UPS用可扩容磷酸铁锂电池系统的研制
文中介绍了可扩容UPS锂电池的整体方案,磷酸铁锂电芯的设计,BMS电池管理系统的应用。本文使用叠片式磷酸铁锂电池制作工艺,以及碳包覆的正极材料制备技术,实现电芯的6倍率放电特性。同时BMS采用高精度的采样芯片及均衡技术,接触器控制锂电池充放电,实时对电池进行监控保护处理及延长电池使用寿命,同时支持并联扩容。
目前,现有UPS电池使用过程中,多采用铅酸电池或锂电池,UPS对备电时间和备电电池重量的要求增加,需要安装、扩容、维护、更换电池组,在此使用过程中,在原有配置基础上增加电池容量,铅酸电池或者常规锂电池不具备扩容功能,需要将旧的电池拆除,全部换成新电池,造成资金的浪费。
锂离子电池是UPS备电系统中重要的部件,负责在系统断电后的备电工作,它是系统最后的安全保障,系统运行中,当市电装置停止工作或发生故障时,为负载提供应急电源的功能,起到避免设备损坏和数据损失的作用。理论上,铅酸电池和锂离子电池等蓄电池都可用于UPS备电,但这些蓄电池在性能上存在明显差异,如表1所示。表1中的锂离子电池以磷酸铁锂电池为例。与其它锂离子电池(钴酸锂电池、锰酸锂电池等)相比,磷酸铁锂电池安全性、环境友好性和循环稳定性更优。图1给出不同蓄电池的安全性能比较。
锂离子电池的重量、体积和性能是UPS锂电应用中需要考虑的关键因素。从表1中可以看出,与其它类型的蓄电池相比,磷酸铁锂电池在重量、体积和电化学性能方面优势明显。磷酸铁锂电池符合UPS备电轻量化,集成化的发展方向,此外,磷酸铁锂电池已经在通信基站后备电池上获得成功应用,完全可以胜任UPS锂电的应用要求。
目前UPS锂电应用中面对的几个问题:①存量市场采用铅酸电池,UPS不匹配锂电池;②UPS与锂电池之间进行通信及电气匹配困难;③锂电池扩容问题。针对以上问题,我们进行了相关设计。
围绕数据中心、通信机房、应急电源车等电源系统的体积小,重量轻,高比能量,集成化等的发展需求,重点开展磷酸铁锂电池及其管理系统等关键零部件的研究,技术解决方案:
13.2V25Ah磷酸铁锂电池模块的构建及优化
①磷酸铁锂电池正极、负极极片的制备
为提高电芯的倍率特性,电极片的制备按图2所示的工艺路线进行:
·调浆工艺
将电极材料(磷酸铁锂或碳基负极材料)、粘结剂(对于磷酸铁锂采用水性PVDF粘结剂,对于碳基负极材料采用SBR水性粘结剂)、导电碳及分散剂通过高速剪切搅拌,分散上述物质,得到各组分均匀分散的浆料。考察温度、剪切速度、搅拌时间、物料量比及固含量等因素对浆料粘度的影响,得到适合涂布的合浆工艺参数。
我们还将探讨将石墨烯替代部分导电碳作为导电剂,利用石墨烯优异的导电能力,来提高磷酸铁锂电池的大电流充放电性能,以更好地适应UPS备电在突发条件下的大电流应用要求。通过试验,获得石墨烯的改性和分散方法,及其相应的浆料制备工艺和涂布工艺。
我们还将探讨用Si代替部分碳基负极材料,获得相应的极片制备工艺,突破Si在锂离子电池中的应用瓶颈,以提高磷酸铁锂电池的能量密度,并进一步降低磷酸铁锂电池组的重量和体积,来使UPS备电可以载更多的人更多的物。
·涂布工艺
将得到的浆料送入涂布设备,通过挤压,使浆料均匀涂覆在基底涂碳铝箔或涂碳铜箔上,考察涂布窗口、走带速度、烘烤程序等对极片平整度、粘合强度等的影响。并通过反馈,优化浆料性质及涂布工艺参数,得到获得正负极片的涂布工艺。
·干燥与滚压工艺
将得到的极片置于真空箱内进行干燥,然后在一定的压力下滚下极片,并经历剪切分拣,得到正负极极片。考察干燥滚压程序(如:干燥温度、真空度、干燥时间、滚压压力、走带速度等)对极片中含水量、极片的压实密度和面密度等的影响。并通过反馈,优化干燥滚压的工艺参数,得到一致好的正负极极片。
②电芯的装配和成组
·电芯的装配
利用自动剪切机将得到的极片切成设计所需大小的极片,通过重量分拣的方式挑选电极片,满足极片的组合要求,并经历叠片、焊接、注液和封装的工艺,得到25Ah的电芯。
在叠片工艺上,采用“Z”形的层叠制造工艺,如图3所示,使电流密度分布更均匀,阻更抗小,以利于大容量电池性能发挥;
在成组工艺上,参考本公司的专利技术(201020526753.3及201010279805.6),将4个25Ah电芯通过并联组成3.2V100Ah模块,如图4所示。这种结构在实现增容的同时,增加了模块的散热效果,达到模块大倍率放电的散热功能。
·电芯和成组电池的性能
采用控制电流恒电流充放电技术对不同的电芯进行预充放,评估电芯的容量。同时考察电池的循环性能,测试电芯阻抗,并进行反馈,优化正负极极片的组成、电解液组成以及优选隔膜。得到最佳的电芯制备工艺条件。然后,根据电芯预充的容量,采用串并联方式进行pack,组装成符合UPS备电应用要求的大容量锂离子电池,测试电池的循环性能和安全性能等,优化电池的成组工艺。
·电芯和电池安全性能
采用撞击、加压、针刺、高温、短路和强制放电等极端方式,分析电池的燃烧、爆炸等情况,反馈给电池的制造工艺,并从电解液、隔膜及电池架构的方面优化电池的工艺参数。
2定流量系统和变流量系统
图5为电池管理系统原理图，主要包括:模拟量采集系统、驱动保护系统、通讯系统和主控制系统。
①模拟量采集系统
采用汽车级数据采样芯片(AN49503A)作为单体电压采集模块,实时监控电池电压,并进行数据传输给主控芯片,有利于实现电压精密测量;采用高精度16位AD采样芯片,实时跟踪电池组内部温度变化,避免电池温度失控,有利于电池安全运行。模拟量采集系统见图6。
②锂电并联系统的构建
采用预充均流策略作为均流不同电池容量的执行机构,MCU通过实时监控电池组电压,并判断电池的充放电状态及温升状态,进行均衡并机处理,有利于实现系统可靠运行(专利号202020354504.4);并联示意图如图7所示。
③电池荷电状态(SOC)计算系统
将传统的SOC计算依据电流积分的方法进行升级,根据电芯的温度、充放电特性、倍率特性及电池健康状态(SOH)和内阻进行SOC估算,估算公式如下:
从而获得与实际状况吻合度更高的SOC值,准确预知电池的实际荷电情况,更有利于使列车在遭遇突发状况之前确保电池处于安全状态。将这种算法用于此套系统中,并根据跟踪监测的实际情况,对此运算公式中相关系数进行优化,获得适合列车电池系统的估算算法。
④告警与保护系统
本系统通过J1939CAN2.0B通讯协议实现电池与列车间的数据交换,包括:单体电芯电压、电池组电压、电芯温度、电流及荷电状态,使列车控制器可以实时监控电池状态,并可以通过指令对电池进行充电,保证电池实时处于安全状态的同时,更有利于列车的安全运行。
①从系统轻量化和机械强度的角度出发,选择铝合金作为机箱和电芯串并联电缆的材料。在满足热有效传导的情况下,优化机箱的体积,使其尽可能小;
②将3.2V25Ah的电芯模块通过串联的方式组合成UPS备电使用要求的蓄电池集成系统(192V25Ah,96V25Ah),考察系统的充放电性能,倍率性能、循环性能和安全性能;
③在电池集成系统中配置热管理单元,对电池进行高低温管理,避免电池在低温环境中无法有效工作的问题;
④将电池集成系统装配到UPS备电上,模拟市电断电突发状况,考察电池集成系统的实际工作能力,并通过反馈,优化电池集成系统的组成和结构,并建立相应的工况条件下的理论模型。192V25Ah电池集成系统样机如图8所示。
①采用粘结能力更强的涂碳铝箔和涂碳铜箔作为集流体,解决磷酸铁锂或碳基负极材料与集流体接触牢固性问题,提高了电池的循环寿命;
②采用我们提出的式(1)的算法模拟电池荷电状态，包括电芯的温度、充放电特性、倍率特性及电池健康状态(SOH)和内阻，解决电池电量估算问题;
③通过在电极材料中加入电子传导能力优异的石墨烯,解决电池在大电流下的充放电性能问题,以及解决电子在大电流工作时的发热问题,提高了电池的充放电倍率,4C放电时放电容量99.1%,6C放电时放电容量94.73%(见表2),图9为其放电曲线。
参考文献
[1]磷酸铁锂电池及其在通信行业中的应用阮勇中讯邮电咨询设计院有限公司2011
[2]一种基于DSP的锂离子电池管理系统的设计与应用张华辉北京航空航天大学2010
作者简介
马吉富
高级工程师,卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司,专业方向:锂离子电池系统的研发与应用。
（来源：《数据中心建设+》杂志）