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。

　　8 鈦酸鋰電池組與開(kāi)關(guān)電源配套使用

針對(duì)鈦酸鋰電池的特性,在基站直流開(kāi)關(guān)電源設(shè)置時(shí),只須把浮充電壓和均充電壓調(diào)整到該電池組所需要的充電電壓53.9V即可。這里需要特別說(shuō)明的是,相對(duì)于密封閥控鉛酸電池而言,鈦酸鋰電池的充電過(guò)程并不是浮充加均充的工作模式,只需滿足電池充電時(shí)所需要的充電電壓(必須在通信設(shè)備供電電壓范圍內(nèi))。因?yàn)殡姵丶幢闶情L(zhǎng)期處于均充電狀態(tài)下,由于自身的BMS保護(hù)功能,電池性能是不會(huì)發(fā)生改變的。

在安裝電池組時(shí),將該組電池進(jìn)行離線測(cè)試,測(cè)試充電前的開(kāi)路電壓正常后,并接入直流屏配電電池保險(xiǎn)上。

測(cè)試后,調(diào)整開(kāi)關(guān)電源直流供電電壓與之對(duì)應(yīng),分別將該組電池接入系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充電。此時(shí)開(kāi)關(guān)電源充電壓設(shè)置為53.9V,充電電流限制為每組30A。同時(shí)為了防止電源監(jiān)控模塊損壞,模塊自主工作時(shí)充電電壓過(guò)高,將所有運(yùn)行的開(kāi)關(guān)電源模塊進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后對(duì)該組電池組進(jìn)行補(bǔ)充電,隨著電池電壓升高,充電電流會(huì)相應(yīng)減小,當(dāng)每個(gè)-48V電池模塊電壓和開(kāi)關(guān)電源的充電電壓非常接近時(shí),充電電流逐漸減小,隨后電池組的BMS系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù),充電系統(tǒng)通過(guò)每個(gè)模塊的BMS控制與電池?cái)嚅_(kāi),電池模塊充電完成。

電池靜止后進(jìn)行了放電試驗(yàn),采用0.1C10放電電流放電,即對(duì)電池單獨(dú)放電電流為30A。放電時(shí)間為10h,實(shí)驗(yàn)后該電池放出容量為300Ah,電池組放出了額定容量的100%,所以電池組放出的容量完全滿足額定容量的要求。

　　9 維護(hù)中對(duì)鈦酸鋰電池組容量試驗(yàn)和核對(duì)放電實(shí)驗(yàn)

根據(jù)動(dòng)力維護(hù)規(guī)程,蓄電池組使用三年必須進(jìn)行容量試驗(yàn),使用六年后每年進(jìn)行一次容量試驗(yàn),準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池組的實(shí)際容量,確保在市電和電源設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),蓄電池組能夠保障通信設(shè)備正常運(yùn)行的時(shí)間。

目前,通信基站配置兩組電池,開(kāi)關(guān)電源與鈦酸鋰電池組為并聯(lián)間歇充電方式,所以,電池組無(wú)法脫離供電系統(tǒng),無(wú)法單獨(dú)對(duì)電池做容量試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法如下:

(1)方法一:帶實(shí)際負(fù)荷的條件下進(jìn)行(或?qū)嶋H負(fù)荷加上假負(fù)載)

為確保在這種情況下直流供電系統(tǒng)安全可靠的供電,對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行檢查,保障柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行正常,同時(shí)針對(duì)直流供電系統(tǒng)的負(fù)荷情況,確定電池組的放電倍率,符合3h率、5h率或10h率放電,最好環(huán)境溫度為25℃左右,按10h率進(jìn)行容量試驗(yàn)。實(shí)施電池容量試驗(yàn)時(shí),把開(kāi)關(guān)電源的浮充電壓設(shè)定為46V,用BMS監(jiān)控電池組單體的電壓和保護(hù),同時(shí)用直流鉗型表檢測(cè)電池放電電流是否正確,以確保用電設(shè)備供電安全。利用自身的電池BMS系統(tǒng)對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)并打印存檔。

(2)方法二:利用全在線充、放電智能設(shè)備進(jìn)行

全在線充、放電智能設(shè)備能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)直流供電系統(tǒng)并聯(lián)的兩組中的某一組電池進(jìn)行在線放電和充電,以恒定電流對(duì)實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行在線放電至設(shè)定的截止電壓后,自動(dòng)恢復(fù)充電,所以整個(gè)放電和充電過(guò)程中,被測(cè)電池組始終在線,同時(shí)鈦酸鋰電池組的BMS系統(tǒng)也起到了對(duì)電池組的二次保護(hù)功能。與離線放電有所不同的是,一旦市電中斷,該組電池還可以立即投入使用,而且整個(gè)系統(tǒng)上還有另一組電池時(shí)刻處于在線浮充備用狀態(tài),使用此種放電與傳統(tǒng)的離線放電相比,可以使系統(tǒng)有盡可能多的備份電池容量,最大限度地降低了放電過(guò)程中系統(tǒng)供電癱瘓風(fēng)險(xiǎn)。全在線設(shè)備在連接電池組時(shí),只在正極進(jìn)行操作,而不用拆卸電池組負(fù)極到直流供電系統(tǒng)的電池組保險(xiǎn),防止了操作不當(dāng)而引起短路的風(fēng)險(xiǎn);電池組放電結(jié)束后,能自動(dòng)轉(zhuǎn)入充電恢復(fù)程序,不僅避免了離線容量試驗(yàn)時(shí)電池組間因電壓差而造成的火花現(xiàn)象,而且還避免因另一組在線備用電池對(duì)該組電池的大電流反灌充電而破壞電池性能的發(fā)生。在線設(shè)備串聯(lián)單組電池的放電節(jié)能方式,是將電池組中的電能直接釋放到實(shí)際負(fù)載中,不像離線放電是將電能以熱量形式消耗,所以串聯(lián)在線設(shè)備對(duì)電池組放電方法達(dá)到了節(jié)能目的。

10 鈦酸鋰電池組的維護(hù)

(1)鈦酸鋰電池的運(yùn)行環(huán)境要求

根據(jù)電池對(duì)環(huán)境的要求,室溫不宜超過(guò)60℃;避免陽(yáng)光對(duì)電池直射,朝陽(yáng)窗戶(hù)應(yīng)作遮陽(yáng)處理;確保電池組之間預(yù)留足夠的維護(hù)空間。

(2)鈦酸鋰電池使用注意事項(xiàng)

通過(guò)動(dòng)環(huán)集中監(jiān)控系統(tǒng)與BMS實(shí)時(shí)對(duì)電池組的總電壓、電流、單體電壓、SOC、SOH、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí),通過(guò)電池監(jiān)測(cè)裝置了解電池充放電曲線及性能,定期進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理。

(3)鈦酸鋰組經(jīng)常檢查的項(xiàng)目

應(yīng)經(jīng)常檢查電池模塊的極柱連接線(條)是否松動(dòng);是否有損傷、變形或腐蝕等現(xiàn)象;連接處有無(wú)松動(dòng),電池模塊殼體有無(wú)損傷、滲漏和變形,電池及連接處溫升是否異常;BMS數(shù)據(jù)線接觸情況;電池組保護(hù)裝置的動(dòng)作是否可靠;對(duì)電池組的輸出保險(xiǎn)溫升檢查和信號(hào)保險(xiǎn)進(jìn)行告警實(shí)驗(yàn)。根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件,通過(guò)BMS系統(tǒng)檢查電池組及單體電壓是否滿足要求,檢測(cè)開(kāi)關(guān)電源對(duì)電池組間歇充電時(shí)的充電電流是否在要求的范圍內(nèi)。檢測(cè)開(kāi)關(guān)電源供電系統(tǒng)對(duì)電池組的充電電壓和限流值的設(shè)置是否正確。

(4)鈦酸鋰電池組正常運(yùn)行的電壓要求

鈦酸鋰間歇式充電壓一般設(shè)置為單體電池:2.45～2.55V,也是鈦酸鋰電池組運(yùn)行在最佳的工作狀態(tài)下。開(kāi)關(guān)電源設(shè)置穩(wěn)定工作電壓為53.9～56.1V。廠家技術(shù)說(shuō)明書(shū)有特殊要求的,以廠家電池說(shuō)明書(shū)為準(zhǔn),但必須滿足通信直流電源-48V寬電壓供電電壓的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　11 結(jié)束語(yǔ)

鈦酸鋰電池的性能測(cè)試、容量試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝,日前在某地順利完成。驗(yàn)證了本文所述內(nèi)容的正確性。圖22為鈦酸鋰電池組的安裝現(xiàn)場(chǎng)。

作者簡(jiǎn)介

武亞波,高級(jí)工程師,中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廊坊市分公司動(dòng)力室長(zhǎng),本刊編委。

編輯：Harris

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