中國(guó)儲(chǔ)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(wú)泄露、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低、充放電迅速、循環(huán)壽命超長(zhǎng)、工作環(huán)境溫度范圍寬、安全穩(wěn)定綠色環(huán)保等特點(diǎn),所以在通信電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)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(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
①長(zhǎng)壽命。鈦酸鋰單體電芯的循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá)2.5萬(wàn)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(cè)試曲線和室溫循環(huán)壽命測(cè)試曲線;
②使用安全。鈦酸鋰電池在短路、過(guò)充、過(guò)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(guò)充、過(guò)放、短路、擠壓試驗(yàn)時(shí)的場(chǎng)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(wú)記憶效應(yīng);
⑥綠色環(huán)保。
鈦酸鋰電池充電時(shí),可分為恒流充電和恒壓充電兩個(gè)過(guò)程。首先是恒流充電,電流一般采用0.2C10,必要時(shí)可以采用6C10充電,當(dāng)電池組電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí),改為恒壓充電。所以,鈦酸鋰電池和開(kāi)關(guān)電源配合使用,其充電過(guò)程將變得較為簡(jiǎn)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(shí),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(cè)、保護(hù)電路、電氣、通訊接口、熱管理和電池組反接保護(hù)裝置等組成,是電池保護(hù)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(zhǎng)使用壽命,作為通信用的后備能源,BMS在開(kāi)關(guān)電源和電池之間起到一個(gè)重要橋梁作用。對(duì)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(duì)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(jì)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(cè)單體電池的工作狀況,例如檢測(cè)每個(gè)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(hù)電池,避免在極端的條件下發(fā)生電池壽命縮短和電池?fù)p壞。
(2)BMS的主要功能
①過(guò)壓保護(hù)
當(dāng)單體電池充電電壓超過(guò)允許值時(shí),立即停止充電,斷開(kāi)充電單元設(shè)備與電池組的連接;
②過(guò)放(欠壓)報(bào)警
當(dāng)單體電池放電電壓低于警告值時(shí),發(fā)出報(bào)警提示;
③過(guò)放保護(hù)
當(dāng)單體電池放電電壓低于保護(hù)值時(shí),立即停止放電,斷開(kāi)用電設(shè)備與電池組的連接,并伴有報(bào)警提示;
④過(guò)流報(bào)警
當(dāng)電池組輸入或者輸出的電流超過(guò)警告值時(shí),發(fā)出報(bào)警提示;
⑤短路保護(hù)
當(dāng)電池組發(fā)生短路時(shí),立即停止放電,斷開(kāi)用電設(shè)備與電池組的連接,并伴有報(bào)警提示;
⑥過(guò)溫報(bào)警
當(dāng)電池溫度或環(huán)境溫度超過(guò)警告值時(shí),發(fā)出報(bào)警提示;
⑦過(guò)溫保護(hù)
當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境溫度或電池組內(nèi)部溫度超過(guò)保護(hù)值時(shí),立即斷開(kāi)充電或者用電設(shè)備與電池組的連接,并伴有報(bào)警提示。當(dāng)環(huán)境溫度或電池組內(nèi)部溫度恢復(fù)到允許值后,可通過(guò)手動(dòng)恢復(fù)或自動(dòng)恢復(fù)對(duì)電池管理的功能,但不影響電池放電功能;
⑧估測(cè)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(guò)充或者過(guò)放對(duì)電池的損傷,隨時(shí)預(yù)報(bào)電池的剩余容量;
⑨對(duì)電池組中的單體電池進(jìn)行主動(dòng)均衡
由于鈦酸鋰電池制造工藝復(fù)雜及鋰離子的相對(duì)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(duì)電池組中的單體電池進(jìn)行均衡充電,使電池組中單體電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài),可以有效地延長(zhǎng)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(jìn)行通訊的接口,傳輸和顯示電池組狀態(tài)、報(bào)警、SOC、SOH(StateOfHealth,電池的健康狀況)等信息,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理干預(yù)。
7 鈦酸鋰電池組的安裝和容量實(shí)驗(yàn)
鈦酸鋰電池在出廠時(shí)有60%左右的荷電量,所以,安裝初始時(shí)應(yīng)該對(duì)電池組進(jìn)行補(bǔ)充電。并且,由于單體電池自放電大小的差異,可能會(huì)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(cè)量開(kāi)路電壓,開(kāi)路電壓差一般要求小于50mV,并做好電池測(cè)試紀(jì)錄。
用假負(fù)載可以對(duì)電池組按1C10、2.5C10和5.5C10率進(jìn)行的容量試驗(yàn),此試驗(yàn)需要接入BMS,放電過(guò)程中必須嚴(yán)格檢測(cè)電池單體電壓,利用BMS對(duì)電池的總電壓、放電電流、電池單體電壓進(jìn)行測(cè)量和紀(jì)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(dòng)停止放電,在25±2℃的情況下,計(jì)算出實(shí)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(shí),電池組放出的容量與額定容量的差別大于5%,說(shuō)明電池組的出廠容量可能存在問(wèn)題,應(yīng)及時(shí)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(shí)物圖見(jiàn)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(gè)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(gè)6串和2個(gè)5串模組串聯(lián)組成一個(gè)48V/300AH的電池組,整組電池由BMS系統(tǒng)控制,由一個(gè)BCMS(BatteryClusterManagementSystem,主控電池管理系統(tǒng))負(fù)責(zé)管理一個(gè)電池組中的全部BMU(BatteryManagementUnit,電池組管理單元),同時(shí)具備電池組的電流采集,總電壓采集,漏電檢測(cè)功能,并在電池組狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)驅(qū)動(dòng)斷開(kāi)高壓功率接觸器,使電池組退出運(yùn)行,保障電池使用安全。兩個(gè)BMU,每個(gè)BMU負(fù)責(zé)管理12串單體電池模塊。具有電池電壓采集,多點(diǎn)溫度采集,各種保護(hù)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)時(shí)監(jiān)控電池信息收集數(shù)據(jù),便于遠(yuǎn)程維護(hù)管理。如圖16所示。
BMS控制方式和控制流程分別見(jiàn)圖17和圖18。
BMS控制過(guò)程為:
①電池模擬量高精度監(jiān)測(cè)及上報(bào)功能。包括電池組串聯(lián)時(shí)電壓檢測(cè),電池組充放電電流檢測(cè),單體電池端電壓檢測(cè),電池組多點(diǎn)溫度檢測(cè),電池組漏電監(jiān)測(cè)。
②電池系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)警、報(bào)警本地顯示及上報(bào)功能。包括電池系統(tǒng)過(guò)壓告警、電池系統(tǒng)欠壓告警、電池系統(tǒng)過(guò)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(hù)功能。在電池系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、電流、溫度等模擬量超過(guò)安全保護(hù)門(mén)限時(shí),進(jìn)行故障隔離,將問(wèn)題電池組退出運(yùn)行,并在本地進(jìn)行顯示,同時(shí)上報(bào)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(shí),能夠上報(bào)中斷告警。另外,針對(duì)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(bào)監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)的功能。
⑤均衡功能。具備大電流主動(dòng)式均衡能力,通過(guò)高效的均衡策略能夠很好的維護(hù)電池各個(gè)模組電壓的一致性。
⑥運(yùn)行參數(shù)設(shè)定功能。BMS具有本地和遠(yuǎn)程兩種方式對(duì)BMS的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改的功能。本地參數(shù)修改在BMS本地觸摸屏上完成,遠(yuǎn)程參數(shù)修改通過(guò)光纖以太網(wǎng)通信完成。參數(shù)設(shè)定項(xiàng)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(yùn)行最高溫度、電池組運(yùn)行最低溫度、電池組過(guò)流門(mén)限、電池組短路保護(hù)門(mén)限、電池組短時(shí)溫升過(guò)快門(mén)限、本地運(yùn)行狀態(tài)顯示功能等。
⑦數(shù)據(jù)記錄。BMS能夠在本地對(duì)電池模組的各項(xiàng)事件及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),記錄超過(guò)10000條事件及最少30天的歷史數(shù)據(jù)。
⑧BMS能夠?qū)M(jìn)行電池組的全充全放管理,完成電池系統(tǒng)容量標(biāo)定以及SOC標(biāo)定的功能。
鈦酸鋰電池組BMS均衡功能可對(duì)單元輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電池組實(shí)施均衡,鈦酸鋰電池組管理模塊的均衡采用無(wú)損充電方式,其充電電流可根據(jù)均衡規(guī)則的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。電池組監(jiān)測(cè)模塊采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)均衡,電池組均衡管理系統(tǒng)具備大電流主動(dòng)式均衡性能,通過(guò)高效的均衡策略很好地自主維護(hù)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(guò)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(hù)和管理,延長(zhǎng)電池組的使用壽命。
均衡實(shí)現(xiàn)示意圖如圖19所示。有無(wú)均衡系統(tǒng)的充電曲線如圖20所示。圖21為22個(gè)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(kāi)啟BMU均衡的時(shí)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(kāi)啟BMU均衡的時(shí)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。
