磷酸铁锂电池在电力系统中的应用

河南省法恩莱特新能源科技有限公司 李海杰

磷酸铁锂电池在电力系统中有着较多应用优势，尤其是在高功率或大容量电池中具有明显的充放电特性及热稳定性，使得各个领域对其关注度不断提高。随着磷酸铁锂电池性能的提升以及价格的下降，使其应用的领域得到扩展，不仅可用于储能电站、电动汽车中，磷酸铁锂电池在其他领域均有广泛的应用。现阶段，由于电力系统的铅酸蓄电池维护工作的任务量较大，且此类电池对于环境条件的需求较高，导致实际的使用寿命无法达到预期，促使磷酸铁锂电池应用在电力系统的研究逐渐增加。

1 磷酸铁锂电池技术特点

磷酸铁锂电池基本的内部结构主要是由正极、负极、隔板、外壳、电解液、安全阀、端子等构成。其中正负极由参与电化学反应的活性物质及导电粘结等材料所组成，是电池的重要组成部分。蓄电池的不同划分主要是因为正负极使用的材料、电动势存在差异所产生，但多数蓄电池的工作原理均相同：当蓄电池进行放电时，电子会经过负极通过外电路流向正极，此时电池内部结构中的正负离子在电解液内逐渐向两极进行定向移动，最终形成电流，两个电极上会出现化学反应，具体表现为负极失去电子出现氧化反应、正极得到电子出现还原反应，电池化学能变为电能为设备提供正常的使用；当蓄电池充电时，电极上会出现放电反应的逆反应，此时电极活性物质会再生，将电能转变为化学能进行再次储存。

磷酸铁锂电池使用的材料为磷酸盐类嵌锂材料，其具有结构稳定及充放电过程中不易出现变形或损坏的特点。锂离子循环的嵌入与脱出只会使负极材料间层距发生变化，对具体材料的晶体结构不会造成严重的损坏。因此，磷酸铁锂电池具有较好的抗高温及抗过充电的特性，且循环利用性能良好；此外，以凝胶聚合物电解质取代液体电解质可保证电池无漏液，且电池形状更加适合设计，具有一定的安全性。磷酸铁锂电池具有以下特性：能量密度较高；安全性良好；高低温环境适应力强；高效率输出性能；循环利用效果较好；环保及节能减排[1]。

2 磷酸铁锂电池技术特性

单体电池技术参数。现阶段单体电池的最大容量可达到500Ah，但实际规模化生产后的单体容量仅为400Ah。标称电压3.2V、放电终止电压为2.5V、能量体积为190kWh/m3、能量重量为90kWh/kg，单体电池的重量约为13.6kg，其充放电效率为97%，具有电池内阻小及自放电小的特点；充放电特性。在充电初期会表现为恒流充电，当电池电压满足稳定值时即可进行恒压充电。磷酸铁锂电池放电曲线十分平稳，在多数放电期间内均可保持平稳的电压，使其可高效率的进行放电[2]。

循环利用。研究发现，对550mAh的小容量磷酸铁锂电池进行实际数据测量，其中1C代表充电、4C代表放电、100%DOD表示循环深度，在进行重复充放电5350次后，最终剩余的容量是电池初始容量的87.2%，由此可判断磷酸铁锂电池的使用寿命比铅酸电池更久；良好的环保效果。磷酸铁锂电池的主要材料具有无毒性，与常规的电池相比有良好的环保性能，同时可提取废弃电池内可利用的成分进行循环使用，一定程度上可降低资源的损耗，保护生态环境，避免环境受到污染[3]。

3 磷酸铁锂电池在电力系统中的应用分析

3.1 在变电站直流电源中的应用

3.1.1 蓄电池容量的合理选择

我国磷酸铁锂电池的应用发展较慢，现阶段仍处于起步时期，但由于大量储存的数据信息有限，根据现有调查中获得的资料发现，如磷酸铁锂电池应用于变电站直流电源中会逐渐出现电池容量选择困难的情况。在对铅酸电池运行数据进行计算时发现，其在相同时间内容量系数要远小磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池作为变电站直流系统中的主要组成部分，具有较强的稳定性以及安全性，在我国科技不断发展的背景下，促使电力需求随之增加，传统的变电站直流系统已无法满足当前电网的运行需求，需及时采取有效措施改善现状。铅酸电池由于自身不耐高温、充过放电及维护工作量较大等特点，严重限制了变电站现代化发展的进度。

因此，要不断创新技术，使用新材料新技术，有效提高变电站直流系统的运行效率。与其他电池相比，磷酸铁锂电池具有较长的生命周期、安全性较高、耐高温、体积小等优势，所以将磷酸铁锂电池装置在变电站直流电源系统中有着重大的意义。磷酸铁锂电池组的应用优势十分显著，如优异的耐高温、耐过充特点，由于其工作时电压较低，直接决定了其耐过充性能较强。磷酸铁锂电池其使用寿命较长，有着较高的安全性，且材料来源十分广泛，受到各个领域的重点关注，使磷酸铁锂电池有望成为未来电力系统直流电源中的关键选型设备。

3.1.2 直流系统的拓扑结构

由于现阶段我国电池制造业整体水平处于发展中，使磷酸铁锂电池的单体容量最大仅为500Ah，当其达到一定产能时最大单体的容量为400Ah，而500kV、220kV、110kV变电站根据设计的标准单体电池最大容量为800Ah、500Ah、300Ah，因此将磷酸铁锂电池应用于变电站直流电源中会出现以下问题。

若直接用磷酸铁锂电池取代铅酸电池，而仍使用传统蓄电池串联的方法将其接入高频率开关的电源中，会使磷酸铁锂电池的单体容量受到一定的限制，仅能应用于110kV及其以下的变电站中；如应用于220kV或500kV的变电站中，会使其单体容量难以满足相关标准，这就需对拓扑结构进行进一步的优化与完善。所以与传统铅酸蓄电池串联的方法相比，磷酸铁锂电池需应用在220kV、500kV的变电站直流电源中，并要利用串并联相结合的拓扑结构。

在此需注意，如直接采用其进行串并联拓扑结构的方式，会由于各个电池间电压的堆积出现数据偏差，进而产生电池环流。因此，在这种情况下须正确选择性能适宜的电池，并科学合理的设计电池串并联组合中需要注意的问题。如果电池一致性较差且性能不统一，将其进行串并联则会减少电池的使用寿命，不利于电池的健康使用，对电池的内部结构造成不利的影响。基于此，为进一步控制电池环流的出现，需在磷酸铁锂电池内增加DC/DC模块，并分别调整各个电池堆的输出，使其发挥电池堆与电池堆间的隔离效果。但如何更好的设计高效性的直流系统拓扑结构，便成为磷酸铁锂电池在电力系统中有待解决的应用问题[4]。

3.2 在电力系统中的储能应用

3.2.1 储能电站在电力系统中的优点

现阶段在我国电网中承担调峰工作的主要包括煤电、油电、水电及抽水蓄能电站。在这些能源中，由于煤电与油电属于火电范围，且火电厂实际的造价成本十分昂贵、运行成本较高及起停时间较长，无法更好的担任调峰工作。根据运行的经济效益及安全性进行分析，电厂此类场所不适宜用作调峰任务的主要环境。水电调峰效果较好，但可充分利用的资源较少。液化天然气电厂造价成本较低及工期短，但实际运行费用高且起停时间漫长，从经济效益与系统响应速度进行分析，这种情况下对液化天然气电厂的长远发展有一定的限制。

电池储能电站是我国一项创新的技术，具有周期短、起停时间快、占地体积小、良好的安全性运行、成本较低及对环境不会造成严重污染等优点，且对应用场所没有较高需求，有着广阔的发展前景。作为可调控的电源或负荷而言，具有可调控的运行效果，有利于提高电网整体的运行速度以及经济效益，如可应用于日负荷曲线调节、系统调频、旋转备用、电能质量调控、低频振动控制、电压平稳调控等方面。

3.2.2 磷酸铁锂电池在储能电站中的应用

南网兆瓦级电池储能站工程建设在我国深圳地区，此工程规模达到10MW，分为两期进行建设。第一期总建设量为4MW，其中3MW的建设量为比亚迪的磷酸铁锂电池，单体容量为3.2V、200Ah，由256节单体电池组成的1电池碓，16个储能电池堆才能组成1个500kW的储能分系统，此外1M利用中航锂电磷酸铁锂电池构成，单体容量为3.2V、180Ah，由216节单体电池构成1电池堆，12个电池堆构成1个500kW储能分系统。储能系统需经过两次10kV出线才可接入到110kV站内。整个储能系统要通过降压、电池储能、逆变、升压、并网的形式，进一步实现能量的储存与转移。总之，电池储能系统的工作防暑需经过控制系统与调节系统完成，具体的功能为削峰填谷、无功率支撑、有功率支撑、孤岛运行以及阻尼控制[5]。

3.3 在电力通信电源系统中的应用

3.3.1 电池组的组成

主要包括电池模块与电池管理系统，其中电池模块是由一个或多个单体电池所组成。电池管理系统主要包括智能充电管理、电池性能均衡管理、智能间歇充放电管理、通信及检测性能，可对充放电过程进行有效的保护及短路保护与实际运行温度的控制等特点。在电源管理系统中需要合理的调控磷酸铁锂电池在运行时的环境温度，普遍为0~55℃，如低于0℃进行充电会对电池内部结构造成严重损害，反之如高于55℃进行充电会发生析锂现象，极易出现安全问题。因此无论磷酸铁锂电池是否具有电池管理系统，均需对其单体电池的温度进行严格管控。

3.3.2 磷酸铁锂电池工作模式

现阶段磷酸铁锂电池在通信系统中的应用方法有：磷酸铁锂电池取代原有铅酸电池，蓄电池可直接连接在系统母排上，使其处于在线浮充的状态；为磷酸铁锂电池中安装BMS系统，并严格调控电池的充放电环节，将蓄电池连接在母排上，使其处于在线浮充的状态；为磷酸铁锂电池中安装BMS系统，并全程控制电池的充放电环节及其工作的情况，蓄电池经过转换装置连接在母排中，使其处于智能间歇充放电的状态。

3.3.3 磷酸铁锂电池在电力通信电源系统中的具体应用

在电力调度的楼体通信电源室内，普遍拥有2~4组容量在500~1000Ah的蓄电池用作备用电源进行使用，由于电源室内的铅酸电池体积较大且重量过沉，当供电荷载过大时会出现扩容需求的情况，室内空间与楼体荷载会严重制约蓄电池进行扩容。所以需利用一体化的开关电源辅助锂电池进行工作，能够真正的实现降低机房内电源与电池的占地体积，同时可以满足设备扩容的需要。此外，铁电池具有较好的高温耐热性能，可以将室内空调的初始温度控制在35℃，有效的减少了空调耗能的情况。

在生活区域、工作环境以及较远的县城站点中，由于这些地点的特殊性，使供电的条件有限，极易出现频繁断电或停电的状况，由于磷酸铁锂电池具有循环使用及高放电的性能，在这些地点中使用铁锂电池，可以进一步提高通信设备供电的安全性，对提升其综合效益有着重要的作用。在偏远的县城里，其变电站与供电场所面积较小且基础配置不够完善，而铅酸电池在这种环境下会减少其使用寿命，同时会增加更换的频率及维修的费用。由于磷酸铁锂电池耐高温性能较好，可以进行长时间的充放电，且循环利用的寿命长，可以全面的改善此地区通信设备的整体供电效果、提升运行的效率，确保变电站及供电场所可以正常的使用。

4 结语

在磷酸铁锂电池技术不断得到完善的情况下，对我国未来电力系统的稳定发展具有重要的影响，并且有望成为主流选型设备。但是由于磷酸铁锂电池在实际运行中仍然存在有待改进的环节，比如电池的循环使用寿命、电池的一致性及电池是否具有管理系统等问题。因此，必须要加强对铁锂电池的运行状态进行管控，提高磷酸铁锂电池的制造技术及生产水平，使磷酸铁锂电池能够广泛的应用在电力系统中。