中國儲能網訊：鈦酸鋰電池的安全性
鈦酸鋰電池是鋰離子電池家族中最安全的一種電池,其優(yōu)點主要表現在以下幾個方面:
1
長壽命。鈦酸鋰單體電芯的循環(huán)壽命長達2.5萬次以上,圖9和圖10分別給出了鈦酸鋰電池高溫循環(huán)壽命測試曲線和室溫循環(huán)壽命測試曲線;
2
使用安全。鈦酸鋰電池在短路、過充、過放、擠壓、針刺、跌落、高溫沖擊、加熱的條件下是非常安全的,圖11是鈦酸鋰電池在針刺、高溫沖擊、過充、過放、短路、擠壓試驗時的場景;
3
可大電流快速充放電;
4
耐高溫性能優(yōu)越,鈦酸鋰電池在-40～+60℃溫度下仍然能夠正常工作,圖12給出了鈦酸鋰電池的低溫充放電曲線;
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無記憶效應;
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綠色環(huán)保。
鈦酸鋰電池充電時,可分為恒流充電和恒壓充電兩個過程。首先是恒流充電,電流一般采用0.2C10,必要時可以采用6C10充電,當電池組電壓達到充電限制電壓時,改為恒壓充電。所以,鈦酸鋰電池和開關電源配合使用,其充電過程將變得較為簡單,只需將電池組浮充電壓和均充電壓調整一樣即可?！ ?
鈦酸鋰電池放電時,電池放電電壓非常平穩(wěn),一般在2.3V左右,放電后期(主要指剩余5%容量左右)的電壓變化較快,放電的截止電壓可以為1.5V。
鈦酸鋰電池組的管理系統
電池管理系統(Battery Management System,BMS)由監(jiān)測、保護電路、電氣、通訊接口、熱管理和電池組反接保護裝置等組成,是電池保護和管理的核心組成部分,不僅要保證電池安全可靠的使用,而且要充分發(fā)揮電池的性能和延長使用壽命,作為通信用的后備能源,BMS在開關電源和電池之間起到一個重要橋梁作用。對BMS的要求必須符合通信電源供電系統的要求,所以BMS的安全管理模式對電池的安全性至關重要。BMS主要包括數據采集單元、計算以及控制單元、均衡單元、控制執(zhí)行單元和通訊單元等。圖13為BMS示意圖。
1F
BMS的基本作用
1
監(jiān)測單體電池的工作狀況,例如檢測每個單體電池的電壓、充放電電流、電池組的環(huán)境溫度等。
2
保護電池,避免在極端的條件下發(fā)生電池壽命縮短和電池損壞。
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BMS的主要功能
1
過壓保護。當單體電池充電電壓超過允許值時,立即停止充電,斷開充電單元設備與電池組的連接;
2
過放(欠壓)報警。當單體電池放電電壓低于警告值時,發(fā)出報警提示;
3
過放保護。當單體電池放電電壓低于保護值時,立即停止放電,斷開用電設備與電池組的連接,并伴有報警提示;
4
過流報警。當電池組輸入或者輸出的電流超過警告值時,發(fā)出報警提示;
5
短路保護。當電池組發(fā)生短路時,立即停止放電,斷開用電設備與電池組的連接,并伴有報警提示;
6
過溫報警。當電池溫度或環(huán)境溫度超過警告值時,發(fā)出報警提示;
7
過溫保護。當檢測到環(huán)境溫度或電池組內部溫度超過保護值時,立即斷開充電或者用電設備與電池組的連接,并伴有報警提示。當環(huán)境溫度或電池組內部溫度恢復到允許值后,可通過手動恢復或自動恢復對電池管理的功能,但不影響電池放電功能;
8
估測電池組SOC。SOC(StateOfCharge,電池的荷電狀態(tài))即電池剩余電量。維持SOC在合理的范圍內,防止由于過充或者過放對電池的損傷,隨時預報電池的剩余容量;
9
對電池組中的單體電池進行主動均衡。由于鈦酸鋰電池制造工藝復雜及鋰離子的相對活躍性,所以電池組中單體電池電壓隨著充放電次數的變化存在不一致的現象。對電池組中的單體電池進行均衡充電,使電池組中單體電池都達到均衡一致的狀態(tài),可以有效地延長電池組的使用壽命,大大地提高電池組的工作效率。
10
并口通訊。提供與電源監(jiān)控系統進行通訊的接口,傳輸和顯示電池組狀態(tài)、報警、SOC、SOH(StateOfHealth,電池的健康狀況)等信息,實現遠程監(jiān)控和管理干預。
鈦酸鋰電池組的安裝和容量實驗
鈦酸鋰電池在出廠時有60%左右的荷電量,所以,安裝初始時應該對電池組進行補充電。并且,由于單體電池自放電大小的差異,可能會使各電池的端電壓出現不均衡,所以鈦酸鋰電池組安裝前必須測量開路電壓,開路電壓差一般要求小于50mV,并做好電池測試紀錄。
用假負載可以對電池組按1C10、2.5C10和5.5C10率進行的容量試驗,此試驗需要接入BMS,放電過程中必須嚴格檢測電池單體電壓,利用BMS對電池的總電壓、放電電流、電池單體電壓進行測量和紀錄,電池在放電后期利用BMS密切關注單體電壓低的電池,若有一只電池端電壓到1.5V,自動停止放電,在25±2℃的情況下,計算出實際電池放出的容量與電池額定容量是否基本一致,若基本一致證明電池放電容量合格。若放電到終止電壓時,電池組放出的容量與額定容量的差別大于5%,說明電池組的出廠容量可能存在問題,應及時聯系相關廠家處理或更換。
例如,某通信基站使用48V/300Ah鈦酸鋰電池(實物圖見圖14),每組電池由22只300Ah的電池模塊串聯組成,其中300Ah的電池是由10個單電芯容量為30Ah的電芯并聯組成,22節(jié)300Ah的電池模塊分別有2個6串和2個5串模組串聯組成一個48V/300AH的電池組,整組電池由BMS系統控制,由一個BCMS(BatteryClusterManagementSystem,主控電池管理系統)負責管理一個電池組中的全部BMU(BatteryManagementUnit,電池組管理單元),同時具備電池組的電流采集,總電壓采集,漏電檢測功能,并在電池組狀態(tài)發(fā)生異常時驅動斷開高壓功率接觸器,使電池組退出運行,保障電池使用安全。兩個BMU,每個BMU負責管理12串單體電池模塊。具有電池電壓采集,多點溫度采集,各種保護和電池組均衡控制等功能。鈦酸鋰電池配組示意圖和BMS接線如圖15所示。
BMS收集的數據,通過互聯網技術上傳至后臺服務器、數據庫,實時監(jiān)控電池信息收集數據,便于遠程維護管理。如圖16所示。
BMS控制方式和控制流程分別見圖17和圖18。
BMS控制過程為:
1
電池模擬量高精度監(jiān)測及上報功能。包括電池組串聯時電壓檢測,電池組充放電電流檢測,單體電池端電壓檢測,電池組多點溫度檢測,電池組漏電監(jiān)測。
2
電池系統運行報警、報警本地顯示及上報功能。包括電池系統過壓告警、電池系統欠壓告警、電池系統過流告警、電池系統高溫告警、電池系統低溫告警、電池系統漏電告警、BMS通信異常告警、BMS內部異常告警等。
3
電池系統保護功能。在電池系統出現電壓、電流、溫度等模擬量超過安全保護門限時,進行故障隔離,將問題電池組退出運行,并在本地進行顯示,同時上報監(jiān)控中心告警信息。
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BMS具備自診斷功能。在BMS內部通信或與外部通信出現中斷故障時,能夠上報中斷告警。另外,針對模擬量采集異常等其他異常也具備故障自診斷、本地顯示和上報監(jiān)測中心系統的功能。
5
均衡功能。具備大電流主動式均衡能力,通過高效的均衡策略能夠很好的維護電池各個模組電壓的一致性。
6
運行參數設定功能。BMS具有本地和遠程兩種方式對BMS的各項運行參數進行修改的功能。本地參數修改在BMS本地觸摸屏上完成,遠程參數修改通過光纖以太網通信完成。參數設定項目包括單體電池組充電上限電壓、單體電池組放電下限電壓、電池組運行最高溫度、電池組運行最低溫度、電池組過流門限、電池組短路保護門限、電池組短時溫升過快門限、本地運行狀態(tài)顯示功能等。
7
數據記錄。BMS能夠在本地對電池模組的各項事件及歷史數據進行存儲,記錄超過10000條事件及最少30天的歷史數據。
8
BMS能夠對進行電池組的全充全放管理,完成電池系統容量標定以及SOC標定的功能。
鈦酸鋰電池組BMS均衡功能可對單元輸出狀態(tài)對應的電池組實施均衡,鈦酸鋰電池組管理模塊的均衡采用無損充電方式,其充電電流可根據均衡規(guī)則的要求進行調節(jié)。電池組監(jiān)測模塊采用點對點均衡,電池組均衡管理系統具備大電流主動式均衡性能,通過高效的均衡策略很好地自主維護電池組的一致性,使用電池組均衡管理模塊系統后,充放電過程中各單體電池的一致性大大提高,使鈦酸鋰電池組得到了有效地維護和管理,延長電池組的使用壽命。
均衡實現示意圖如圖19所示。有無均衡系統的充電曲線如圖20所示。圖21為22個串聯單體電壓一致性變化曲線。
從圖20可以看出300Ah電池組220只單體電芯在開啟BMU均衡的時候,單體電壓從分散的狀態(tài)逐漸趨于集中,表明單體均衡功能有效。
從圖21可以看出300Ah電池組22模組在開啟BMU均衡的時候,電壓一致性從分散的狀態(tài)逐漸趨于集中,表明單體均衡功能有效。
鈦酸鋰電池組與開關電源配套使用
針對鈦酸鋰電池的特性,在基站直流開關電源設置時,只須把浮充電壓和均充電壓調整到該電池組所需要的充電電壓53.9V即可。這里需要特別說明的是,相對于密封閥控鉛酸電池而言,鈦酸鋰電池的充電過程并不是浮充加均充的工作模式,只需滿足電池充電時所需要的充電電壓(必須在通信設備供電電壓范圍內)。因為電池即便是長期處于均充電狀態(tài)下,由于自身的BMS保護功能,電池性能是不會發(fā)生改變的。
在安裝電池組時,將該組電池進行離線測試,測試充電前的開路電壓正常后,并接入直流屏配電電池保險上。
測試后,調整開關電源直流供電電壓與之對應,分別將該組電池接入系統進行補充電。此時開關電源充電壓設置為53.9V,充電電流限制為每組30A。同時為了防止電源監(jiān)控模塊損壞,模塊自主工作時充電電壓過高,將所有運行的開關電源模塊進行調整,調整后對該組電池組進行補充電,隨著電池電壓升高,充電電流會相應減小,當每個-48V電池模塊電壓和開關電源的充電電壓非常接近時,充電電流逐漸減小,隨后電池組的BMS系統進行了保護,充電系統通過每個模塊的BMS控制與電池斷開,電池模塊充電完成。
電池靜止后進行了放電試驗,采用0.1C10放電電流放電,即對電池單獨放電電流為30A。放電時間為10h,實驗后該電池放出容量為300Ah,電池組放出了額定容量的100%,所以電池組放出的容量完全滿足額定容量的要求。
鈦酸鋰電池組容量試驗和核對放電實驗
根據動力維護規(guī)程,蓄電池組使用三年必須進行容量試驗,使用六年后每年進行一次容量試驗,準確地監(jiān)測電池組的實際容量,確保在市電和電源設備出現故障時,蓄電池組能夠保障通信設備正常運行的時間。
目前,通信基站配置兩組電池,開關電源與鈦酸鋰電池組為并聯間歇充電方式,所以,電池組無法脫離供電系統,無法單獨對電池做容量試驗。具體試驗方法如下:
帶實際負荷的條件下進行(或實際負荷加上假負載)
為確保在這種情況下直流供電系統安全可靠的供電,對柴油發(fā)電機組進行檢查,保障柴油發(fā)電機組運行正常,同時針對直流供電系統的負荷情況,確定電池組的放電倍率,符合3h率、5h率或10h率放電,最好環(huán)境溫度為25℃左右,按10h率進行容量試驗。實施電池容量試驗時,把開關電源的浮充電壓設定為46V,用BMS監(jiān)控電池組單體的電壓和保護,同時用直流鉗型表檢測電池放電電流是否正確,以確保用電設備供電安全。利用自身的電池BMS系統對電池組進行實時檢測數據并打印存檔。
利用全在線充、放電智能設備進行
全在線充、放電智能設備能實現對一個直流供電系統并聯的兩組中的某一組電池進行在線放電和充電,以恒定電流對實際負荷進行在線放電至設定的截止電壓后,自動恢復充電,所以整個放電和充電過程中,被測電池組始終在線,同時鈦酸鋰電池組的BMS系統也起到了對電池組的二次保護功能。與離線放電有所不同的是,一旦市電中斷,該組電池還可以立即投入使用,而且整個系統上還有另一組電池時刻處于在線浮充備用狀態(tài),使用此種放電與傳統的離線放電相比,可以使系統有盡可能多的備份電池容量,最大限度地降低了放電過程中系統供電癱瘓風險。全在線設備在連接電池組時,只在正極進行操作,而不用拆卸電池組負極到直流供電系統的電池組保險,防止了操作不當而引起短路的風險;電池組放電結束后,能自動轉入充電恢復程序,不僅避免了離線容量試驗時電池組間因電壓差而造成的火花現象,而且還避免因另一組在線備用電池對該組電池的大電流反灌充電而破壞電池性能的發(fā)生。在線設備串聯單組電池的放電節(jié)能方式,是將電池組中的電能直接釋放到實際負載中,不像離線放電是將電能以熱量形式消耗,所以串聯在線設備對電池組放電方法達到了節(jié)能目的。
鈦酸鋰電池組的維護
鈦酸鋰電池的運行環(huán)境要求
根據電池對環(huán)境的要求,室溫不宜超過60℃;避免陽光對電池直射,朝陽窗戶應作遮陽處理;確保電池組之間預留足夠的維護空間。
鈦酸鋰電池使用注意事項
通過動環(huán)集中監(jiān)控系統與BMS實時對電池組的總電壓、電流、單體電壓、SOC、SOH、溫度進行監(jiān)測。同時,通過電池監(jiān)測裝置了解電池充放電曲線及性能,定期進行測量,發(fā)現故障及時處理。
鈦酸鋰組經常檢查的項目
應經常檢查電池模塊的極柱連接線(條)是否松動;是否有損傷、變形或腐蝕等現象;連接處有無松動,電池模塊殼體有無損傷、滲漏和變形,電池及連接處溫升是否異常;BMS數據線接觸情況;電池組保護裝置的動作是否可靠;對電池組的輸出保險溫升檢查和信號保險進行告警實驗。根據廠家提供的技術參數和現場環(huán)境條件,通過BMS系統檢查電池組及單體電壓是否滿足要求,檢測開關電源對電池組間歇充電時的充電電流是否在要求的范圍內。檢測開關電源供電系統對電池組的充電電壓和限流值的設置是否正確。
鈦酸鋰電池組正常運行的電壓要求
鈦酸鋰間歇式充電壓一般設置為單體電池:2.45～2.55V,也是鈦酸鋰電池組運行在最佳的工作狀態(tài)下。開關電源設置穩(wěn)定工作電壓為53.9～56.1V。廠家技術說明書有特殊要求的,以廠家電池說明書為準,但必須滿足通信直流電源-48V寬電壓供電電壓的維護標準要求。
結束語
鈦酸鋰電池的性能測試、容量試驗和現場安裝,日前在某地順利完成。驗證了本文所述內容的正確性。圖22為鈦酸鋰電池組的安裝現場。
作者簡介
武亞波,高級工程師,中國聯合網絡通信有限公司廊坊市分公司動力室長
