磷酸鐵鋰電池作為變電站用直流電源的特性

磷酸鐵鋰電池作為變電站用直流電源的特性鐘國(guó)彬;周方方;魏增福;蘇偉;劉學(xué)武【摘要】為了探索磷酸鐵鋰電池取代鉛酸蓄電池作為變電站用直流電源的工作特性，通過(guò)浮充電測(cè)試，對(duì)鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池在不同浮充電壓下的浮充電流特性、擱置特性、模擬工況放電特性等方面進(jìn)行比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鉛酸蓄電池的大電流放電能力；磷酸鐵鋰電池具有不同于鉛酸蓄電池的浮充特性，建議其浮充電壓應(yīng)選擇在3.50V左右。對(duì)磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間浮充試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在室溫下3.6V電壓浮充運(yùn)行一年后，其容量保持率高達(dá)96.06%。％Inordertoprobeworkingcharacteristicoflithiumironphosphatebatteryreplacinglead-acidbatteryasdirectcur-rent(DC)powersourceofsubstation,thispapercomparesandanalyzesfloatingchargecurrentcharacteristic,shelfcharac-teristicandsimulatingworkingconditionoflead-acidbatteryandlithiumironphosphatebatteryunderdifferentfloatingchargevoltage.Itwasdiscoveredthatthelithiumironphosphatebatterywasprovidedwithmoreheavycurrentdischargeca-pabilityoutdistancingthelead-acidbatteryanddifferentfloatingchargecharacteristic.Itwassuggestedtoselectabout3.50Vfloatingchargevoltageforthelithiumironphosphatebattery.Itwasdiscoveredbylongtimefloatingchargetestonlithi-umironphosphatebatterypackthatafterrunningoneyearatroomtemperaturewith3.6Vfloatingchargevoltage,reten-tionrateofcapacityofthelithiumironphosphatebatterypackreachedupto96.06%.ThisconclusionwasofimportancetomasterfloatingchargecharacteristicofthelithiumironphosphatebatteryandpromoteitsapplicationinDCsystemofthesubstation.期刊名稱】《廣東電力》年(卷),期】2015(000)004【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P57-61)【關(guān)鍵詞】磷酸鐵鋰電池;鉛酸蓄電池;浮充特性;變電站;直流電源【作者】鐘國(guó)彬;周方方;魏增福;蘇偉;劉學(xué)武【作者單位】廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080;廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080;大連理工大學(xué)，遼寧大連116023;廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080;廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080;大連理工大學(xué)，遼寧大連116023【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM63;TM912變電站直流系統(tǒng)擁有獨(dú)立電源，它們平時(shí)處于備用狀態(tài)，當(dāng)交流電故障失電時(shí)，直流電源迅速向事故性負(fù)荷供電，同時(shí)為停電時(shí)的自動(dòng)控制裝置、保護(hù)裝置、信號(hào)及通信等負(fù)荷供電。直流系統(tǒng)是否可靠對(duì)變電站的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，安全可靠的直流系統(tǒng)是變電站安全可靠運(yùn)行的重要保證［1－2］。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，變電站直流電源經(jīng)歷了開(kāi)口式鉛酸蓄電池、防酸隔爆蓄電池、鎳鎘堿性蓄電池、閥控密封■式鉛酸蓄電池(valve-regulatedleadacidbattery,VRLA)等一系列的演變［3］。VRLA電池具有技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前變電站、通信基站、電廠等場(chǎng)所備用式直流電源的主流電池。然而，VRLA電池也存在一些難以克服的缺點(diǎn)［4］：a） 溫度特性差，低溫下蓄電池放電容量小，高溫下蓄電池壽命衰減嚴(yán)重；b） 會(huì)出現(xiàn)隱蔽缺陷，在浮充狀態(tài)下，蓄電池端顯示電壓、溫度正常，無(wú)漏液，但在變電站用交流失電或意外低電壓的情況下，會(huì)短時(shí)間容量“跳水”崩潰；c） 鉛酸蓄電池的回收使用不當(dāng)，容易造成鉛污染。近年來(lái)，鋰離子電池，尤其是磷酸鐵鋰電池得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用［5］磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、大電流放電能力強(qiáng)、溫度特性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性較好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被視為鉛酸蓄電池的理想代替品。文獻(xiàn)［6］從常規(guī)性能、溫度特性、壽命特性、倍率放電性能等方面對(duì)鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池進(jìn)行比對(duì)；從性能、購(gòu)置成本、使用維護(hù)成本、安全性和廢棄處理等方面分析磷酸鐵鋰電池在變電站系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。文獻(xiàn)［7－8］報(bào)道了變電站直流系統(tǒng)使用磷酸鐵鋰電池的容量配置計(jì)算方法。文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了基于并聯(lián)二極管進(jìn)行無(wú)延時(shí)自動(dòng)切換的磷酸鐵鋰電池直流系統(tǒng)方案。文獻(xiàn)［10］計(jì)算變電站直流系統(tǒng)使用磷酸鐵鋰電池的成本，提出了恒流充電-限壓充電-補(bǔ)充充電的3階段充電管理方法，并設(shè)計(jì)了帶均衡功能的電池管理系統(tǒng)，提出基于磷酸鐵鋰電池的變電站用交直流一體化電源系統(tǒng)。文獻(xiàn)［11］研究了變電站直流電源系統(tǒng)用磷酸鐵鋰電池的運(yùn)行方式，提出一種正常時(shí)充電裝置只供經(jīng)常性負(fù)載，需要時(shí)對(duì)電池組再補(bǔ)充充電的非浮充電方式；但未明確電池充電電壓、補(bǔ)充充電間隔時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，以及該運(yùn)行方式是否滿足電力系統(tǒng)的要求。文獻(xiàn)［12］研究了高溫高電壓進(jìn)行加速老化試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)估鋰離子電池作為備用電源的使用壽命。上述文獻(xiàn)著重于磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的性能比較，以及磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的可行性研究，對(duì)于磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的工作方式和運(yùn)行特性卻未見(jiàn)報(bào)道。磷酸鐵鋰電池常作為便攜式電子設(shè)備電源、動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池使用，其充放電循環(huán)使用工況下的特性已經(jīng)有大量的研究和報(bào)道，但其作為變電站備用電源使用時(shí)，電池組必須長(zhǎng)期以滿電狀態(tài)掛在充電機(jī)上浮充運(yùn)行（磷酸鐵鋰電池并無(wú)“浮充”的概念，文中為了方便電力工作者的理解，沿用該詞），在該運(yùn)行方式下，磷酸鐵鋰電池浮充電壓的選擇、浮充電流的大小、事故放電時(shí)的特性、長(zhǎng)期浮充下的電池壽命等特性仍有待研究，這也正是本文的研究目的。1浮充電試驗(yàn)浮充電試驗(yàn)采用的磷酸鐵鋰電池為國(guó)內(nèi)某電池廠生產(chǎn)的大容量電池，單體電池標(biāo)稱容量為180Ah，標(biāo)稱電壓為3.2V；鉛酸蓄電池選用國(guó)內(nèi)某蓄電池廠生產(chǎn)的標(biāo)稱容量為300Ah，標(biāo)稱電壓為2V的蓄電池，建議浮充電壓為2.2~2.3V。這兩種單體電池使用寧波拜特測(cè)控技術(shù)有限公司的電池測(cè)試系統(tǒng)（BTS5300C4N）進(jìn)行充放電測(cè)試，磷酸鐵鋰電池采用18A和90A兩種電流測(cè)試，充放電電壓窗口為2.5~3.6V;鉛酸蓄電池采用30A和150A兩種電流，充放電電壓窗口為1.8~2.4V。磷酸鐵鋰電池采用18A恒流充電至3.4V、3.5V、3.6V時(shí)，轉(zhuǎn)為恒壓充電（浮充電）168h,測(cè)試其浮充電壓和電流變化；在磷酸鐵鋰電池以18A電流充電至3.6V后擱置，觀察電池?cái)R置前后的電壓變化；3.4V浮充168h后的磷酸鐵鋰電池在模擬工況下進(jìn)行放電測(cè)試［8］，測(cè)試放電過(guò)程中的電壓和電流變化。鉛酸蓄電池完全充電后，使用藍(lán)電電子股份有限公司的CT2001B型電池測(cè)試系統(tǒng)在2.23V電壓下進(jìn)行浮充電測(cè)試。為了研究磷酸鐵鋰電池組的浮充特性，將32節(jié)磷酸鐵鋰單體電池串聯(lián)成組，掛在直流屏上進(jìn)行浮充電測(cè)試，充電機(jī)電壓設(shè)置為115V,電池組配備有電池管理系統(tǒng)。當(dāng)單體電池電壓超過(guò)3.6V,或者任意2個(gè)單體電池的電壓差超過(guò)150mV時(shí)，電池管理系統(tǒng)啟動(dòng)均衡模式,通過(guò)旁路對(duì)其中的單電池進(jìn)行放電,從而保護(hù)電池不會(huì)被過(guò)充電；考慮到變電站直流系統(tǒng)的實(shí)際需求,未對(duì)電池組的放電電壓進(jìn)行限制。磷酸鐵鋰電池組在長(zhǎng)時(shí)間的浮充電過(guò)程中，每運(yùn)行一年，使用電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行放電核容，放電電流為54A，當(dāng)電池組中任一單體電池電壓達(dá)到2.5V時(shí)停止放電。以上所有的測(cè)試均在室溫（25±5）°C下進(jìn)行。2試驗(yàn)結(jié)果分析大電流放電能力圖1為磷酸鐵鋰電池和鉛酸蓄電池在不同電流下的放電電壓曲線。從圖1可以看出，磷酸鐵鋰電池的工作電壓約為3.2V,遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池的2V,因此使用磷酸鐵鋰電池可以大幅度減少串聯(lián)電池的數(shù)量。圖1不同放電電流下的磷酸鐵鋰電池和鉛酸蓄電池的電壓變化曲線以組成110V的直流電源系統(tǒng)為例，目前使用鉛酸蓄電池需要54只電池串聯(lián)，而使用磷酸鐵鋰電池,則只需33只電池串聯(lián)。在小電流放電（放電倍率為0.1C,如圖1（a）所示）時(shí)，兩種電池放電時(shí)間分別為10.22h和9.74h，基本達(dá)到標(biāo)稱容量；當(dāng)放電倍率提高到0.5C（如圖1（b）所示）時(shí)，鉛酸蓄電池放電時(shí)間為0.98h,放電容量?jī)H為標(biāo)稱容量的49.0%,而磷酸鐵鋰電池則表現(xiàn)出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鉛酸蓄電池的大電流放電能力，其放電時(shí)間達(dá)到1.96h,放電容量為176.4Ah,是標(biāo)稱容量的98.0%。變電站直流系統(tǒng)的鉛酸蓄電池容量配置一般都含大量冗余,就是為了保證大電流放電時(shí)能放出足夠的電量。如果采用磷酸鐵鋰電池取代鉛酸蓄電池,鑒于前者出色的大電流放電能力,在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮減小電池冗余量,以達(dá)到降本增效的目的。單體電池浮充特性磷酸鐵鋰電池在不同浮充電壓下的電壓和電流變化如圖2所示。圖2磷酸鐵鋰電池在不同浮充電壓下的電壓和電流變化曲線磷酸鐵鋰電池在以18A恒電流充電達(dá)到設(shè)定的浮充電壓（3.4V、3.5V、3.6V）,即轉(zhuǎn)為恒壓充電，此時(shí)充電電流急劇減小，24h后電流基本達(dá)到穩(wěn)定；在3.4V下浮充電流為0.07A,在3.5V和3.6V下浮充電流均接近0。圖3展示了3個(gè)不同浮充電壓下電池的充電容量隨時(shí)間的變化。3只電池的容量有一些差異，應(yīng)該是出廠時(shí)電池的不一致造成的。在3.5V和3.6V電壓下，電池在開(kāi)始恒壓充電時(shí)已經(jīng)接近滿充電狀態(tài)，24h后電池完全充滿，在之后的浮充電過(guò)程中，充電容量不再增加。3.4V電壓下磷酸鐵鋰電池的表現(xiàn)有所不同，在浮充的前24h內(nèi)充進(jìn)了17.16Ah的容量，接近標(biāo)稱容量的10%，在之后的浮充電過(guò)程中，電池浮充電流保持在0.07A左右，總充電容量持續(xù)增加，每天的充電電量約為1.7Ah。圖3磷酸鐵鋰電池在不同電壓下進(jìn)行浮充的容量變化曲線作為比較，圖4展示了鉛酸蓄電池的浮充電壓和電流變化的情況，很明顯鉛酸蓄電池在2.23V浮充電壓下，浮充電流穩(wěn)定在0.05A左右。鉛酸蓄電池的浮充電流必須滿足補(bǔ)充自放電電流及維持電池內(nèi)部氧循環(huán)的需要［13］，而磷酸鐵鋰電池內(nèi)部并不存在這種反應(yīng)，其自放電率也很小，因此在完全充電之后的浮充電流接近0,但在3.4V電壓下，磷酸鐵鋰電池需要很長(zhǎng)時(shí)間才能充滿電。此外，磷酸鐵鋰電池在3.4V浮充電壓下表現(xiàn)出與鉛酸蓄電池類似的浮充電流特性，這可能是由于其內(nèi)部電解液發(fā)生了副反應(yīng)，副反應(yīng)的持續(xù)作用會(huì)消耗電解液，對(duì)電池的壽命會(huì)有負(fù)面的影響，因此磷酸鐵鋰電池作為變電站直流電源使用時(shí)，單體電池浮充電壓應(yīng)大于3.4V。圖4鉛酸蓄電池浮充電壓和電流曲線圖5展示了磷酸鐵鋰長(zhǎng)時(shí)間擱置特性。電池在充電至3.6V后接近于完全充電狀態(tài)，此時(shí)將電池?cái)R置，其開(kāi)路電壓將迅速下降并穩(wěn)定在3.36V,從3.6V到3.36V電壓下降了6.7%。這是因?yàn)榱姿徼F鋰電池在完全充電狀態(tài)下具有較大的內(nèi)阻，從而產(chǎn)生較大的電壓差,當(dāng)外加電壓消失后,電壓差消失,電池開(kāi)路電壓自然跌落磷酸鐵鋰的實(shí)際放電開(kāi)始電壓約為3.36V,如果設(shè)計(jì)浮充電壓為3.6V,將白白浪費(fèi)6.7%的電壓降。不僅如此,根據(jù)文獻(xiàn)［12］的研究,充電電壓每提高0.1V,鋰離子電池浮充壽命將減半。綜合考慮，作為變電站直流電源使用時(shí)，磷酸鐵鋰電池的浮充電壓既要足夠高（大于3.4V）以確保電池充滿電，又不能太高（小于3.6V）以避免電池過(guò)充電，造成過(guò)大的電壓降，以及延長(zhǎng)電池使用壽命，因此3.5V是一個(gè)比較合適的浮充電壓選擇。圖5磷酸鐵鋰電池充電至3.6V后擱置的電壓變化曲線工作中的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行模擬工況放電的變化，如圖6所示。電池先以88A放電60s,接著以63A放電2h,然后再以9A放電5s,總放電電量為127.2Ah。放電結(jié)束時(shí)，電池電壓仍然保持在3.2V,證明磷酸鐵鋰電池替換鉛酸蓄電池使用是完全可行的。圖6磷酸鐵鋰電池模擬工況放電的電壓和電流變化曲線2.3電池組浮充壽命將組裝好的磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的浮充試驗(yàn),電池組總電壓變化如圖7所示,所標(biāo)示的兩段時(shí)間（2013年2月6日至19日,2014年2月28日至3月14日）電壓較低是由于切斷了外電源,電池組處于擱置狀態(tài),電池組總電壓減小到106.5V左右，恢復(fù)充電后，總電壓迅速恢復(fù)到115V。2014年3月25日之后將充電機(jī)電壓由115V調(diào)減到112V。圖7磷酸鐵鋰電池組浮充電電壓變化曲線在磷酸鐵鋰電池組開(kāi)始試驗(yàn)前及浮充電1年后分別進(jìn)行放電核容試驗(yàn),放電電流為54A,當(dāng)電池組中任一單體電池電壓下降到2.5V時(shí)停止放電，視為電池組放電結(jié)束。兩次放電的電池組總電壓變化如圖8所示。第1次放電容量為175.2Ah第2次放電容量為168.3Ah，運(yùn)行1年后電池組的容量保持率達(dá)到96.06%。依據(jù)該數(shù)據(jù)計(jì)算，3.6V浮充電壓下磷酸鐵鋰電池的使用壽命約為（以80%剩余容量作為壽命終點(diǎn)）5.08年。根據(jù)文獻(xiàn)［12］的研究，充電電壓每提高0.1V,鋰離子電池（鈷酸鋰電池）浮充壽命將減半。如果磷酸鐵鋰電池具有同樣的規(guī)律,可以估計(jì)出磷酸鐵鋰電池在3.5V浮充電壓下的使用壽命超過(guò)10年。隨著磷酸鐵鋰制造技術(shù)的改進(jìn)和成熟，以及規(guī)?；潭鹊奶岣?，其使用壽命還將有較大的提升，電池成本也將大幅度下降。因此可以預(yù)期磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統(tǒng)應(yīng)用是完全可行的，而且是必然發(fā)展趨勢(shì)。圖8磷酸鐵鋰電池組兩次核容放電總電壓變化3結(jié)論a） 通過(guò)大電流放電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鉛酸蓄電池的大電流放電性能，將磷酸鐵鋰電池用于變電站直流系統(tǒng)，可以有效應(yīng)對(duì)事故性放電時(shí)的大電流沖擊。b） 通過(guò)研究磷酸鐵鋰電池在不同浮充電壓下的浮充電流特性和容量變化特性、長(zhǎng)時(shí)間擱置特性以及模擬工況放電特性，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池具有不同于鉛酸蓄電池的浮充電流特性，在3.5V以上電壓浮充時(shí)，浮充電流為0；在3.4V電壓浮充時(shí)，電池不能完全充滿電，綜合考慮，建議選擇3.5V作為磷酸鐵鋰電池的浮充電壓。c）通過(guò)組裝磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的浮充試驗(yàn)，在3.6V電壓下浮充使用一年的容量衰減率為3.94%，通過(guò)優(yōu)化浮充電壓，預(yù)計(jì)磷酸鐵鋰電池組的浮充使用壽命可達(dá)到10年以上。d）磷酸鐵鋰電池是鉛酸蓄電池作為變電站直流電源的極有潛力的替代品。預(yù)計(jì)隨著磷酸鐵鋰電池關(guān)鍵制造技術(shù)的改進(jìn)和成熟，磷酸鐵鋰電池完全有可能取代鉛酸蓄電池，成為未來(lái)電力系統(tǒng)直流電源的主流選擇。當(dāng)然，這還需要在電池管理系統(tǒng)、技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、安全性、浮充運(yùn)行下電池容量衰減機(jī)理等方面進(jìn)行大量的研究。參考文獻(xiàn)：[1]汪梓坤?變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理選擇[J]?廣東電力，2002,15（6）:46-48.WANGZikun.SelectionofDesignSchemesofSubstationDCSystem[J].GuangdongElectricPower，2002，15（6）：46－48.[2]季虎?一起蓄電池引發(fā)的事故分析[J].電力安全技術(shù)，2007(9):32.JIHu.AnalysisofanAccidentCausedbyBatteries[J].ElectricSafetyTechnology，2007(9):32.[3]王志斌，汪毅，宋昭昭?淺談變電站中儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用與發(fā)展[J].電源技術(shù)，2012,36(9):1414-1417.WANGZhibin,WANGYi,SONGZhaozhao.ApplicationandDevelopmentofEnergyStorageDevicesforSubstation[J].ChineseJournalofPowerSources，2012，36(9):1414－1417.[4]張新華，田珺，陳華，等.鉛蓄電池行業(yè)重金屬污染問(wèn)題及防治對(duì)策[J].污染防治技術(shù)，2013,26(3):33-35.ZHANGXinhua,TIANJun,CHENHua,etal.PollutionofHeavyMetalanditsControlCountermeasureinLeadStorageBatteryIndustry[J].PollutionControlTechnology,2013,26(3):33－35.[5]吳宇平，袁翔云，董超，等?鋰離子電池一一應(yīng)用與實(shí)踐[M].2版北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011.李瑾,張宇,李景霖,等.磷酸鐵鋰電池在變電站系統(tǒng)應(yīng)用的可行性分析[J].華東電力，2009,37(10):1693-1697.LIJin,ZHANGYu,LIJinglin,etal.FeasibilityofApplyingFerricPhosphateLithiumCellstoSubstationSystems[J].EastChinaElectricPower,2009,37(10):1693－1697.王洪，林雄武，李麗，等基于磷酸鐵鋰電池的110kV變電站直流系統(tǒng)中的電池容量選擇[J].電源學(xué)報(bào)，2011,37(5):79-82.WANGHong,LINXiongwu,LILi,etal.BatteryCapacityOptionsofthe110kVSubstationDCSystemBasedonLithiumIronPhosphateBattery[J].JournalofPowerSupply,2011,37(5):79－82.[8]鐘國(guó)彬，蘇偉，魏增福，等.110kV變電站直流系統(tǒng)鋰電池容量計(jì)[J]?廣東電力，2012,27(7):55—58.ZHONGGuobin,SUWei,WEIZengfu,etal.CapacityCalculationofLithiumIonBatteriesUsinginDCSystemof110kVSubstation[J].GuangdongElectricPow