基于磷酸铁锂电池变电站直流系统BMS的研究与应用

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(国网四川省电力公司南充供电公司检修分公司，四川 南充 637000)

0 引 言

在目前变电站，大机组、超高压的现代大型电力工程以及现代城网建设工程中，直流系统的品质，对电网的安全运行有着重要影响。直流系统工作的稳定性对变电站的正常运行起着关键的作用，也是变电站安全运行的保障。由于蓄电池是直流系统的关键组成部分，直流系统的核心工作就是科学的维护蓄电池，对蓄电池进行合理的充放电管理是使其长期运行的保证。

在众多化学电池中，铅酸电池虽然目前被各种变电站广泛应用，但由于铅污染的存在，一些铅酸电池生产单位已被责令关闭。如此势必引起铅酸电池价格上涨，使用率下降。镍氢、镉镍电池体积大，循环寿命短，有记忆效益，使用受到了限制。在近些年里，锂离子电池获得了长足的发展，成为电池家族的重要一员。锂离子电池是20世纪90年代发展起来的高容量可充电电池，它的优点是能够存储更多的能量，能量比大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和无环境污染。锂离子电池的正极材料是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等，负极是碳素材料。因为原材料钴、锰价格高和污染较重，性能活泼易爆炸，目前电池业界的研究及应用主要投入在成本较低的磷酸铁锂电池上。磷酸铁锂电池具有其它蓄电池所不具备的优势，它结构稳定，循环性好，安全性优良，这些使得它的市场前景也很广阔。因此，磷酸铁锂电池可以作为变电站直流系统的蓄电池。

磷酸铁锂电池管理单元(BMS)是文中研究的重点，如何把握电池内部状态的变化规律以及外部因素对电池容量的影响、建立合理有效的电池模型和SOC算法、实现SOC在线估计并减少估算误差, 是电池安全管理最基本、最重要的方面。安全管理主要是指工作状态下电池的安全性问题，包括过充过放控制、过流保护、高压隔离、均衡处理和热管理。当电池发生异常，BMS应马上启动电池控制模块的保护功能，保证电池能够以正常方式运行。

1 磷酸铁锂电池的介绍

1.1 磷酸铁锉电池结构

磷酸铁锂电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的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，右边是由碳或石墨组成的电池负极，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。

图1 磷酸铁锂电池内部结构

1.1.2 磷酸铁锂电池的优势

(1)超长寿命。长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂电池，循环寿命达到2 000次以上，标准充电(5小时率)使用，可达到2 000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，在电力行业应用中最多也就5～8 a时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到8～10 a以上。

(2)使用安全。磷酸铁理完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸，对电力安全构成威胁，而磷酸铁锂经过严格的安全测试，即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。

(3)可大电流快速充放电。

磷酸铁锂电池可大电流(2 C电流)快速充放电，在专用充电器下，1.5 C电流充电40 min内即可使电池充满，起动电流可达2 C，而铅酸电池现在无此性能。

(4)耐高温。磷酸铁锂电热峰值可达350～500 ℃而锰酸锂和钴酸锂只在200 ℃左右。工作温度范围宽广(-20～75 ℃)，有耐高温特性。

(5)无记忆效应。可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镉镍电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

(6)绿色环保。该电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属)，无毒(SGS认证通过)，无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池。铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，仍将对环境造成二次污染，而磷酸铁锂材料无论在生产及使用中，均无污染。

2 电池管理系统的设计

由于变电站电池组是由多节单体电池串联组成。在直接使用没有配备电池管理系统的电池组的情况下，由于电池组内单体之间的差异在使用过程中会逐渐增大，而且无法进行调节，那么导致电池组在运行一段时间后出现单体过充、过放、过流及电池组环境温度过高等一系列故障，造成整个电池组的使用寿命缩减，性能下降，严重时报废、爆炸等。因此，磷酸铁锂电池组配备电池管理系统是十分必要的。电池管理系统可以有效解决电池组的安全问题，从而确保电池组可靠运行，同时延长电池组使用寿命，降低电池使用成本。

依据磷酸铁锂电池管理系统的实际需要，电池管理系统采用分布式结构，由电池管理单元(BMS)和温度采集单元(BVT)组成。其在电池管理单元(BMS)总的控制下，使用多个控制单元分别实现电池管理系统所需的各种功能，如数据采集、均衡充电、电量估计及通讯显示等；各个控制单元通过CAN总线进行数据通讯，实现单个电池及电池组模块电压、总电压、充放电电流、温度等数据的采集和测量、电量估计(SOC)。同时，分布式电池管理系统具有很强的扩展性，可以进行具体电池诊断和电池安全性能保护等功能扩展。

2.1 电池管理单元(BMS)实现功能

(1)具有系统自检功能。

(2)具有过充电、过放电、过电压、过温、过流保护告警功能。

(3)具有高压动力母线预充电功能。

(4)具有电池系统电压、电流、进口及出口温度、电芯电压、电芯温度等测量功能。

(5)具有电池系统SOC精确估算功能。

(6)具有电芯均衡功能。

(7)具有电池系统热管理功能，使电池工作在适当的温度范围内，降低各个电池模块之间的温差。

(9)具有与直流屏上监控器通讯功能。

(10)能实现电池组的上电、充电、放电、断电控制以及蓄电池组冷热环境的控制。

2.2 温度采集单元(BVT)实现功能

温度采集单元(BVT)能实现快速的采集单体电池的电压及温度，同时也可采集电池屏内入口及出口温度，具有电池组均衡功能，通过内部CAN总线及时上送数据到BMS。实现对单体蓄电池状态的实时监控。

2.3 电池管理系统的设计

电池管理系统总体结构，如图2所示。

图2 电池管理系统结构示意图

系统总体框架分析: 电池管理单元(BMS)是整个系统的核心控制部件，主要功能有数据采样控制、数字信号预处理、卡尔曼滤波优化算法实现、上位机串口通讯、电池保护电路控制及其他外围模块管理。首先，温度采集单元(BVT)对电压、电流、温度等电池参数进行实时测量，获得相应的AD采样数据。然后，温度采集单元(BVT)对这些数据做前期预处理，电池管理单元(BMS)进而执行SOC估计算法得到当前电池剩余电量值。根据SOC估计值和其他电池参数信息，电池管理单元(BMS)对电池组状态进行诊断，若电池出现过充过放等异常现象，电池管理单元(BMS)会立刻切断充放电回路。最后，电池管理单元(BMS)会通过CAN通信将电池实测数据和SOC估计值传送给直流屏上的监控器。

3 电池剩余电量(SOC)估算方法的研究

在磷酸铁锂电池使用过程中，电池剩余电量受到许多内外不确定因素的影响。如何利用电池可测参数数据来实现当前电池剩余电量准确估算一直以来是磷酸铁锂电池管理系统的核心问题和急需解决的技术难点。

3.1 SOC定义

简单地说，SOC就是指电池当前所存储的电量，即剩余电量。它是反映电池状态的主要参数。通常情况下，SOC数值上定义为在一定放电环境下，电池剩余电量与电池容量的比值：

近日，我国印发了《关于进一步加强科研诚信建设的若干意见》，指出科研诚信是科研创新的基石，将加强制度体系建设、管理、查处、宣传和教育等工作。从美国国立卫生研究院管理经验看，各级科研管理部门既要推进内部控制制度建设，打造廉洁、高效、规范的科技管理系统，又要严格处理违规人员和项目，视情适时向主管部门报告以追究责任，维护科学诚信，履行监管责任，保障科研活动公平和效率。

(1)

式中:Qn为标称容量;Qc为电池标准剩余电量，是指当前电量状态下电池以室温25 ℃ C/30倍率完全放电至放电截止电压所获得的全部电量；Qi为电池标准己用电量，数值上等于标称容量与标准剩余电量的差值；QI为实际己用电量，是指电量完全充满的电池以实际工作温度及放电倍率下所放出的电量。η为电池效率系数，用来量化各种因素对电池SOC的影响。

3.2 影响SOC的因素

在电力系统运行环境中，SOC受放电倍率、电池温度、自放电率、循环使用次数等许多因素的影响，这给SOC的估算带来了很大的困难。

(1) 放电倍率

在其他影响因素不变的条件下，电池放电容量会随着放电倍率的增加而降低。这是因为电池内部活性物质沿电极厚度方向的作用深度是有限的，当大电流放电时，放电倍率越大，作用深度就越浅，利用率越低，所以电池容量也就越小，反之电池容量就越大。图3为室温25 ℃磷酸铁锂电池在放电倍率0.25 C和0.85 C时的恒流放电特性曲线。

图3 室温电池放电倍率特性曲线

(2)电池温度

磷酸铁锂电池电量和活性物质利用率都会随着电池温度的上升而增加，这主要是由电解液温度性能变化引起的。当电池温度升高时，电解液黏度减小、活性增大，导致离子扩散运动能力增强，最终使得活性物质利用率提高，磷酸铁锂电池实际可用电量增大。反之，电池温度下降时，活性物质利用率降低，实际可用电量减少，所以电池实际可用电量是和电池温度成正比关系的。在实际使用中，磷酸铁锂电池的充放电工作温度范围为：0～45 ℃。

(3)循环使用次数

在使用一段时间后，磷酸铁锂电池的标准可放总电量会发生一定的变化。一开始电量会有所增加，在接下来一段时间内大体保持不变，然后电量会逐步减少。对于磷酸铁锂电池，一般用可放总电量降至标称电量80%时的充放电次数来表示电池循环寿命。

(4)自放电率

自放电又称荷电保持能力，是指在一定环境条件下，电池开路状态的存储电量保持能力。电池在自放电的作用下，SOC值会随着存储时间的增加而减小。一般情况下，自放电率用单位时间内容量降低的百分比表示。

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(2)

式中:Ca为存放前的电池电量；Cb为存放后的电池电量;T为电池存放的时间。锂电池自放电率大小与循环使用次数、环境温度以及存储时间等多种因素有关，一般利用试验的方法推导计算得到。

3.3 常见SOC估计方法

磷酸铁锂电池在直流电源中的放电是一个复杂的电化学反应过程，放电倍率、环境温度、电池内阻、自放电率等因素都会对电池SOC值的估计判断产生影响，同时这些因素又会随着循环使用次数的增加而发生改变，从而相应地增加了电池建模和SOC算法估计的难度。

目前，国内外磷酸铁锂电池SOC的估算方法主要有放电试验法、开路电压法、安时计量法、内阻测量法等，下面对这些方法进行简要的介绍分析。

(1)放电试验法

放电试验法是使用恒定电流对电池进行连续放电直至电池端电压达到放电截止电压的实验方法，电池剩余电量等于放电电流值与时间的乘积。放电试验法在实验室里经常使用，是最可靠的SOC估计方法，并且适用于所有类型的电池，但它也存在两个方面的缺陷:第一，需要花费大量测量时间。只有当整个放电试验结束后，之前各时刻的SOC值才能被计算得到，无法做到SOC的实时估计；第二，电池之前进行的工作要被迫停止，并转到恒流放电状态。

(2)开路电压法

电池开路电压在数值上与电池电动势非常接近。磷酸铁锂电池电动势是关于内部电解质密度的函数，而电解质密度会随电池放电次数的增加而成比例下降，所以开路电压法是按照电池在一定条件下开路电压与SOC值成数学比例关系的原理来估算SOC。在放电末期，开路电压估计SOC的效果较好。但是开路电压法自身也存在着一些不足，例如电池开路电压测量的时间问题。为了克服自恢复效应，电池需要长时间静置才能达到电压状态稳定，一般这个静置过程需要几个小时到十几个小时，这就造成了时间上的浪费；此外，如何正确判定电池是否达到稳定状态也是剩余电量估计的难点。当电池处于放电中期平台时，开路电压与SOC的数值对应关系并不十分明显，导致SOC估计误差较大。

(3)安时计量法

安时计量法是通过计算电池在充电或放电时的累积电量来估计电池的SOC，并根据温度、充放电倍率对SOC估计值进行补偿。它是目前使用最普遍、最简单的SOC估计方法，己成功地应用到电子类消费品的电量估计。如果规定充放电初始状态为SOC0，那么当前状态的SOC值可由式(3)计算得到。

(3)

式中：Qn为标称容量；i表示电池电流，放电时为正，充电时为负;η为电池效率系数，包括温度影响系数ηT和充放电倍率系数ηi，其中ηi可由Peukert方程得到。在使用安时计量法时应注意三个方面的问题：方法自身不能提供电池初始值SOC0；不准确的电流测量将增大SOC估计误差，经过长时间累积，该误差会变得越来越大；估算SOC时必须考虑电池效率系数。虽然电流测量的精度问题可以通过使用高性能电流传感器解决，但是这样会使系统成本大幅增加。同时，解决电池效率系数η问题必须通过大量实验数据建立温度影响系数ηT和充放电倍率系数ηi的经验公式。

(4)内阻测量法

内阻测量法是指通过以不同频率交流电激励电池的方式来测量电池内部交流电阻，并利用剩余电量与交流内阻的电池静态模型计算SOC值的方法。在电池放电后期，内阻测量法具有很高的估算精度和电池适应性，一般情况下与安时计量法组合使用。

4 结 论

文中介绍了磷酸铁锂电池在变电站直流系统中的应用，重点分析和研究电池管理系统在磷酸铁锂电池组中的应用以及SOC算法。电池管理系统负责整个电池组的运行。它需要监视电池组的运行状态，精确估算电池组的剩余容量，调整电池组内单体电池之间的差异，提供各种电池故障保护措施及报警信息。电池管理系统与直流系统监控器通过CAN通信，能有效的保证磷酸铁锂电池组及整个直流系统的安全可靠工作。

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