磷酸铁锂电池在变电站的应用安全性分析及其系统设计
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
广东电网有限责任公司电力科学研究院的研究人员梅成林、赵伟，在2019年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，国内从磷酸铁锂电池的浮充性能、磷酸铁锂电池浮充性能改进以及非浮充式的磷酸铁锂电池直流系统等方面研究了磷酸铁锂电池在变电站应用的可行性，磷酸铁锂电池被视为变电站直流电源中铅酸蓄电池的理想替代品。但是磷酸铁锂电池仍然存在不能过充过放、一致性差、单体容量小等缺点，使其在变电站的应用中存在不可忽视的安全风险。
为解决以上问题，本文设计了一种先串联满足电压等级再并联满足容量要求的磷酸铁锂电池拓扑结构，并对各串联电池组进行独立的充电控制，避免过充电及并联电池组的环流风险，满足交流失电时直流母线的无缝供电要求。
蓄电池作为交流中断后的紧急电源为变电站保护、控制、事故照明等提供电力，是变电站安全运行的保障。目前，大部分变电站采用“免维护”的阀控式铅酸蓄电池，从运行情况来看，阀控式铅酸蓄电池只是不加水，不测比重，其日常维护工作量依然大。而且，阀控式铅酸蓄电池具有对环境温度要求高存在短时间崩溃风险。
与铅酸电池相比，磷酸铁锂电池具有更高的额定电压、可以在同等容量的情况下减少串联电池的数量；具有更好的温度特性，对环境温度要求降低，随着磷酸铁锂电池性能的进一步提升，价格进一步的下降，磷酸铁锂电池被视为铅酸蓄电池的理想替代品。
魏增福等人将磷酸铁锂电池应用于110kV变电站系统，提出磷酸铁锂电池在变电站应用需要加装电池管理系统，对各单体电池进行均衡。钟国彬等人研究了磷酸铁锂电池组的浮充特性，发现磷酸铁锂电池不同于铅酸电池的浮充电流特性，在浮充电压大于3.5V时，浮充电流为0。
李晶等人提出了一种非浮充式的变电站直流系统电源，改变传统的铅酸蓄电池在线浮充电运行方式，通过电池管理系统保证磷酸铁锂电池不离线以及非浮充的充电控制及保护，突破锂电池在直流系统中的应用瓶颈。
李瑾等人从性能、购置成本、使用维护成本、安全性和废弃处理等方面分析了磷酸铁锂在变电站系统应用可行性，认为磷酸铁锂电池在变电站应用是必然的发展趋势。
尽管磷酸铁锂电池有诸多优点，但是其不能过充过放、一致性差等特性却是客观存在的事实，将其应用于变电站作为后备电源还有很多问题有待进一步研究。本文通过分析磷酸铁锂电池在变电站非浮充应用时的供电可靠性及小容量电池组分组并联应用的优势，提出基于磷酸铁锂电池的直流系统设计方案，为磷酸铁锂电池在变电站的应用推广提供技术支持。
1 磷酸铁锂电池在变电站的安全性分析
磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，把电池正极与负极隔开，锂离子可以通过而电子则不能通过；以碳或石墨作为电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池内部充有电解液，外部由金属外壳密闭封装。磷酸铁锂电池在安全性上相对锂锰电池及锂镍电池已有极大的提高，但是不具备在变电站进行浮充应用的条件。
制约高容量锂离子电池在变电站等安全性要求高的场合推广使用的重要因素是其在过热、过充、过放、短路、振动、挤压等条件下会出现着火、爆炸乃至人员受伤等。陈玉红等人对锂离子电池的过充试验表明在过充条件下负极由锂离子的嵌入反应变成锂金属在负极表面的沉积，溶剂被氧化，金属锂与溶剂随着电池温度的升高发生反应着火，并伴随着电解液的分解，产生爆炸条件。
磷酸铁锂电池在变电站通常安装在专用的电池室内，应用环境较好，不会出现过热、振动、挤压、短接电池的情况，因此其应用安全性的关键在于不能出现过充及过放。
变电站电池组是由多节单体电池串联组成，单体之间的不一致性会导致在充电过程中各单体的充电电压存在差距，如果没有进行任何的均衡措施，单体之间的差异逐渐增大，最终导致个别单体过充、温度过高等故障，造成整组电池使用寿命缩减，甚至报废爆炸等。
电池管理系统理论上可以解决磷酸铁锂电池在浮充应用条件下过充电问题，但是实际上目前主流的电池管理系统厂家都是采用电阻放电来避免过充，在长期浮充条件下，电池管理系统长时间处于发热状态，反而成为一个巨大的安全隐患。
本文对磷酸铁锂电池进行充电控制，在电池充满电的情况下进行热备份，既能避免磷酸铁锂电池过充电，同时又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无缝对直流负载供电。
锂离子电池应用领域主要是电子器件如相机、手机、笔记本电脑等电池容量较小的场合，对于电动汽车、变电站等大容量高电压等级的场合，需要将成百上千电池串并联后应用，则发生安全问题的概率会增加，且对电池的一致性及电池管理系统的要求更高。
大容量磷酸铁锂电池的应用仍处于起步阶段，市场上已成规模化生产的单体容量为50AH，也可以定制100AH及以上更大容量的电池，但是单体容量越大，安全系数越低。变电站按规程设计单体电池模块容量一般是在300AH以上，与直接用300AH以上单体串联应用以及18650或者26650电芯串并联应用相比，采用性能相对稳定的单体容量为50AH的电池进行串并联组合的拓扑结构，具有更高的安全性。
2 基于磷酸铁锂电池变电站直流系统安全性设计
磷酸铁锂电池采用先串联成满足电压等级要求的电池组后再进行并联，由于各电池组直接并联存在压差，会产生环流，本文设计的基于磷酸铁锂电池的直流系统在各电池组之间增加充电控制回路，独立调整各电池组的充电，并利用二极管的单向导通特性，避免环流的产生，其系统结构如图1所示。
2.1 充电控制原理
本文中，磷酸铁锂电池组是由IGBT器件通过PWM信号控制充电电压/电流大小，当外部接入的电压电流过大时会智能调节对磷酸铁锂电池的电流输出，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充电电流有增大的趋势，控制系统会调节IGBT器件的导通速率，降低或停止对蓄电池组的电流输入，阻止充电电流进一步增大形成的恶性循环导致蓄电池损伤，避免充电过程产生较大的环流。
图2所示为电池起动充电的电流变化曲线，可以看出经IGBT器件的控制，电池电流缓慢上升至设定充电电流，可避免大电流的产生。
图1 系统结构图
图2 电池起动电流曲线图
通过IGBT器件控制结合对电池组数据的采集和判断，控制磷酸铁锂电池在充满电后断开充电回路，在需要补充充电时自动起动充电，不进行长期在线浮充电，避免过充电对磷酸铁锂电池造成损伤，其充电控制状态转换如图3所示。
2.2 无缝供电原理
单向器件可以满足交流失电时，蓄电池组无任何延迟的对负载进行供电，还能满足在非充电过程中，两组或多组电池并联存在电压差时，高电压蓄电池组与低电压蓄电池组之间不导通，从而不存在充电回路，避免了环流现象的产生。二极管并联等效电路如图4所示。
图5为4组并联的磷酸铁锂电池同时放电时的电压电流变化曲线，可以看出各组电池的电压电流的变化比较均衡，不存在环流现象。
图3 充电控制状态转换图
图4 二极管并联等效电路图
图5 多组电池并联放电电流变化曲线
本文设计的先串联满足电压等级再并联满足容量要求的磷酸铁锂电池拓扑结构，基于磷酸铁锂电池的特性，改变了传统的电池接线及管理方式。与传统浮充时的铅酸电池相比，本系统方案采用容量堆叠式的设计，有利于变电站磷酸铁锂电池的容量设计。通过各串联电池组进行独立的充电控制，能够避免过充电及并联电池组的环流风险，满足交流失电时直流母线的无缝供电要求。
本文的系统方案安全性能得到提高、自动化程度增加，随着磷酸铁锂电池技术的成熟及价格的下降，有望取代铅酸蓄电池成为变电站后备电源的首选电池。