中國儲能網(wǎng)訊：鈦酸鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無泄露、無記憶效應、自放電率低、充放電迅速、循環(huán)壽命超長、工作環(huán)境溫度范圍寬、安全穩(wěn)定綠色環(huán)保等特點,所以在通信電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應用前景。
5 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(xiàn)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;
⑤無記憶效應;
⑥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(guān)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(diào)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。
6 鈦酸鋰電池組的管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,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(guān)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(tǒng)的要求,所以BMS的安全管理模式對電池的安全性至關(guān)重要。BMS主要包括數(shù)據(jù)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。
(1)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。
(2)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(nèi)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(nèi)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(nèi),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(shù)的變化存在不一致的現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)遠程監(jiān)控和管理干預。
7 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(xiàn)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(guān)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(lián)系相關(guān)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(lián)組成,其中300Ah的電池是由10個單電芯容量為30Ah的電芯并聯(lián)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(lián)組成一個48V/300AH的電池組,整組電池由BMS系統(tǒng)控制,由一個BCMS(BatteryClusterManagementSystem,主控電池管理系統(tǒng))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(qū)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(shù)據(jù),通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳至后臺服務器、數(shù)據(jù)庫,實時監(jiān)控電池信息收集數(shù)據(jù),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(lián)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(tǒng)運行報警、報警本地顯示及上報功能。包括電池系統(tǒng)過壓告警、電池系統(tǒng)欠壓告警、電池系統(tǒng)過流告警、電池系統(tǒng)高溫告警、電池系統(tǒng)低溫告警、電池系統(tǒng)漏電告警、BMS通信異常告警、BMS內(nèi)部異常告警等。
③電池系統(tǒng)保護功能。在電池系統(tǒng)出現(xiàn)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。
④BMS具備自診斷功能。在BMS內(nèi)部通信或與外部通信出現(xiàn)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(tǒng)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(shù)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(shù)進行修改的功能。本地參數(shù)修改在BMS本地觸摸屏上完成,遠程參數(shù)修改通過光纖以太網(wǎng)通信完成。參數(shù)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(shù)據(jù)記錄。BMS能夠在本地對電池模組的各項事件及歷史數(shù)據(jù)進行存儲,記錄超過10000條事件及最少30天的歷史數(shù)據(jù)。
⑧BMS能夠?qū)M行電池組的全充全放管理,完成電池系統(tǒng)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(jù)均衡規(guī)則的要求進行調(diào)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)示意圖如圖19所示。有無均衡系統(tǒng)的充電曲線如圖20所示。圖21為22個串聯(lián)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。
