劉懷照,荊鑠鈞,鄒乃佳,王文博,張躍偉,朱起航
應(yīng)用研究
磷酸鐵鋰電池故障保護方法研究
劉懷照,荊鑠鈞,鄒乃佳,王文博,張躍偉,朱起航
(許繼集團有限公司,河南許昌 461000)
為保障磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,本文對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)常見故障機理,及現(xiàn)有保護機制薄弱點進行分析。并設(shè)計歸納出一套暫態(tài)保護邏輯,使用運行曲線耦合的方式,實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護,能有效提高電池系統(tǒng)保護的靈敏性和速動性。
磷酸鐵鋰電池 保護設(shè)計 安全運行
儲能技術(shù)按其具體方式可分為機械儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、電磁儲能(超級電容器、超導(dǎo)電磁儲能等)和電化學儲能(鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等)等。其中以磷酸鐵鋰電池為主的電化學儲能系統(tǒng)近年來得到了迅速發(fā)展及工程應(yīng)用。
在實際應(yīng)用中,由于每個磷酸鐵鋰電池單體的生產(chǎn)工藝、使用條件存在差異,單體性能和參數(shù)并不完全一致,使得電池單體的運行容量存在偏差。而電池系統(tǒng)由成百上千的電池單體組成,大型化和成組化更加放大了運行偏差,使得電池系統(tǒng)的電、熱特性變得復(fù)雜,增加了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率。
為了維持電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,電池系統(tǒng)一般配置相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)對電池運行狀態(tài)進行監(jiān)測、保護。現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)多采用設(shè)定固定保護閾值方式進行保護,但是現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)顆粒度大,無法實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護。并且電池管理系統(tǒng)運行相對獨立,缺少與其他系統(tǒng)的雙向保護聯(lián)動。
因此本文對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)現(xiàn)有保護機制進行分析,針對其薄弱點提出磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)保護思路,并設(shè)計一套磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護邏輯。
磷酸鐵鋰電池電、熱、老化動態(tài)行為具有明顯的非線性耦合特點,電池的成組化和大型化使得系統(tǒng)的行為特性變得更加復(fù)雜,加之大規(guī)模磷酸鐵鋰儲能電站中電池艙內(nèi)部各系統(tǒng)設(shè)備種類繁多,存在類型復(fù)雜、數(shù)量大、對外接口不統(tǒng)一、設(shè)備狀態(tài)各異等特點,設(shè)備間相互兼容困難,難以實現(xiàn)電池的統(tǒng)一監(jiān)管、調(diào)度和運維。根據(jù)目前磷酸鐵鋰儲能電站運行情況,磷酸鐵鋰電池常見故障多出現(xiàn)在系統(tǒng)運行過程,并且故障特征多反饋在溫度和電壓。相對于電池單體,集成后的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,更容易出現(xiàn)故障。常見的故障誘因如下:
1)電池電壓及健康狀態(tài)告警
電池系統(tǒng)正常運行過程中,需要保證電池間電壓基本一致。當電池組內(nèi)部出現(xiàn)不一致時,會因故障電池更早到達電壓保護閾值,使系統(tǒng)較早停止運行,導(dǎo)致電池系統(tǒng)無法按照設(shè)定容量進行充放,影響系統(tǒng)使用。此類問題經(jīng)常見于電池系統(tǒng)長期運行后,各電池單體間出現(xiàn)容量差異。
2)電池溫度告警
電池系統(tǒng)運行過程中,會持續(xù)產(chǎn)生熱量,熱量累積過多,會使電池內(nèi)部反應(yīng)更加劇烈,反應(yīng)趨于失控,但如果電池溫度過低,還會影響電池內(nèi)部活性,降低電池輸出功率,影響正常運行,因此,電池系統(tǒng)通常會配備如空調(diào)之類的溫度調(diào)節(jié)設(shè)備來改善電池系統(tǒng)運行環(huán)境。但受限于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及溫度響應(yīng)點規(guī)劃等因素,會使電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度出現(xiàn)兩極分化的趨勢,部分高溫電池組受限于其他低溫電池組,無法正常通過電池管理系統(tǒng)進行通風、制冷降溫操作,反之亦然,從而加重電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度異常。
此外,電池系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時,也會因內(nèi)部劇烈的化學反應(yīng)導(dǎo)致電池熱失控,也會反映為電池溫度過高或溫升過快,常見的熱失控因素有電池內(nèi)部短路等。
目前磷酸鐵鋰電池常使用電池管理系統(tǒng)作為保護裝置,電池管理系統(tǒng)的主要原理是:采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù),主要包括單體電壓、充放電電流、溫度等數(shù)據(jù),對當前的數(shù)據(jù)進行分析,并結(jié)合電池前一個狀態(tài)信息得到當前狀態(tài)信息,電池狀態(tài)信息主要包括SOC、SOH、故障狀態(tài)、熱管理狀態(tài)等2。但該裝置集采樣、存儲、保護控制等多重功能于一身,使得其無法專注于分析電池系統(tǒng)運行狀態(tài)。電池的電壓和電流通過采集線束上送至電池管理系統(tǒng)進行分析,通過與設(shè)定閾值進行比對,判斷當前電池運行狀態(tài)是否正常,因此,現(xiàn)行保護存在以下缺陷。
1)缺少設(shè)備間雙向聯(lián)動
由于電池系統(tǒng)的保護邏輯涉及多種設(shè)備,不同設(shè)備間缺乏必要的信息雙向聯(lián)動及故障風險共享機制,使得電池系統(tǒng)保護邏輯固定、呆板。當設(shè)備間進行必要聯(lián)動時,也會因響應(yīng)延遲,導(dǎo)致故障失控程度增加。
例如電池系統(tǒng)配套的消防系統(tǒng),通常獨立運行于電池管理系統(tǒng)外。僅通過自身下屬的消防探頭進行采樣、判別,只會在必要時向電池管理系統(tǒng)傳遞消防啟動和二級告警保護,而電池系統(tǒng)一旦出現(xiàn)熱失控風險時,電池溫度雖然會急劇上升,但是要想觸發(fā)消防探頭,需要監(jiān)測到周圍環(huán)境溫度過高,或監(jiān)測到電池熱失控副反應(yīng)產(chǎn)氣等,然而發(fā)展到該階段時,電池內(nèi)部鏈式反應(yīng)已經(jīng)產(chǎn)生,單體熱失控已不可逆3。
2)數(shù)據(jù)存儲顆粒度大,存儲空間不獨立
電池管理系統(tǒng)會按照設(shè)定時間,定期存儲運行數(shù)據(jù),此法記錄的數(shù)據(jù),相較于運行曲線,顆粒度大,無法確定數(shù)據(jù)瞬時變化率,同時無法準確記錄運行數(shù)據(jù)的波動程度。
現(xiàn)有的電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)往往放置于艙內(nèi),當事故發(fā)生后,裝置會伴隨磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的損壞,致使故障數(shù)據(jù)遺失,影響后續(xù)事故分析,而保留在后臺監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顆粒度太大(分鐘級),關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失,無法分析故障發(fā)生的點位、時間等,也就無法還原故障情況。
3)保護閾值固定
電池管理系統(tǒng)對鋰電池的充放電控制閾值初始值設(shè)定無法更迭,電池老化后對電池狀態(tài)估算出現(xiàn)偏差,電池壽命縮短,對電池老化出現(xiàn)異常的診斷缺乏等4。因此,為穩(wěn)定電池系統(tǒng)運行,避免局部電池過充、過放,應(yīng)當根據(jù)運行情況,及時調(diào)整保護閾值,避免電池系統(tǒng)超出平臺期。
4)無法準確區(qū)分電池數(shù)據(jù)正確性
當電池系統(tǒng)溫度或電壓出現(xiàn)驟然增長的情況時,一般需要區(qū)分是電池處于運行末期、采樣值跳變還是電池出現(xiàn)運行風險。而現(xiàn)有的保護邏輯,僅計算電池單位時間內(nèi)的變化差值,但是計算過程必然存在延遲,并且無法準確區(qū)分數(shù)據(jù)異常點,往往會導(dǎo)致系統(tǒng)運行受限于某一異常數(shù)據(jù),降低了系統(tǒng)運行的兼容性。
為保證磷酸鐵鋰電池在系統(tǒng)應(yīng)用中安全穩(wěn)定運行,需要在現(xiàn)有保護邏輯基礎(chǔ)上,增加預(yù)防性保護邏輯,即電池系統(tǒng)暫態(tài)保護,以便在電池系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、溫度偏差時,及時預(yù)警,并聯(lián)動艙內(nèi)保護裝置,快速靈敏地切斷故障源,降低磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)事故風險。
1)提高與消防系統(tǒng)的聯(lián)動程度
熱失控防控應(yīng)秉持預(yù)防為主、滅火為輔的設(shè)計理念。將電池系統(tǒng)溫升變化信號接入電池消防系統(tǒng),作為滅火介質(zhì)的啟用判據(jù)之一。以便快速啟用滅火介質(zhì),及早遏制電池系統(tǒng)內(nèi)部氧氣含量,降低熱失控擴大風險,及故障規(guī)模。同時也可以使用溫升變化作為保護鎖,避免消防主機誤動。
2)權(quán)能拆分,設(shè)立獨立的分析保護模塊
將電池數(shù)據(jù)收集、存儲功能和電池保護功能進行拆分,將監(jiān)視與保護權(quán)限下放,在更小的電池單位,例如電池簇,對電池系統(tǒng)進行深度監(jiān)護管理,同時為保護運行數(shù)據(jù)完整,數(shù)據(jù)存儲裝置放置于電池系統(tǒng)外部。
3)調(diào)整保護響應(yīng)條件
采用運行曲線耦合的方式,取代傳統(tǒng)的使用固定保護閾值的方式,以實時預(yù)判電池運行風險。即通過對電池運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控,測定運行曲線,當電池運行數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時,能快速進行報警及暫態(tài)保護。同時定期在電池容量出現(xiàn)一定程度下滑時,自行重新進行測定運行曲線。此外使保護閾值動態(tài)化,更能精確區(qū)分電池當前是處于故障臨界點、充放電末期,亦或是采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。
此外磷酸鐵鋰電池在絕熱環(huán)境下的熱失控過程可以明顯地分為自發(fā)熱階段(溫升速率≥0.02℃/min)和熱失控階段(溫升速率≥1℃/min,或稱自加熱狀態(tài))5,因此可以考慮使用變化率作為保護參考值。
根據(jù)上述思路,針對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)設(shè)計一套暫態(tài)保護邏輯。主體以運行曲線作為保護閾值界定標準,以電壓或溫度的變化率作為保護判別條件,以實現(xiàn)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護,提高響應(yīng)電池保護的速動性。
1)根據(jù)電池系統(tǒng)平均運行數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)電壓和溫度保護閾值,其中{U}為電壓數(shù)據(jù)偏移限制值,{U}為電池分布偏移限制值,U為臨近電池電壓均值,為電壓實際值,為電壓數(shù)據(jù)偏移值,上述單位均為mV;{T}為溫度數(shù)據(jù)偏移限制值,t為溫度保護時限值,為溫度數(shù)據(jù)偏移值,上述單位均為℃;為溫度保護生效計時,單位為s。
2)根據(jù)電池系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù),制定電池電壓及溫度的模板曲線。
3)將儲能電池系統(tǒng)投入運行,持續(xù)監(jiān)測電池電壓和溫度,并生成相應(yīng)的溫度和電壓運行實時曲線。
4)當監(jiān)測到電池電壓運行曲線與模板曲線偏移量不屬于{U}時,計算電壓實際值和臨近電池電壓均值的差值-U。若差值屬于{U},則正常停機。若不屬于,則需要檢查溫度數(shù)據(jù)偏移量是否屬于限定值{T}。若屬于則輸出熱失控風險預(yù)警信號至消防系統(tǒng),反之則判定該點電壓數(shù)據(jù)異常。
5)當監(jiān)測到電池溫度運行曲線與模板曲線偏移量不屬于{T}時,啟動空調(diào)進行制冷,并開始記錄溫度保護生效計時。當溫度保護生效計時≥t時,系統(tǒng)將判定空調(diào)系統(tǒng)制熱失效,自動停止運行。
圖1 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護邏輯
本文對現(xiàn)有磷酸鐵鋰系統(tǒng)保護原理進行了分析,并針對其薄弱環(huán)節(jié)制定了保護策略,提出了使用運行曲線耦合的方式實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池安全運行的暫態(tài)保護策略。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上,對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)運行曲線波動性進行研究,使運行曲線檢驗更加靈敏。
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Research on fault protection method of lithium iron phosphate battery
Liu Huaizhao, Jing Shuojun, Wang Wenbo, Zhang Yuewei, Zhu Qihang
(Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan, China)
TM912
A
1003-4862(2023)10-0054-03
2023-06-09
劉懷照(1982-),男,工程師。主要從事儲能系統(tǒng)設(shè)計。E-mail:hzhliu2006@126.com