变电站霍克磷酸铁锂电池应用研究

摘要：文章讲述了阀控密封铅酸蓄电池组于变电站的应用现实状况以及所存在的问题，依据磷酸铁锂电池等锂电池的特性，展开对磷酸铁锂电池在变电站应用之时的安全性剖析以及系统设计方面的研究，研究显示借助改变传统的电池接线方式、电池管理策略，能够提升锂电池在变电站应用时的安全程度也就是安全性 。 }。

关键词：锂电池、直流系统、应用、安全

1阀控密封铅酸蓄电池在变电站应用现状

目前，阀控密封铅酸蓄电池是发电厂以及变电站直流电源系统的主流选择，它具备稳定的特性，还价格便宜，并且维护简单等优点，然而，阀控密封铅酸蓄电池并非是免维护蓄电池，它只是不加水，也不测比重，但其实际运行维护量却很大。^[1-2]当前，变电站当中正在运行的铅酸蓄电池，其运行的状况，并非处于令人乐观的状态，主要存在着以下这些方面的不足：

蓄电池单体电压的“一致性”欠佳，温度对于电池特性的影响颇为显著，其寿命相对偏短，近些年来，蓄电池的质量问题愈演愈烈，部分厂家所生产的蓄电池寿命仅仅只有3至5年 。

（2）蓄电池存在隐蔽的缺陷，当被发现的时候，其容量已然严重不足，以至于没办法起到后备支撑的作用。蓄电池处于浮充状态时，端电压正常，温度正常，外观也正常，并且不存在漏液的现象，然而，在站用交流失电以及大电流冲击的情况下，蓄电池有可能出现极板脱落、汇流排断裂这般的状况，进而导致容量在短时间内如同“跳水”一般崩溃。近些年来，系统内部有好多起事件都是由于交流失电的时候蓄电池出现故障所造成的，这使得全站直流失压，保护没办法动作，负荷大量损失，甚至还出现了变电站爆炸的情况，真是令人担忧啊！

（3）阀控式铅酸蓄电池，对于过充电而言，是比较敏感的，在处于过充的情形下，存在燃烧以及爆炸的危险 。

（4）废旧铅酸蓄电池处理不当会对环境造成严重污染。

2 磷酸铁锂电池的特性

锂离子电池，是在20世纪90年代发展起来的，具备高容量特点可进行充电的电池，它所拥有的优点是，能量比大这一特性，还有循环寿命长的这个地方，以及自放电率小这样的情况，并且无记忆效应，同时不存在环境污染问题。锂离子电池的正极材料，是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等这些，负极则是碳素材料，鉴于钴、镍价格较高，并且污染较为严重，同时性能活泼容易爆炸，所以电池业界的研究及应，用主要集中在磷酸铁锂电池上面，目前磷酸铁锂电池，在电动车、大容量储能等领域，获得了迅猛发展。^[3-4]。

现下，磷酸铁锂电池的价格，大概是铅酸蓄电池的1.5倍，并且呈现出逐年下降的态势，跟铅酸蓄电池相比较而言，具备以下几方面的优点：

（1）酸铁锂电池，高温适应性很强，能够在-20℃至60℃的环境当中正常使用，然而铅酸蓄电池，运行环境要求颇高，当温度超过25℃时，每提升7至10℃，电池的使用寿命就会折损一半 。

（2）电池具备长寿命的特性，其中磷酸铁锂电池的循环寿命处于2000次以上，而长寿命铅酸蓄电池仅仅只有300次。在相同的条件状况之下，铅酸蓄电池的寿命是5至8年，磷酸铁锂电池则能够使用8到10年；。

充电速度快，具备良好的大电流性能，使用专用充电器，以1.5C的电流进行充电，40分钟便可将电池充满 。

（4）绿色环保，磷酸铁锂电池无毒，无污染，原材料来源广泛。

能量密度大，磷酸铁锂电池标称电压是铅酸电池的1.5倍，同样容量的单节电池，前者重量比后者轻一半以上，前者体积只有后者的1/3，所占变电站空间将大大缩小，维护工作量也会相应减少。

两种电池性能见表1：

表1 磷酸铁锂电池和铅酸电池常规性能对比

项目	磷酸铁锂电池	铅酸电池
标称电压（V） 能量密度（Wh/L） 循环寿命（次） 可工作温度（℃） 最佳工作温度 充电倍率 环保	3.2 190 2000 -20~60 5~50 2C以下 无毒无污染	2.0 70 400 5~35 25左右 0.2C以下 生产及报废产生大量污染

3 磷酸铁锂电池在变电站应用安全性分析

顺着锂电子制造技艺走向成熟的态势，环保且无铅的锂电池去替换铅酸电池属于一种前行趋向[5]。虽说磷酸铁锂电池存在好些优点，然而其不可以过充过放、具备一致性差这等特性可是客观存在着的实情 。磷酸铁锂电池于安全性方面相较于锂锰电池以及锂镍电池已然有了极大程度的提升，只不过并不具备在变电站开展浮充应用的条件，限制高容量锂电池于变电站这类安全性要求较高的场合进行推广使用的关键因素是，其在过热、过充、过放、短路、振动、挤压等状况下会出现着火、爆炸甚至致使人员受伤等情形[6]。磷酸铁锂电池在变电站一般安装于专用的电池室内，应用环境较为良好，不会出现过热、振动、挤压等状况，所以其应用安全性的关键在于不能出现过充以及过放 。

变电站电池组由多节单体电池串联而成，单体之间存在不一致性使得充电时各单体充电电压有差距，若没有采取任何均衡措施，单体间差异会逐渐增大，最终致使个别单体出现过充、温度过高等故障，造成整组电池使用寿命缩短，甚至报废爆炸。锂电池呈串联状态时，同样存有一致性方面的问题，电池管理系统从理论层面来讲，能够解决磷酸铁锂电池于浮充应用这一条件之下出现的过充电情况，然而实际上，当前主流的那些电池管理系统厂家，均是借助电阻放电的方式去避免过充现象的发生，在长期处于浮充的条件时，这电池管理系统会长时间处于发热的状态，反倒变成了一个巨大的安全隐患 。

因为锂电池具备与铅酸电池不一样的充放电特性，要是简单地将铅酸电池组替换成锂电池，那么直流系统就没办法正常运行，甚至于有可能致使锂电池组的使用寿命迅速衰减。为能够适应锂电池的工作特性，从而保证站用直流电源系统具有高可靠性，那就需要新的电路拓扑结构，以此达成锂电池在变电站直流电源系统里的安全可靠应用 。

4基于磷酸铁锂电池站用直流系统设计

电子器件相机、手机电池等小容量场合是锂离子电池的主要应用领域之地，在变电站大容量高电压的场合当中，要把成百上千的电池进行串并联之后才能够应用。大容量磷酸铁铿电池的应用目前仍然处于刚刚起步的阶段，在市场上已经形成规模化生产的单体容量是50AH，也能够定制更大容量的电池，然而单体容量要是越大，那么安全系数也就越低。一般而言，变电站依照规程所设计的单体电池模块容量通常是在300AH以上，将其与直接运用300AH以上的单体进行串联应用相比较，再与18650或26650电芯进行串并联应用相比较，采用性能相对更为稳定的单体容量为50AH的电池来进行串并联组合，在安全性方面具有更高的水平。

针对磷酸铁锂的特性，有基于磷酸铁锂电池的非浮充式站用直流电源系统，正常工作时，高频充电模块不向电池组充电，而是只向着直流母线提供电源，电池组处于非浮充的热备用状态，该状态可避免磷酸铁锂过充电，同时又能保障磷酸铁锂电池履行后备电源的职责，在交流失电的情况下能无缝对接直流负载并供电。直流监控器能够对高频充电模块以及电池组开展监测、控制与管理工作，借助采样来分析电池数据，进而控制高频充电模块连同保护电路给锂电池组实施补充充电，锂电池唯有在补充充电以及手动控制的情形下才会自动启动充电，不会进行长期的在线浮充，以此避免过充电给磷酸铁锂电池带来损伤，它的充电控制状态转换呈现为如图1所示的样子。

图1 磷酸铁锂电池充电控制转换流程

4.1 电路原理

磷酸铁锂电池能够先串联形成符合电压等级要求的电池组，往后再进行并联。因为各电池组直接并联出现压差，进而会导致产生环流。可以借助IGBT等开关器件在各电池组之间增添充电控制回路，独立地调整各电池组充电。并且利用二极管的单向导通特性，防止环流的产生。基于磷酸铁锂电池的非浮充式站用直流电源系统由3部分构成，分别是充电装置部分、馈电部分、电池组部分。各个装置和结构部分之间用其对应的铜质母排线、铜芯电缆以及测量、通讯线连接，结构如同图2所示。

图2 基于磷酸铁锂电池的非浮充式站用直流电源系统结构

磷酸铁锂电池组，是由IGBT器件，借助PWM信号去控制充电电压以及电流大小的。当外部接入的电压电流过大时，它会智能调节对磷酸铁锂电池的电流输出，以此避免大电流充电出现的安全隐患。当两组电池同时充电时，端电压较低的电池组，其充电电流有着增大的趋势，控制系统会调节IGBT器件的导通速率，进而降低或者停止对蓄电池组的电流输入，阻止因充电电流进一步增大形成的恶性循环所导致的蓄电池损伤，避免充电过程产生较大的环流 。

单向器件能够达成交流失电之际，电池组毫无一丝延迟地为负载供应电力，并且还能够达成在未充电进程里，两组或者多组电池并联存有电压差之时，高电压电池组跟低电压电池组之间不形成导通，进而不存在充电回路，防止了环流现象的出现。二极管并联等效电路如同图3所展示的那般。

图3 二极管并联等效电路图

4.2充电控制

常态下，K1、K2处在合闸的位置处，直流电源系统里边的高频充电模块经K1向直流母线供应直流电源，IGBT处于分闸的状态之中，鉴于二极管具备正向导通以及反向逆止的作用，电池组处于并非浮充的热备用状态下。

②在电池电压比BMS所设置的参考电压低的时候，或者定期充电周期已然到达之际，这就表明电池组是需要补充充电的，在这个时候，经由采样、分析、控制等一系列相关动作，IBGT进行合闸操作，高频开关充电模块会朝着电池组去充电 。

③在电池组补充电完毕之后，控制IGBT实施分闸操作，高频充电模块停止对电池组充电，鉴于二极管具备反向逆止功能，整个直流电源系统自行恢复至正常工作状态。

5 结语

基于磷酸铁锂电池的特性，改变了传统的电池接线方式，改变了电池管理策略，如此一来，大容量磷酸铁锂电池组的安全性便得到了有效提升。磷酸铁锂电池在变电站非浮充应用时，在供电可靠性方面有优势，在小容量电池组分组并联应用方面也有优势。随着基于磷酸铁锂电池的直流系统拓扑设计技术不断发展，随着电池智能管理技术不断发展，从电池性能方面考虑，从使用维护成本方面考虑，从绿色环保方面考虑，磷酸铁锂电池在变电站推广应用乃是必然的发展趋势，其前景十分广阔。