鄧 磊，吳 鈁，帥驍睿

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

在后備電池領(lǐng)域中，目前鉛酸蓄電池現(xiàn)有市場(chǎng)占比在90%以上，由于鉛酸蓄電池?zé)o法滿(mǎn)足后備電池在性能、壽命、維護(hù)、綜合成本等方面日益苛刻的要求，高功率密度、高能量密度、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、低成本的磷酸鐵鋰電池替代鉛酸蓄電池趨勢(shì)已明確。磷酸鐵鋰電池用作后備電池的應(yīng)用技術(shù)相對(duì)薄弱，潛在的技術(shù)問(wèn)題尚未完全發(fā)現(xiàn)和解決。通信基站領(lǐng)域應(yīng)用磷酸鐵鋰電池作為后備電池過(guò)程中，遇到了電池壽命衰減嚴(yán)重、一致性惡化迅速等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了后備電源的可靠性，維護(hù)周期和使用壽命也低于預(yù)期。后備電池的運(yùn)行工況較為惡劣，其浮充工況與動(dòng)力電池的循環(huán)充放電工況不同，長(zhǎng)期處于恒壓浮充的狀態(tài)，荷電狀態(tài)接近滿(mǎn)電，造成磷酸鐵鋰電池容量衰減加速，單體差異性惡化，并形成惡性循環(huán)[1]。

1 后備電池浮充工況分析

在配備后備電池的供電系統(tǒng)中，一般在電路結(jié)構(gòu)中會(huì)存在直流母線，正常供電電源將輸入電制轉(zhuǎn)換成與母線匹配的直流電，負(fù)載從母線上取電，后備電池通常直接接入在母線上[2]。對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化后如圖1 所示，后備電池和正常供電電源、負(fù)載共同接入在直流母線上，直流母線電壓為UL。在正常供電工況，正常供電電源輸出電壓穩(wěn)定，母線電壓UL基本恒定，電池處于恒壓浮充狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)下電池的充電電流接近于0；在應(yīng)急供電工況，正常供電電源故障停機(jī)，負(fù)載從后備電池取電，母線電壓隨著電池剩余電量的減少而降低。

圖1 配備后備電池的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

對(duì)電池進(jìn)行等效電路建模分析，將電池組近似看作為單個(gè)電池，采用Thevenin 等效電路模型進(jìn)行等效(Thevenin 等效電路模型是最具代表性的電池等效電路模型)。如圖2 所示，等效電路模型由電池極化內(nèi)阻Rp、極化電容Cp、歐姆內(nèi)阻R0和理想電壓源E組成，電池端電壓為UL，極化電壓為Up，電池電流為IL，理想電壓源E的電壓為電池開(kāi)路電壓UOCV，開(kāi)路電壓UOCV與荷電狀態(tài)SOC為一特定曲線函數(shù)關(guān)系，該曲線稱(chēng)之為開(kāi)路電壓曲線。單體磷酸鐵鋰電池的開(kāi)路電壓曲線如圖3所示。

圖2 電池Thevenin等效電路模型

圖3 磷酸鐵鋰單體電池開(kāi)路電壓曲線

電池端電壓與電流的關(guān)系如式(1)，其中極化電壓Up穩(wěn)態(tài)下與電流IL呈正比例關(guān)系。

根據(jù)簡(jiǎn)化供電電路結(jié)構(gòu)及電池等效電路進(jìn)行分析，當(dāng)供電系統(tǒng)由正常供電電源供電時(shí)，母線電壓處于恒壓狀態(tài)，電池端電壓UL恒定，起始狀態(tài)下電池荷電狀態(tài)SOC低，開(kāi)路電壓UOCV低于端電壓UL，則電流IL為負(fù)，即電池處于充電狀態(tài)，電池SOC隨著充電進(jìn)行不斷升高，開(kāi)路電壓UOCV也隨之升高，因此電流IL不斷變小，UL與UOCV差值不斷縮小，直至相等，此時(shí)IL等于0。

與理論分析不同的是，由于電池內(nèi)部存在微弱自放電，UL隨之緩慢降低，因此母線將以極小電流對(duì)電池進(jìn)行充電，由于浮充電壓會(huì)受負(fù)載和電源影響而上下波動(dòng)，電池電流會(huì)伴隨母線電壓浮動(dòng)而處于隨機(jī)充或放電的狀態(tài)。

2 單體電池浮充試驗(yàn)

磷酸鐵鋰電池一般充電方法為恒流恒壓充電，即充電器設(shè)置恒流值IM和恒壓值UM對(duì)電池進(jìn)行充電，充電時(shí)先以電流IM進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電池電壓升至恒壓值UM時(shí)，切換為電壓為UM的恒壓充電，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到設(shè)定的截止電流值Ie時(shí)，充電結(jié)束。充電恒流值IM根據(jù)電池規(guī)格要求和應(yīng)用需求綜合設(shè)定，磷酸鐵鋰單體電池的充電恒壓值UM通常為3.65 V。

浮充充電可以看作恒壓恒流充電的恒壓末端，由于浮充充電的過(guò)程較長(zhǎng)，恒流充電階段充電電流值的大小對(duì)浮充穩(wěn)態(tài)階段的影響可以忽略，浮充充電的恒壓值要比3.60 V 要低。

對(duì)磷酸鐵鋰單體電池采用特定的恒流恒壓充電方法來(lái)測(cè)試浮充電壓與容量的關(guān)系，其中充電恒壓值UM為浮充電壓UL，截止電流值Ie設(shè)置為近似于0 的極小值。本測(cè)試選用了202 Ah 的方形硬包磷酸鐵鋰電池樣品3 個(gè)，恒流值IM設(shè)置為0.2C，即40.4 A，截止電流值Ie設(shè)置為0.000 5C，即0.1 A。3個(gè)樣本電池編號(hào)分別為B1、B2、B3，在20 ℃恒溫箱中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試流程為：

(a)容量測(cè)試，0.2C、3.60 V 恒流恒壓充電，靜置4 h，0.2C恒流放電至放電截止點(diǎn)，記錄放電容量C，靜置4 h，循環(huán)測(cè)試直至前后兩次的放電容量差異小于0.5%，記錄放電容量為C0。

(b)針對(duì)某恒壓值UM進(jìn)行恒流恒壓充電測(cè)試，充電完成后對(duì)電池進(jìn)行0.2C恒流放電至放電截止點(diǎn)，靜置4 h，記錄浮充放電容量Cd，進(jìn)行下一個(gè)設(shè)置恒壓值UM的測(cè)試循環(huán)，直至完成所有恒壓值的測(cè)試。

3 個(gè)電池樣本均為新出廠電池，測(cè)試容量差異較小。試驗(yàn)設(shè)置恒壓值UM在3.30～3.34 V 區(qū)間，每隔10 mV 選取了11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并在容量變化突變的3.350～3.360 V 區(qū)間間隔2 mV 增加了4個(gè)測(cè)試點(diǎn)。根據(jù)每個(gè)電池對(duì)應(yīng)恒壓值UM測(cè)試的C0和Cd數(shù)據(jù)，計(jì)算該恒壓值浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)S=Cd/C0×100%，B1、B2、B3 對(duì)應(yīng)的浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)分別為S1、S2、S3，以及三個(gè)電池的均值Sm，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)測(cè)試結(jié)果 %

以浮充電壓為橫坐標(biāo)，浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)平均值為縱坐標(biāo)，得出磷酸鐵鋰單體電池浮充電壓與浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)曲線，如圖4 所示，從圖和數(shù)據(jù)中可以看出：(1)3.35～3.36 V 區(qū)間電池浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)增長(zhǎng)率較高；(2)單體浮充電壓大于3.37 V 時(shí)，電池接近于滿(mǎn)電狀態(tài)，浮充電壓大于3.4 V 時(shí)，電池基本處于滿(mǎn)電狀態(tài)。

圖4 單體電池浮充電壓與浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)關(guān)系圖

3 單體浮充電壓的設(shè)定

由應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)可知，單體電池的浮充電壓越高，壽命衰減速度越快。從單體電池浮充測(cè)試結(jié)果可知，浮充電壓大于3.40 V 時(shí)容量幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)空間，考慮到電池組電壓一致性問(wèn)題，因此推薦單體浮充電壓控制在3.40 V 以下區(qū)間。

將浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)相對(duì)浮充電壓變化的增長(zhǎng)率命名為浮充荷電狀態(tài)敏感度Kn，即浮充電壓增長(zhǎng)1 mV 對(duì)應(yīng)的SOC增長(zhǎng)值。在浮充電壓3.35～3.40 V 區(qū)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，Kn=0.001×(Sn－Sn－1)/(UMn－UMn－1)，其中n為按浮充電壓值排序的測(cè)試序號(hào)。浮充荷電狀態(tài)敏感度曲線如圖5 所示。

圖5 浮充荷電敏感度曲線

從圖中可以看出，浮充電壓在3.36 V 附近時(shí)，浮充電壓每增加1 mV，對(duì)應(yīng)的浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)增加約0.6%。浮充電壓從3.36 V 增加到3.37 V 時(shí)，對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)浮充荷電狀態(tài)增加了約7%。

后備電池組是由多個(gè)單體電池串并聯(lián)組成的，當(dāng)電池組處于恒壓狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部串聯(lián)的單體電池或者并聯(lián)單元也處于恒壓狀態(tài)，但由于存在單體差異，各自恒壓值不一定相同，因此電池組浮充電壓應(yīng)留有一定裕量。

考慮到后備電池組浮接在直流母線上，直流母線電壓受負(fù)載和電源影響存在大幅波動(dòng)的可能性，電池可能承受瞬時(shí)的大電流充電，而電池在SOC過(guò)高時(shí)不具備大電流充電能力，根據(jù)磷酸鐵鋰電池充電特性，浮充穩(wěn)態(tài)SOC應(yīng)低于90%。

綜合考慮，為保證電池的儲(chǔ)能電量最大化、具備瞬時(shí)充電的承受能力，并留有一定工程裕量，將單體浮充電壓設(shè)定為3.36 V，對(duì)應(yīng)的浮充穩(wěn)態(tài)SOC為87.7%。

4 電池組差異性在浮充工況的影響

電池組的一致性主要體現(xiàn)在單體容量、SOC、充電效率和自放電率上，在初始狀態(tài)下認(rèn)為容量和SOC完全一致的情況下，在使用過(guò)程中一致性會(huì)逐步惡化。后備磷酸鐵鋰電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，由于浮充狀態(tài)下的充電效率和自放電率存在差異，單體電池的差異性逐步擴(kuò)大，根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)，相比循環(huán)充放電工況下，浮充工況一致性惡化速度要更快。由于磷酸鐵鋰電池的開(kāi)路電壓曲線過(guò)于平緩，較小的電壓變化引起的SOC變化大，因此電池組常出現(xiàn)單體電壓相近但SOC差異較大的情況，使一致性管控的難度變大。

串聯(lián)電池組中，實(shí)際可放電電量由最低可放電容量單體決定，由于電池組總電壓恒定，電壓過(guò)高單體必然會(huì)引起其他電池電壓過(guò)低，串聯(lián)電池?cái)?shù)量越多，單體電壓極差越大，導(dǎo)致電池組的實(shí)際可放電電量損失也更嚴(yán)重。

以48 V 后備電池組為例，通常由15 個(gè)串聯(lián)的單體或者并聯(lián)單元組成，電池組理論上的滿(mǎn)電電壓為54 V(3.6 V×15)，浮充電壓3.36×15=50.4 V。假設(shè)電池組處于最?lèi)毫忧闆r，一個(gè)電池電壓過(guò)高，其他電池電壓相等為Ux，則過(guò)壓電池的電壓Um=50.5 V－14×Ux，如果Ux減小1 mV，則Um增加14 mV，經(jīng)過(guò)查圖5 的浮充荷電敏感度曲線可得，對(duì)應(yīng)的浮充穩(wěn)態(tài)荷電狀態(tài)差異Sd=0.75%/mV×1 mV+0.5%/mV×14 mV=7.75%。

從示例分析中可以看出，極限情況下，1 mV 的單體電壓差異可能造成個(gè)別單體電池SOC領(lǐng)先近8%，該領(lǐng)先單體在母線電壓波動(dòng)時(shí)極易造成過(guò)壓引起不可逆損傷甚至熱失控。另外，由于領(lǐng)先單體的SOC明顯高于其他單體，該單體在浮充下的壽命衰減速度較其他電池更快，形成差異性擴(kuò)大的惡性循環(huán)。

5 后備磷酸鐵鋰電池對(duì)管理系統(tǒng)的特殊要求

在磷酸鐵鋰電池因機(jī)理特性和生產(chǎn)缺陷而個(gè)體差異較大的現(xiàn)狀下，一致性的有效管控是后備用磷酸鐵鋰電池組可靠和長(zhǎng)壽運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)于后備用磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)而言，首先是要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到一致性的變化情況，然后有效且迅速地對(duì)差異性進(jìn)行調(diào)整，即對(duì)電池管理系統(tǒng)的單體電壓檢測(cè)精度和能量均衡能力提出了較高的要求。

市場(chǎng)通用的電池管理系統(tǒng)單體電壓檢測(cè)誤差一般在5～10 mV，較為優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)可以達(dá)到3 mV 的精度，但對(duì)于后備用磷酸鐵鋰電池組而言，1 mV 的差異最高影響SOC差異達(dá)0.8%，3 mV 的監(jiān)測(cè)精度將導(dǎo)致SOC單體差異最高可達(dá)2.4%，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足準(zhǔn)確評(píng)估單體一致性差異的需要。由于單體檢測(cè)精度越高，對(duì)檢測(cè)電路的要求也更高，綜合檢測(cè)電路成本和可靠性要求，單體電壓檢測(cè)誤差在1 mV 左右可滿(mǎn)足后備磷酸鐵鋰電池對(duì)單體一致性檢測(cè)的要求。

市場(chǎng)通用電池管理系統(tǒng)普遍采用了電阻耗能式的能量均衡電路。耗能式能量均衡電路受限于耗能電阻散熱能力，一般均衡電流較小，通常在100 mA 左右，只能進(jìn)行放電均衡[3-4]。對(duì)于后備磷酸鐵鋰電池高達(dá)數(shù)百Ah 容量而言，100 mA 的調(diào)節(jié)速度太慢，更重要的是耗能均衡對(duì)于SOC落后的單體電池沒(méi)有調(diào)節(jié)能力。以200 Ah 48 V 電池組為例，假設(shè)某單體電壓較其他單體高1 mV，則需要調(diào)節(jié)的SOC最高可達(dá)0.8%，即均衡放電電量最高達(dá)1.6 Ah，以100 mA 的均衡電流進(jìn)行調(diào)節(jié)需要16 h 才能完成，如果是某單體電壓較其他單體低1 mV，則需要對(duì)其他14 個(gè)單體電池進(jìn)行放電調(diào)節(jié)，由于管理系統(tǒng)散熱要求，需要分時(shí)對(duì)14 個(gè)單體電池放電，均衡速度更慢，且效率更低。因此，根據(jù)電池組容量，需要配備相應(yīng)的大電流均衡電路，具備充電和放電雙向能量調(diào)節(jié)的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組差異性的高效調(diào)節(jié)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從機(jī)理上分析了后備磷酸鐵鋰電池浮充工況的特殊性，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)后備電池特性進(jìn)行研究，并結(jié)合應(yīng)用需求，對(duì)后備磷酸鐵鋰電池的浮充電壓的設(shè)定、單體一致性的影響、電壓檢測(cè)精度的要求、一致性調(diào)節(jié)能力的要求進(jìn)行了詳細(xì)闡述。