磷酸铁锂电池在核电厂直流系统中应用的可行性分析

2023-01-10刘爱芬

仪器仪表用户 2023年1期

刘爱芬，戴俊

（华龙国际核电技术有限公司，北京 100036）

0 引言

核电厂直流系统的功能是向失去交流电源时应工作的直流用电设备供电[1]。根据直流负载的分组要求以及专设安全设施的通道设置要求等需要，为提高运行的灵活性，核电厂直流系统通常配置多组独立的、不同电压等级的蓄电池组。为保证核电厂的安全运行，核电厂直流系统目前均采用2V、100Ah～3000Ah铅酸蓄电池。不过，铅酸蓄电池单体较重，承重需求较高，体积较大，布置面积需求较多，需定期维护。但运维智能化程度低，以人工运维为主，运维工作量大。

近些年随着工业技术的发展，磷酸铁锂电池的性能快速提升，由于其功率密度高以及高温特性好等优点，已被广泛应用于电动汽车[3]、移动基站[4,7]、储能电站[5]及变电站[6]等领域，逐渐取代传统铅酸蓄电池，这也让磷酸铁锂电池在核电厂直流系统中能否运用的问题引发了多方人员的广泛关注。本文从磷酸铁锂电池的技术特点与铅酸蓄电池的性能、运维需求、火灾风险等方面进行对比分析，对磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池应用于核电厂直流系统做一个初步研究探索。

1 磷酸铁锂电池技术特点

1.1 工作原理

磷酸铁锂电池主要由外壳、正极、负极、隔膜、电解质、极耳等部分组成，如图1[7]。电池正极材料是LiFePQ4，与铝箔相连；电池负极材料为碳（石墨），与铜箔为连接。电池内灌注电解质溶液，电池内部通过中间的聚化物隔膜隔开正、负极，锂离子（Li+）可以通过该隔膜，而电子（e-）不能通过。电池一般使用金属、铝塑材料或塑料外壳密闭封装。

图1 磷酸铁锂电池内部结构Fig.1 Internal structure of LiFePO4 battery

磷酸铁锂电池充放电过程如图2。充电过程中，电池正极中的锂离子穿过聚合物隔膜朝着负极方向迁移；放电过程中，负极中的锂离子朝着正极方向迁移。锂离子在电池中经由电解液在正、负极材料间的流动形成电池内部电路。

图2 磷酸铁锂电池充放电过程示意图（左-充电，右-放电）Fig.2 Schematic of Charging and discharging process of LiFePO4 battery （Left-charge，right-discharge）

1.2 工作特性

磷酸铁锂电池组由多个单体锂电池串、并联连接而成，同时配置电池管理系统（BMS）对电池充电过程和放电过程进行管理及均衡。每个单体锂电池的额定容量一致，标称电压相同。被串、并联的单体锂电池数量和容量由直流系统电压及容量需求计算确定电池的额定容量C10（Ah）是以安时数表示，特指在环境温度25℃条件下电池以10h放电率放电至终止电压时放出的电量。在目前应用较广泛的磷酸铁锂电池中，单体电池的额定容量通常为10Ah～600Ah，单体电池的标称电压通常为3.2V。其中，充电电压上限一般为3.65V，最高可达3.8V，放电终止电压一般为2.5V，最低可到2V。图3是磷酸铁锂电池以不同倍率时的充-放电特性曲线。

图3 磷酸铁锂电池充-放电特性曲线（电压-容量）Fig.3 Charge-discharge curve of LiFePO4 battery(voltage-capacity)

最小放电电流为0.2C（即0.2 C10(A)），最大放电电流为20C，充电电流为1C。从图3中可以看出，磷酸铁锂电池可以不同倍率的放电电流进行放电，放电过程中电压变化比较平滑，当接近放电终止电压时才出现陡降，说明电池的放电特性较好。其中，以1C以下的电流放电时，电池基本都可以释放出近100%额定容量，即使以20C放电，依然可以放出将近93%的容量。

磷酸铁锂电池的电化学性能较为突出，可实现快速充放电，但不能过充、过放或短路放电，否则会使电池发生不可逆的损伤，严重的还会自燃或者爆炸。因此，磷酸铁锂电池组在使用时均需配置电池管理系统（BMS）。该系统通过检测单体电压、电池组总电压、电流、容量、电池本体温度等基本数据来判断锂电池的状态，对电池的充放电过程进行管理，避免锂电池产生过度充电和过度放电等问题，维护整个直流电源系统的安全性。

2 磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池对比

2.1 性能对比

表1为磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池主要性能。可以看出，磷酸铁锂电池在能量密度和重量比能量的数值上均优于铅酸蓄电池，如果选用相同容量的电池，磷酸铁锂电池的重量和体积约为铅酸蓄电池的1/2～1/3。磷酸铁锂电池快速充电和放电的能力更强，使用寿命也更长。磷酸铁锂电池还拥有温度特性优异，适应环境能力强等优势，无需考虑氢气（H2）释放的问题。

表1 磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池主要性能对比Table 1 Performance comparison between LiFePO4 battery and lead-acid battery

2.2 运维工作对比

磷酸铁锂电池无需定期核对性放电，免维护。

核电厂铅酸蓄电池需要参考NB/T 20028.4-2010《核电厂用蓄电池-维护、试验和更换方法》标准中的要求，按照月度、季度、年度分别开展运维检查。每组电池的检查项目包括运维人员手动测量组内每支电池的输出电压、电流，检查电解液的液位、温度和密度，按需补充电解液或蒸馏水，每次电厂大修期间手动完成电池容量年度性能试验。具体运维需求详见表2。由此可以看出，铅酸蓄电池的日常运维工作量需求很大，考虑到核电厂内配置的蓄电池组数较多，电厂用于蓄电池运维工作的人员投入极大。

表2 核电厂铅酸蓄电池运维检查清单Table 2 Checklist for operation and maintenance of lead-acid battery in nuclear power plants

此外，磷酸铁锂电池组中配置的BMS更可以提升智能化运维管理水平。运维人员只需通过操作就地监控系统就能实时检查多个电池组状态，实现对锂离子电池单体电压、单体电流、环境温度、内阻等电池参数的实时查询。有的BMS还可以依据电池管理的电化学模型和数据模型，通过实时数据和基于海量样本的神经网络状态估计算法对电池状态进行评估，对偏离正常状态的电池进行报警，而铅酸蓄电池的电池监控系统智能化程度还有待提升。

2.3 火灾风险对比

无论是铅酸蓄电池还是磷酸铁锂电池，在使用中都要避免过度充电或过度放电。一旦过充、过放或者短路，电池容易损坏，严重时可能导致破裂漏液，甚至起火燃烧或爆炸。

铅酸蓄电池因其能量密度低，结构简单，安全性相对较高，意外受损时可能存在外壳破裂、电解液溢出的风险，但一般不会引发火灾或爆炸。

磷酸铁锂电池的生产工艺较为复杂，单体电池之间存在一定的不一致性。电池采用沸点低、易燃的有机电解液，材料体系热值高，一旦电池热失控，可能演化成电池系统燃烧、爆炸等重大安全事故。近年偶有发生锂电池火灾、爆炸事故，经分析主要原因有两个：一是电池内部缺陷导致，如电池长时间运行导致锂金属不正常地沉积与枝晶生长，引发电池内短路；二是外因，如外部电流冲击或者外部绝缘失效导致的短路。

总体来看，铅酸蓄电池在工业化应用中优点是技术成熟，性能稳定耐用；缺点是重量大且占地面积大，电池监控系统智能化程度低，寿命短并需定期维护，运行环境要求较高。磷酸铁锂电池较传统铅酸蓄电池具有体积小、重量轻，能量密度高、寿命长，大电流快速充电，耐高低温，放电深度大，无记忆效应，运维人力投入少等优点，有助于改善传统铅酸蓄电池缺陷和不足所带来的影响，但存在极低的火灾、爆炸风险，应用时需要重点考虑该风险的应对措施。

3 核电厂中磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池的可行性分析

直流系统是核电厂厂用电系统的重要组成部分，主要向所有的控制和信号系统供电，系统的设计需满足单元机组可用性和核安全的要求。每组直流系统由一组铅酸蓄电池、蓄电池充电器以及配电装置组成，系统接线示意图如图4。

图4 核电厂直流系统接线示意图Fig.4 Schematic diagram of DC system in nuclear power plants

系统正常运行时，由核电厂厂用电系统的380V交流配电系统向蓄电池充电器供电，蓄电池充电器将交流电整流为直流电，通过直流配电盘向直流负载供电，同时向蓄电池组进行浮充电。如果发生异常事故，导致380V交流配电系统失电或者蓄电池充电器发生故障导致失效，则由蓄电池组直接向所带载的直流负载放电。核电厂核岛、常规岛、电厂配套设施（BOP）分别配置了多个直流子系统，每个子系统中配置的铅酸蓄电池组基本参数见表3。其中，应用于核岛安全级直流系统的蓄电池需通过核级设备鉴定，满足抗震、老化等要求。

表3 核电厂铅酸蓄电池组参数Table 3 Parameters of lead-acid battery pack in nuclear power plants

对于核电厂现有电池组的容量、电压和放电时长等需求来说，磷酸铁锂电池组均可以通过多支电池并联的形式实现容量的扩大，通过串联的形式实现电压水平的提升来满足，同时辅助以BMS进行电池状态监测、充放电管理，具备替代铅酸蓄电池的可行性。

基于火灾防范的需要，磷酸铁锂电池间应尽量设计为半开放的独立建筑，避免极端情况下对其他设备和建筑的影响。而核电厂核岛内的蓄电池用房间均处在核岛电气/安全厂房核心内部，整个厂房是一体式建筑结构，现有的火灾限制、消防措施都不能控制极端风险。常规岛和BOP的蓄电池用房间，部分为自然通风的半独立建筑，可以通过局部优化，满足磷酸铁锂电池间的布置需求。

核岛内安全级直流系统需选用核级的蓄电池，因此磷酸铁锂电池在通过核级设备鉴定之前，不具备应用在安全级的直流系统中的可行性。

综上，按照核电厂的现有设计，磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池具备一定的可行性。特别是针对常规岛、BOP直流系统中的铅酸蓄电池，如对现有蓄电池用房间进行局部优化，由磷酸铁锂电池替代的可行性很高。但针对核岛直流系统用磷酸铁锂电池，还需分别从火灾、爆炸风险防范和核级设备鉴定方面，进一步开展分析和研究，才能确定应用的可行性。

4 磷酸铁锂电池在核电厂直流系统中的应用构想

如果核电厂直流系统中选用磷酸铁锂电池进行系统设计，图5提供的系统方案可作为设计思路之一。该系统由磷酸铁锂电池组和电池管理系统（BMS）、蓄电池充电器以及配电装置组成。在系统正常运行或异常工况时，系统通过BMS向磷酸铁锂电池组进行充电，或通过BMS控制磷酸铁锂电池组向所带载的直流负载放电。

图5 磷酸铁锂电池直流系统方案Fig.5 Scheme of DC system with LiFePO4 battery

在本系统中，BMS接入对应的锂电池组以及电源中，系统架构如图6。BMS包含电压/电流/温度采集、均衡控制、保护控制等模块，其中数据采集模块负责采集电池组中各电芯的电压、电流、电池本体温度等数据，并对电芯进行均衡管理和充放电保护。保护功能主要包含过充电保护、过放电保护、短路保护等。BMS可以调节各个电池的冲/放电电压、电流，从而实现对锂电池充电过程和放电过程的管理及均衡控制。BMS中的主控制器收集数据采集单元的数据，对电池组数据进行集中分析和处理，从而可以根据电池组的运行状况进行报警和控制。