磷酸铁锂电池作为变电站用直流电源的特性.pdf

第 2 8卷 第 4期 2 0 1 5 年 4 月 广 东 电 力 GUANGDONG EI TRI C P OW ER Vo1 28 No 4 Ap r 2 0 1 5 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 2 9 0 X 2 0 1 5 0 4 0 1 1 磷 酸铁锂 电池作为变 电站用直流 电源的特性 钟国彬 ，周方方 ，魏增福 ，苏伟 ，刘学武 ( 1 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广9 I,I 5 1 0 0 8 0 ；2 大连理工大学，辽宁 大连 1 1 6 0 2 3 ) 摘要：为了探 索磷酸铁锂电池取代铅酸蓄电池作为变电站用直流电源的工作特性，通过浮充电测试，对铅酸电 池和磷酸铁锂电池在不同浮充电压下的浮充电流特性、搁置特性、模拟工况放 电特性等方面进行比对分析，发 现磷酸铁锂电池具有远远超过铅酸蓄电池的大电流放 电能力；磷酸铁锂电池具有不同于铅酸蓄电池的浮充特性， 建议其浮充 电压应选择 在 3 5 O V左右 。对磷酸铁锂 电池组进行长 时间浮充试验发现 ，在 室温 下 3 6 V 电压浮 充 运行 一年后 ，其容量保持 率高达 9 6 0 6 。 关键 词 ：磷 酸铁锂 电池 ；铅 酸蓄电池 ；浮充特性 ；变电站 ；直流 电源 中图分类号：T M6 3 ；T M9 1 2 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 7 2 9 0 X( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 5 7 0 5 Cha r a c t e r i s t i c o f Li t h i u m I r o n Pho s p ha t e Ba t t e r y a s Di r e c t Cu r r e nt Po we r S o u r c e o f S u b s t a t i o n ZHONG Gu o b i n ，ZHOU Fa n g f a n g ”，WEI Ze n g f u ，S U W e i ，LI U Xu e wu ( 1 El e c t r i c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Gu a n g d o n g P o we r Gr i d Co ，Lt d ，Gu a n g z h o u ，Gu a n g d o n g 5 1 0 0 8 0，Ch i n a ；2 Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Da l i a n，Li a o n i n g 1 1 6 0 2 3，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o p r o b e wo r k i n g c h a r a c t e r i s t i c o f l i t h i u m i r o n p h o s p h a t e b a t t e r y r e p l a c i n g l e a d - a c i d b a t t e r y a s d i r e c t c u r r e n t ( DC)p o we r s o u r c e o f s u b s t a t i o n，t h i s p a p e r c o mp a r e s a n d a n a l y z e s f l o a t i n g c h a r g e c u r r e nt c h a r a c t e r i s t i c，s h e l f c h a r a c - t e r i s t i c a n d s i mu l a t i n g wo r k i n g c o n d i t i o n o f l e a d - a c i d b a t t e r y a n d l i t h i u m i r o n p h o s p ha t e b a t t e r y u n d e r d i f f e r e n t f l o a t i n g c h a r g e v o l t a g e I t wa s d i s c o v e r e d t h a t t h e l i t h i u m i r o n p h o s p h a t e b a t t e r y wa s p r o v i d e d wi t h mo r e h e a v y c u r r e n t d i s c h a r g e c a p a b i l i t y o u t d i s t a n c i n g t h e l e a d a c i d b a t t e r y a n d d i f f e r e n t f l o a t i n g c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c I t wa s s u g g e s t e d t o s e l e c t a b o u t 3 5 0 V f l o a t i n g c h a r g e v o l t a g e f o r t h e l i t h i u m i r o n p h o s p h a t e b a t t e r y I t wa s d i s c o v e r e d b y l o n g - t i me f l o a t i n g c h a r g e t e s t o n l i t h i - u r n i r o n p h o s p h a t e b a t t e r y p a c k t h a t a f t e r r u n n i n g o n e y e a r a t r o o m t e mp e r a t u r e wi t h 3 6 V f l o a t i n g c h a r g e v o l t a g e，r e t e n - t i o n r a t e o f c a p a c i t y o f t h e l i t h i u m i r o n p h o s p h a t e b a t t e r y p a c k r e a c h e d u p t o 9 6 0 6 Th i s c o n c l u s i o n wa s o f i mp o r t a n c e t o ma s t e r f l o a t i n g c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e l i t h i u m i r o n p h o s p h a t e b a t t e r y a n d p r o mo t e i t s a p p l i c a t i o n i n DC s y s t e m o f t h e s u b s t a t i o n Ke y wo r d s ：l i t h i u m i r o n p h o s p h a t e b a t t e r y ；l e a d - a c i d b a t t e r y ；f l o a t i n g c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c ；s u b s t a t i o n；d i r e c t c u r r e n t ( DC) powe r s ou r c e 变电站直流系统拥有独立电源，它们平时处于 备用状态 ，当交流 电故障失电时 ，直流电源迅速 向 事故性负荷供 电，同时为停 电时的 自动控制装置、 保护装置 、信号及通信等负荷供电。直流系统是否 可靠对变电站的安全运行起着至关重要 的作用 ，安 收稿 日期 ：2 0 1 5 - O 1 O 9 修回 日期 ：2 0 1 5 0 3 - 0 2 基金项 目：广东 电网有限责任公司科技项 目( K GD2 0 1 2 3 9 4 ) 全可靠的直流系统是变电站安全可靠运行的重要保 证 1 。随着电池技术 的发展 ，变 电站直流电源经 历 了开 口式铅酸蓄电池 、防酸隔爆蓄 电池 、镍镉碱 性蓄电池、阀控密封 式铅 酸蓄电池 ( v a l v e r e g u l a t e d l e a d a c i d b a t t e r y ，VRL A) 等一系列的演变_ 3 。 VRL A 电池具 有技术成熟、价格低廉 、无记忆效 应等优点，是 目前变电站、通信基站 、电厂等场所 备用式直流 电源 的主流电池。然而 ，VRL A 电池 也存在一些难以克服的缺点 4 ： 广 东 电 力 第 2 8卷 a ) 温度特性差 ，低温下蓄电池放 电容量小 ，高 温下蓄电池寿命衰减严重 ； b ) 会 出现 隐蔽 缺陷，在浮充状态 下 ，蓄 电池 端显示电压 、温度正常 ，无漏液 ，但在变电站用交 流失 电或意外低 电压 的情况下 ，会短时间容量“ 跳 水” 崩溃 ； c ) 铅酸 蓄电池 的 回收使用不 当，容易造成 铅 污染。 近年来 ，锂离子电池，尤其是磷酸铁锂 电池得 到了迅猛的发展和广泛的应用r 5 。磷酸铁锂电池具 有能量密度高 、大 电流放电能力强 、温度特性好 、 循环寿命长 、安全性较好、绿色环保等优点 ，被视 为铅酸蓄电池 的理想代替品。文献 6 从常规性能、 温度特性、寿命特性、倍率放电性能等方面对铅酸 电池和磷 酸铁锂 电池进行 比对 ；从性能 、购置成 本 、使用维护成本、安全性和废弃处理等方面分析 磷酸铁锂电池在变电站系统应用的可行性。文献 7 8 报道了变 电站直流系统使用磷酸铁锂电池的容 量配置计算方法。文献E 9 设计了基于并联二极管 进行无延时 自动切换 的磷酸铁锂 电池直 流系统方 案 。文献 1 0 计算变电站直流系统使用磷酸铁锂 电 池的成本 ，提出了恒流充电 一限压充电 一 补充充 电 的 3阶段充电管理方法 ，并设计 了带均衡功能的电 池管理系统 ，提出基于磷酸铁锂电池的变电站用交 直流一体化电源系统 。文献 1 1 研究了变电站直流 电源系统用磷酸铁锂电池的运行方式 ，提出一种正 常时充电装置只供经常性负载 ，需要时对电池组再 补充充 电的非浮充 电方 式 ；但未 明确 电池充 电电 压 、补充充 电间隔时间等关键参数 ，以及该运行方 式是否满足电力系统的要求。文献E 1 2 研究了高温 高电压进行加速老化试验方法来评估锂离子电池作 为备用电源的使用寿命 。上述文献着重于磷酸铁锂 电池与铅酸蓄电池的性能 比较 ，以及磷酸铁锂 电池 应用于变电站直流系统的可行性研究 ，对于磷酸铁 锂 电池应用于变电站直流系统的工作方式和运行特 性却未见报道。磷酸铁锂电池常作为便携式电子设 备电源、动力电池和储能电池使用 ，其充放电循环 使用工况下的特性已经有大量的研究和报道 ，但其 作为变电站备用电源使用时 ，电池组必须长期 以满 电状态挂在充电机上浮充运行 ( 磷酸铁锂电池并无 “ 浮充” 的概念，文 中为了方便 电力工作者 的理解 ， 沿用该词) ，在该运行方式下 ，磷 酸铁锂 电池 浮充 电压 的选择 、浮充 电流 的大小 、事故放 电时的特 性 、长期浮充下的电池寿命等特性仍有待研究 ，这 也正是本文的研究 目的。 1 浮充 电试验 浮充 电试验采用的磷酸铁锂电池为国内某电池 厂生产 的大容量 电池 ，单体 电池标称 容量 为 1 8 0 Ah ，标称电压为 3 2 V；铅 酸蓄电池选用 国内某 蓄 电池厂生产的标称容量为 3 0 0 Ah，标称电压为 2 V 的蓄电池，建议 浮充 电压为 2 2 2