境温度低时，FBL磷酸铁锂电池放电特性不佳，随着环境温度升高，电池放出容量逐步增大，30℃以上温度，电池放出容量基本稳定，高温特性较好。

2.5 浮充状态端电压

常规磷酸铁锂电池浮充运行状态端电压偏差曲线见图2。

FBL磷酸铁锂电池浮充运行状态端电压偏差曲线见图3。

从曲线图可以看到，常规磷酸铁锂电池模块在浮充运行过程中，单体电池浮充端电压偏差基本不变，说明电池模块的不一致性无法通过长期浮充得到改善。

图2 常规磷酸铁锂电池浮充运行状态端电压偏差曲线

图3 FBL磷酸铁锂电池浮充运行状态端电压偏差曲线

FBL磷酸铁锂电池(自主均衡+被动均衡)在浮充运行初期各单体电池浮充端电压偏差较大，浮充运行一段时间，电压较高的单体电池端电压逐渐下降，电压较低的单体电池端电压逐渐上升，单体电池端电压偏差明显减少。说明长期浮充运行状态下，通过被动均衡电路的均衡作用使各单体电池电压逐渐接近模块平均电压，实现单体电池容量均衡。

2.6 电池内阻

考虑到电池安全及设备选择等因素，磷酸铁锂电池单体容量不宜太大，目前单体电池容量多为50～100 Ah，100 Ah以上蓄电池组是经过若干小容量单体电池串并联构成。

FBL磷酸铁锂电池模块的内阻除包含电池本体物理电阻和极化电阻外，还应包含电池并联连接片电阻值，特别是容量较大的电池组，连接片电阻值若忽略不计，会对电池组出口短路电流影响较大。

鉴于目前磷酸铁锂电池内阻测试没有相关标准，本次试验采用两种测试方法，即短路试验法和二次放电法，50 Ah单体电池内阻见表1，并联、串联连接片电阻见表2。

表1 二种测试方法内阻测试值

表2 并联、串联连接片电阻

单体电池并联后电阻计算公式：

蓄电池组电阻计算公式：

为电力工程设计计算提供参考，FBL磷酸铁锂电池组电阻值(部分)见表3。

表3 FBL磷酸铁锂电池组电阻值(mΩ)

3 FBL磷酸铁锂电池应用研究

3.1 浮充电运行设计预期寿命

持续浮充电状态容量衰减趋势图见图4，基准温度和高温浮充电运行状态容量保持率变化曲线见图5。

图4 持续浮充电状态容量衰减趋势图

图5 基准温度和高温浮充电运行状态容量保持率变化曲线

经过样品测试和数据分析，再通过仿真计算方法推算：FBL磷酸铁锂电池浮充电运行15年时，预期容量保持率为86.3%C10，考虑到环境及计算误差等因素，将FBL磷酸铁锂电池设计预期寿命定为15年。

3.2 电池短时耐受电流

蓄电池组短时耐受电流是指电池本体结构(包括连接片)能够耐受短路电流大小的能力，是关系到电池结构性能及电池安全运行的重要指标。FBL磷酸铁锂电池与同容量铅酸蓄电池相比，因其内阻较小，电池组出口短路电流大很多，电池电阻及出口短路电流比较表见表4。

表4 电池电阻及出口短路电流比较

容量100 Ah的FBL磷酸铁锂电池短时耐受电流为3 kA，工程设计施工需要特别注意：电池柜与直流柜之间须经过一定长度电缆连接，使直流母线短路电流值减小到允许值，以保证电池本体及直流柜上电气设备安全。

3.3 电池核容方法

核对性放电试验是判断蓄电池组运行寿命终止的常用方法。电力工程铅酸蓄电池组采用1.0I10电流持续放电法，放电终止电压取1.8 V。该方法整个放电过程长，费时费力，带来时间成本和人力成本很大，因此运维部门要求缩短核对性放电试验时间的呼声很高。

根据大电流优越性试验确认，FBL磷酸铁锂电池可采用2.0I10电流持续放电4 h，蓄电池组出口电压不小于87.5% Un的试验方法进行核容。个别单体电池电压低于2.5 V时，应予以更换。若电池组单体电池平均放电终止电压低于2.83 V时，电池组寿命终止。

3.4 FBL磷酸铁锂电池容量计算

按直流规程规定的阶梯计算法计算蓄电池组容量，需要选用合适的容量换算系数。由于不同类型的蓄电池容量换算系数都是不相同的，因此，磷酸铁锂电池容量计算是不能套用铅酸蓄电池的容量换算系数。但由于没有相关数据，目前实际工程的磷酸铁锂电池容量选择计算还是参考直流规程提供的阀控式铅酸蓄电池的容量换算系数进行保守估算，计算不规范且选用的磷酸铁锂电池容量偏大。

根据各项试验结果，归纳整理出FBL磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池容量换算系数比较表见表5。

表5 不同类型电池容量换算系数比较

从表5中可知，FBL磷酸铁锂电池1 min放电率容量换算系数为阀控式铅酸蓄电池的4～5倍，1 h放电率容量换算系数约为2倍，2 h放电率容量换算系数约为1.6倍。这说明FBL磷酸铁锂电池短时大电流放电性能优越，适合事故初期大电流放电工况。在同等直流负荷条件下，FBL磷酸铁锂电池组计算容量约为阀控式铅酸蓄电池组容量的(1/2～2/3)C10。

4 FBL磷酸铁锂电池与铅酸电池比较

电力工程用阀控式铅酸蓄电池设计寿命为10年，但因受高温环境影响较大，实际运行寿命一般仅为5～6年。FBL磷酸铁锂电池设计寿命长，高温特性好，环境适应能力强，电池运行寿命受环境温度影响较小。

FBL磷酸铁锂电池充、放电时间短，放电深度80%，均充电时间可缩短10 h以上，核对性放电可缩短4 h及以上，大大减轻了现场维护人员的工作量，降低了运维成本，该特点深受用户青睐。

电力工程用阀控式铅酸蓄电池只实时监控蓄电池电压，没有监控蓄电池容量，当运维管理不到位时，会出现蓄电池事故放电容量不足“猝死”现象。而FBL磷酸铁锂电池可通过自主均衡和被动均衡性能实现电池组各单体电池SOC状态一致，保证每个电池容量均充到100%。

FBL磷酸铁锂电池体积小、重量轻，与同容量阀控式铅酸蓄电池相比体积重量约减少60%，节省建筑成本。

5 FBL磷酸铁锂电池应用前景

通过对FBL磷酸铁锂电池性能的研究、分析、和试验，提供一套完整的FBL磷酸铁锂电池技术参数、曲线、计算公式等，从而填补了国内外电力工程用磷酸铁锂电池基础数据的空白，使得在浮充电状态下的磷酸铁锂电池应用不再盲目。

对于220 kV及以下变电站直流电源系统，经过详细验算，FBL磷酸铁锂电池可以满足直流负荷及直流电源系统相关设备选择和保护配合要求。

对于发电厂来说，FBL磷酸铁锂电池可在单元机组控制用直流电源系统，UPS电源以及辅助车间直流电源成套装置中应用。

对于500 kV及以上变电站、发电厂动力用直流电源系统，因受到FBL磷酸铁锂电池容量的限制，以及解决直流断路器选择性配合难题，如何应用还需要进一步研究探讨。

FBL磷酸铁锂电池与阀控式铅酸蓄电池相比，在全生命周期内的综合经济性和技术性能都具有竞争性，未来具有良好的发展前景。

[1] 於崇干，等．浮充式保护型磷酸铁锂电池直流电源系统[M]．北京：中国电力出版社 2016．

[2] 王洪，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，(8)．

[3] DL/T 5044－2014，电力工程直流电源系统设计技术规程[S]．

Application of FBL-Type Lithium Iron Phosphate Battery in Power Engineering

SUN Ming1, JIANG Xin-hua2, YU Chong-gan3
(1.North China Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100120, China; 2.Shanghai Aerospace Power Technology.,Ltd., Shanghai 201615, China; 3.Former East China Electric Power design Institute, Shanghai 20000, China)

This article introduces a new-type Lithium iron phosphate battery, i.e. FBL-type Lithium iron phosphate battery in d.c. auxiliary power supply of power engineering，which mainly resolve safety issues caused by the conventional Lithium iron phosphate battery in the long-term floating operation. By analyzing test curve, data, described FBL-type Lithium iron phosphate battery performance characteristics and advantages, and the solved several key technical problems in power engineering application, and submit reference and basis for specification of lithium iron phosphate battery used in power engineering.

FBL-type Lithium Iron phosphate battery; D.C. auxiliary power supply; power engineering.

TV12

B

1671-9913(2017)02-0062-05

2016-09-30

孙茗(1963- )，女，北京人，教授级高工，从事发电电器二次设计工作。