磷酸铁锂电池在变电站直流电源系统应用的安全性分析

国网山东省电力公司经济技术研究院 王一蒙 邵淑燕 张立杨 王 鹏 李 迅 叶 涵 刘菲菲 王志伟

为剩余电流断路器分合闸、分离控制器、继电维护设备、测控装置、电力、通信、不间断供电系统等一次、二次设备提供健康准确的工作用电，在站用交流电已停止使用的情形下，将蓄电池作后备用电继续为重要机器设备提供直流电，而蓄电池管理系统装置选型的科学技术合理、信息安全与准确程度，危害到变压器内直流电源控制系统的安全稳定性。磷酸铁锂电池是在20世纪90年代兴起的高容量可充电电池，优点是可贮存更多的电量且能源比大，但由于运行安全顾虑在变电站中应用还不广泛[1]。

1 变电站电池使用现状分析.

目前，变电站直流电源系统广泛采用的蓄电池主要是阀控式铅酸电池，铅酸蓄电池具有技术成熟、性能稳定、价格便宜等优点，但仍存在寿命短、维护工作量大、环境污染等诸多缺点，所以并不能完全适应变电站直流系统的运行环境，主要表现为以下方面。

变电站环境温度较高。变电站环境因素对电池的高温性能要求较高，但实验证明铅酸蓄电池的耐高温性能并不高，当环境温度从27℃降至-40℃时，HF-130型铅酸蓄电池的平均容量会减少到原来的1/3左右；当环境温度大于40℃时，温度每升高10℃电池寿命便降低1/2。DL/T 742- 2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》建议，阀型铅酸蓄电池室的环境温度应尽可能保持在5～35℃之间，这显然不符合变电站的环境温度要求。

工作状态对电池性能影响较大。变电站用直流系统中的蓄电池长期处于浮充的状态，即只充电不放电，这会导致铅酸蓄电池的阳极极板钝化，从而使蓄电池内阻增加、容量大幅下降，严重的影响了蓄电池的使用寿命；检修、维护要求严格。国家电网公司《国网直流电源系统设备检修规范》5.13规定，对阀控式密封铅酸蓄电池应每年至少检查1次，检查项目包括端电压、内阻、温度和外观4个大项12个小项。

电池使用中存在安全隐患。在变电站的正常运行中存在电池使用安全隐患，在电池容量已不足情况下，阀控式铅酸蓄电池在浮充的状态下，端电压仍会显示处于正常状态、不会出现异常显示，但一旦站用交流失电或意外低电压，电池有可能短时间内崩溃；产生环境污染。在变电站生产运行及报废过程中，电池会造成一定的重金属污染。

2 磷酸铁锂电池

2.1 电池组成

磷酸铁锂电池的主体构成包括水平方位、负极、横膈膜、电解液介质和锂离子电池机壳等构成。其正负极一般是由活性塑料、导电物和黏结物等构成。电解质水溶料则一般是由锂盐直接溶化于有机介质中，再加上一个或多个的功能化学添加剂等构成。目前锂离子电池的涂层较多使用聚烯烃涂层，一般包括了聚乙烷(PE)和聚丙烯(PP)的微孔涂层，但也有小部分使用了无纺布隔膜或其他类型涂层。隔膜本身也是电子绝缘的，能防止正负极直接碰撞，也防止了锂离子电池内部产生短路；且由于薄层中还存在着很多小孔，所以这种微孔能够储存大量电解液，并作为锂离子电池信息传递的重要媒介。磷酸铁锂电池LiFePO4为正极材料，石墨为负极材料[2]。

2.2 工作原理

动力电池充满时，Li+从磷酸铁锂材质中转移到晶格表面上，从正极板材中分离后，在电荷力的影响下先进入电解液、再经过电阻层，并经过酸性电解质水溶液转移到负极石墨晶体的表层，进而植入负极石墨材质中。与此同时，电子流经过正极的金属铝箔，再经水平方位耳、正极料柱、负载、负极柱、负极料耳等流入负极的铜箔电极，然后再经导体流到多层石墨负极，从而使负极材料的电荷获得均衡。

充电时的电极反应为：负极C+Li++e-=LiC，正极LiFePo4=FePo4+Li++e-， 总反应C+LiFePO4=FePO4+LiC。电池放电时Li+从石墨晶体中脱嵌出来进入电解质，穿过隔膜，再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时，电子经导体流向负极的铜箔电极，经负极耳、负极柱、负载、正极柱、正极耳流向电池正极的铝箔电极，然后再经导体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达到平衡。

放电时的电极反应为：负极LiC=C+Li++e-，正极FePO4+Li++e-=LiFePO4，总反应FePO4+LiC=C+liFePO4。所以磷酸铁锂电池的基本原理，就是在充、放电过程中，对应的锂离子在正负极之间来回地嵌脱，完成对负载的供电。

2.3 磷酸铁锂电池充放电方式

2.3.1 间歇式充电方式

恒流-限压满足阶段(T1)：在此阶段中满足电流范围基本维持恒定不变，但电流输出范围逐渐扩大，至动力电池的最大电压输入值或电池组端电压达到或接近所标准的最大电压输入值以后，完成了此阶段满足；恒压-限流充满阶段(T2)：在此阶段中，最佳充满电流限定在容许充满电流区域内，当动力电池的最佳压力低于设定值后，充满电流自动下降，当最佳充满电流降低至规定值后，终止充满。

动能电池组开路静置阶段(T3)：在动能电池组圆满完成全部恒流-恒压充满操作流程后，动能电池组由BMS 控制系统加入到充满操作回路开路低温静置状况，以及时检测电源控制系统的直流电压及输入输出端直流电压输入，并保证放流控制电路正常接通，但一旦交换电中断，则BMS 要能保证动力电池组无延时加入到电池释放状况。

间歇式补足电阶段(T4)：将动力电池组的补充充电回路保持在开路或静置状况，直至电源容量逐渐下降到电池组充满极限电压起始容积的90～95%SOC 时，再由BMS 调节动力电池组再次加入补电状况，但补电方法仍遵循传统恒流-恒压补偿方法；电池组释放过程(T5)：动力电池组按照负荷状况供给电能，但在动力电池的极限电压或电池组端电压超过终止电流时会终止释放。

2.3.2 连续在线浮充与电池电压均衡充电方式

连续的浮充模式。即恒流-恒压充，将动力电池组串联于供电体系的直流输出侧，由充满控制器针对各动力电池的负载执行充满管理，同时调节电池电流与电池组的充满压力以达到充满控制电压要求，直至每个电池均满电；电池电压的均衡充电方法。可修整在串联电池组中因电池本身工艺不同产生的电流离散程度，以防止个别电池由于过充或欠充而造成电池特性变差或损坏状况的出现，使整个电池电压差异都在一定的合理范围内。

2.4 磷酸铁锂电池的特性

安全性较高。磷酸铁锂电池具有较高的安全性，201所通过对电池的过充、过放、短路、跌落、加热、挤压和针刺实验，证明磷酸铁锂安全性较高，在这一系列实验操作过程中并未出现爆炸、起火现象；高温性能好。在实验中把温度从45℃升高到65℃，磷酸铁锂电池的电压始终能够保持在3.2V。广东精进能源有限公司也对磷酸铁锂电池温度性能做过实验，实验证明磷酸铁锂电池的实用放电温度范围可达-10℃～55℃；环保性较高。磷酸铁锂电池具有较高的环保性，电池内没有稀有金属与重金属成分，在整个生产过程中都是无污染的，在运行、报废时也不会产生任何有毒、有害物质，是一种绿色环保电池。

能量密度大。磷酸铁锂电池体积仅为相同容量铅酸蓄电池的2/3，比氢镍电池体积还小。质量也仅为相同容量铅酸蓄电池的1/3、氢镍电池的2/3左右，因此磷酸铁锂电池的能量密度比较大；使用寿命长。201所使用寿命实验测试中显示，500次循环后磷酸铁锂蓄电池的容量仍保持了额定容量的98.4%。磷酸铁锂蓄电池1C 充放循环寿命一般产品达2000次，而最多可达5000次，理论寿命长达10a。

3 磷酸铁锂电池存在的安全问题

磷酸铁锂电池位于开路状态时，由于电池的电极电流处于平衡状态，电池二端的感应电动势就成为了均衡电动势。在电池充放电时间，随着电压的变化经过所产生电流的电动势偏离了平衡数值，这个现象就叫做极化，其也会对磷酸铁锂电池的容量形成很大负面影响。

电极间产生的过电位会妨碍充电电流增大，从而降低电化学的反应速率，从而拉长了充电时间，减低充电效果；极化会使电池的电解液迅速溶解，形成大量废气，其不但会延缓动力电池的充满速率，还会对极板形成强烈的侵蚀效果；电解液分解后会产生大量热能，使电池工作的温度增加。如气温上升到一定程度就会引起极板的受热变化，严重时候甚至会导致爆裂。

磷酸铁镍氢电池晶格内部结构中P-O 键很稳定且不易溶解，即便在高热或过充时也没有因为内部结构的破裂加热或产生过强抗氧化产物，所以有着优异的稳定性。

在实际工作中，针刺或短路试验中发现有小部分的试样发生了爆炸现象，但并未发生大爆炸事件，在过充试验中采用了大大高于自身放电电压倍数的超高电压充电，但发现仍然有自爆现象。因此，磷酸铁锂电池在变电站运行时需对电池充放电过程进行监控，在出现过充过放时及时停止，同时在监控失效时站内具有完备的消防灭火措施。

4 磷酸铁锂电池安全措施及准备

具备完善的强检报告。要求磷酸铁锂电池电芯过放电、过充电、短路、跌落、加热、挤压、针刺、海水浸泡、温度循环、低气压等强检测试时未爆炸、未起火；电池管理系统具备完善保护功能。电池管理系统（BMS）能精确估测动能电池组的荷电状态（SOC），并确保SOC 维持在合适的范围内，以避免过充及过放电对电池的损害。

动态监测燃料电池组的工作状况，即时收集各笔动力电池组的极端电压和工作温度、充释放电流和总电压。能适时准确地提供力量电池状况，并挑出有问题的力量电池，以保证整组力量燃料电池工作的安全与高效。对蓄燃料电池实现过充、过温的维护管理工作，有效断开充电系统回路或者调整充满机的出口电流，以保证磷酸铁锂燃料电池安全工作。

电池充电、放电回路需独立。调研目前各厂家磷酸铁锂电池内部接线图，其中磷酸铁锂电池充电回路、放电回路独立，且运行过程中放电回路原则上一直闭合，充电回路根据充放电不同阶段进行断开闭合操作。充电回路的断开闭合操作完全受电池管理系统BMS 控制，放电回路在过充状态下受BMS 控制断开。因此BMS 控制的稳定性、准确性直接决定了磷酸铁锂电池组运行的安全性。

图1 磷酸铁锂电池充放电回路接线图

需与现有高频开关电源进行适配。实际工程中，若将现有铅酸蓄电池更换为磷酸铁锂电池且不更换现有高频开关电源，磷酸铁锂电池需与高频开关电源进行适配。由于原有高频开关电源电压电流均根据铅酸电池均充浮充状态进行设置，更换磷酸铁锂电池后需对高频开关电源电池充电电压电流重新进行设置[3]。通常对高频开关电源模块充电参数调整，以16节48V 磷酸铁锂电池包为例，其参数调整为：浮充电压54.4V、均充电压56.8V、均充电流20A、浮充转均充周期90天。

具备安全防爆措施。电池组箱体内安装独立的热感应气溶胶或七氟丙烷管，实现对电池组的自动灭火功能，满足全天候便携式发电装置的防火要求。电池组箱体设置防爆阀，保证特殊情况出现时通过防爆阀避免爆炸；蓄电池室满足消防规程要求。根据DL 5027-2015《电力设备典型消防规程》10.6.2锂电池应设置在专用房间内，建筑面积小于200m2时应设置干粉灭火器和消防砂箱。

综上，随着近几年磷酸铁锂电池在国内的飞速发展，磷酸铁锂电池造价快速逼近铅酸电池，由于磷酸铁锂电池先天在能量密度、节能环保等方面的优势，同时在国网公司全面推进输变电工程绿色建造的倡导下，使得其在变电站直流电源系统中的应用成为可能。