5 钛酸锂电池的安全性
钛酸锂电池是锂离子电池家族中最安全的一种电池,其优点主要表现在以下几个方面:
①长寿命。钛酸锂单体电芯的循环寿命长达2.5万次以上,图9和图10分别给出了钛酸锂电池高温循环寿命测试曲线和室温循环寿命测试曲线;
②使用安全。钛酸锂电池在短路、过充、过放、挤压、针刺、跌落、高温冲击、加热的条件下是非常安全的,图11是钛酸锂电池在针刺、高温冲击、过充、过放、短路、挤压试验时的场景;
③可大电流快速充放电;
④耐高温性能优越,钛酸锂电池在-40～+60℃温度下仍然能够正常工作,图12给出了钛酸锂电池的低温充放电曲线;
⑤无记忆效应;
⑥绿色环保。
钛酸锂电池充电时,可分为恒流充电和恒压充电两个过程。首先是恒流充电,电流一般采用0.2C10,必要时可以采用6C10充电,当电池组电压达到充电限制电压时,改为恒压充电。所以,钛酸锂电池和开关电源配合使用,其充电过程将变得较为简单,只需将电池组浮充电压和均充电压调整一样即可。
钛酸锂电池放电时,电池放电电压非常平稳,一般在2.3V左右,放电后期(主要指剩余5%容量左右)的电压变化较快,放电的截止电压可以为1.5V。
6 钛酸锂电池组的管理系统
电池管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)由监测、保护电路、电气、通讯接口、热管理和电池组反接保护装置等组成,是电池保护和管理的核心组成部分,不仅要保证电池安全可靠的使用,而且要充分发挥电池的性能和延长使用寿命,作为通信用的后备能源,BMS在开关电源和电池之间起到一个重要桥梁作用。对BMS的要求必须符合通信电源供电系统的要求,所以BMS的安全管理模式对电池的安全性至关重要。BMS主要包括数据采集单元、计算以及控制单元、均衡单元、控制执行单元和通讯单元等。图13为BMS示意图。
(1)BMS的基本作用
①监测单体电池的工作状况,例如检测每个单体电池的电压、充放电电流、电池组的环境温度等。
②保护电池,避免在极端的条件下发生电池寿命缩短和电池损坏。
(2)BMS的主要功能
①过压保护
当单体电池充电电压超过允许值时,立即停止充电,断开充电单元设备与电池组的连接;
②过放(欠压)报警
当单体电池放电电压低于警告值时,发出报警提示;
③过放保护
当单体电池放电电压低于保护值时,立即停止放电,断开用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示;
④过流报警
当电池组输入或者输出的电流超过警告值时,发出报警提示;
⑤短路保护
当电池组发生短路时,立即停止放电,断开用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示;
⑥过温报警
当电池温度或环境温度超过警告值时,发出报警提示;
⑦过温保护
当检测到环境温度或电池组内部温度超过保护值时,立即断开充电或者用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示。当环境温度或电池组内部温度恢复到允许值后,可通过手动恢复或自动恢复对电池管理的功能,但不影响电池放电功能;
⑧估测电池组SOC
SOC(StateOfCharge,电池的荷电状态)即电池剩余电量。维持SOC在合理的范围内,防止由于过充或者过放对电池的损伤,随时预报电池的剩余容量;
⑨对电池组中的单体电池进行主动均衡
由于钛酸锂电池制造工艺复杂及锂离子的相对活跃性,所以电池组中单体电池电压随着充放电次数的变化存在不一致的现象。对电池组中的单体电池进行均衡充电,使电池组中单体电池都达到均衡一致的状态,可以有效地延长电池组的使用寿命,大大地提高电池组的工作效率。
⑩并口通讯
提供与电源监控系统进行通讯的接口,传输和显示电池组状态、报警、SOC、SOH(StateOfHealth,电池的健康状况)等信息,实现远程监控和管理干预。
7 钛酸锂电池组的安装和容量实验
钛酸锂电池在出厂时有60%左右的荷电量,所以,安装初始时应该对电池组进行补充电。并且,由于单体电池自放电大小的差异,可能会使各电池的端电压出现不均衡,所以钛酸锂电池组安装前必须测量开路电压,开路电压差一般要求小于50mV,并做好电池测试纪录。
用假负载可以对电池组按1C10、2.5C10和5.5C10率进行的容量试验,此试验需要接入BMS,放电过程中必须严格检测电池单体电压,利用BMS对电池的总电压、放电电流、电池单体电压进行测量和纪录,电池在放电后期利用BMS密切关注单体电压低的电池,若有一只电池端电压到1.5V,自动停止放电,在25±2℃的情况下,计算出实际电池放出的容量与电池额定容量是否基本一致,若基本一致证明电池放电容量合格。若放电到终止电压时,电池组放出的容量与额定容量的差别大于5%,说明电池组的出厂容量可能存在问题,应及时联系相关厂家处理或更换。
例如,某通信基站使用48V/300Ah钛酸锂电池(实物图见图14),每组电池由22只300Ah的电池模块串联组成,其中300Ah的电池是由10个单电芯容量为30Ah的电芯并联组成,22节300Ah的电池模块分别有2个6串和2个5串模组串联组成一个48V/300AH的电池组,整组电池由BMS系统控制,由一个BCMS(BatteryClusterManagementSystem,主控电池管理系统)负责管理一个电池组中的全部BMU(BatteryManagementUnit,电池组管理单元),同时具备电池组的电流采集,总电压采集,漏电检测功能,并在电池组状态发生异常时驱动断开高压功率接触器,使电池组退出运行,保障电池使用安全。两个BMU,每个BMU负责管理12串单体电池模块。具有电池电压采集,多点温度采集,各种保护和电池组均衡控制等功能。钛酸锂电池配组示意图和BMS接线如图15所示。
BMS收集的数据,通过互联网技术上传至后台服务器、数据库,实时监控电池信息收集数据,便于远程维护管理。如图16所示。
BMS控制方式和控制流程分别见图17和图18。
BMS控制过程为:
①电池模拟量高精度监测及上报功能。包括电池组串联时电压检测,电池组充放电电流检测,单体电池端电压检测,电池组多点温度检测,电池组漏电监测。
②电池系统运行报警、报警本地显示及上报功能。包括电池系统过压告警、电池系统欠压告警、电池系统过流告警、电池系统高温告警、电池系统低温告警、电池系统漏电告警、BMS通信异常告警、BMS内部异常告警等。
③电池系统保护功能。在电池系统出现电压、电流、温度等模拟量超过安全保护门限时,进行故障隔离,将问题电池组退出运行,并在本地进行显示,同时上报监控中心告警信息。
④BMS具备自诊断功能。在BMS内部通信或与外部通信出现中断故障时,能够上报中断告警。另外,针对模拟量采集异常等其他异常也具备故障自诊断、本地显示和上报监测中心系统的功能。
⑤均衡功能。具备大电流主动式均衡能力,通过高效的均衡策略能够很好的维护电池各个模组电压的一致性。
⑥运行参数设定功能。BMS具有本地和远程两种方式对BMS的各项运行参数进行修改的功能。本地参数修改在BMS本地触摸屏上完成,远程参数修改通过光纤以太网通信完成。参数设定项目包括单体电池组充电上限电压、单体电池组放电下限电压、电池组运行高温度、电池组运行最低温度、电池组过流门限、电池组短路保护门限、电池组短时温升过快门限、本地运行状态显示功能等。
⑦数据记录。BMS能够在本地对电池模组的各项事件及历史数据进行存储,记录超过10000条事件及最少30天的历史数据。
⑧BMS能够对进行电池组的全充全放管理,完成电池系统容量标定以及SOC标定的功能。
钛酸锂电池组BMS均衡功能可对单元输出状态对应的电池组实施均衡,钛酸锂电池组管理模块的均衡采用无损充电方式,其充电电流可根据均衡规则的要求进行调节。电池组监测模块采用点对点均衡,电池组均衡管理系统具备大电流主动式均衡性能,通过高效的均衡策略很好地自主维护电池组的一致性,使用电池组均衡管理模块系统后,充放电过程中各单体电池的一致性大大提高,使钛酸锂电池组得到了有效地维护和管理,延长电池组的使用寿命。
均衡实现示意图如图19所示。有无均衡系统的充电曲线如图20所示。图21为22个串联单体电压一致性变化曲线。
从图20可以看出300Ah电池组220只单体电芯在开启BMU均衡的时候,单体电压从分散的状态逐渐趋于集中,表明单体均衡功能有效。
从图21可以看出300Ah电池组22模组在开启BMU均衡的时候,电压一致性从分散的状态逐渐趋于集中,表明单体均衡功能有效。
8 钛酸锂电池组与开关电源配套使用
针对钛酸锂电池的特性,在基站直流开关电源设置时,只须把浮充电压和均充电压调整到该电池组所需要的充电电压53.9V即可。这里需要特别说明的是,相对于密封阀控铅酸电池而言,钛酸锂电池的充电过程并不是浮充加均充的工作模式,只需满足电池充电时所需要的充电电压(必须在通信设备供电电压范围内)。因为电池即便是长期处于均充电状态下,由于自身的BMS保护功能,电池性能是不会发生改变的。
在安装电池组时,将该组电池进行离线测试,测试充电前的开路电压正常后,并接入直流屏配电电池保险上。
测试后,调整开关电源直流供电电压与之对应,分别将该组电池接入系统进行补充电。此时开关电源充电压设置为53.9V,充电电流限制为每组30A。同时为了防止电源监控模块损坏,模块自主工作时充电电压过高,将所有运行的开关电源模块进行调整,调整后对该组电池组进行补充电,随着电池电压升高,充电电流会相应减小,当每个-48V电池模块电压和开关电源的充电电压非常接近时,充电电流逐渐减小,随后电池组的BMS系统进行了保护,充电系统通过每个模块的BMS控制与电池断开,电池模块充电完成。
电池静止后进行了放电试验,采用0.1C10放电电流放电,即对电池单独放电电流为30A。放电时间为10h,实验后该电池放出容量为300Ah,电池组放出了额定容量的100%,所以电池组放出的容量完全满足额定容量的要求。
9 维护中对钛酸锂电池组容量试验和核对放电实验
根据动力维护规程,蓄电池组使用三年必须进行容量试验,使用六年后每年进行一次容量试验,准确地监测电池组的实际容量,确保在市电和电源设备出现故障时,蓄电池组能够保障通信设备正常运行的时间。
目前,通信基站配置两组电池,开关电源与钛酸锂电池组为并联间歇充电方式,所以,电池组无法脱离供电系统,无法单独对电池做容量试验。具体试验方法如下:
(1)方法一:带实际负荷的条件下进行(或实际负荷加上假负载)
为确保在这种情况下直流供电系统安全可靠的供电,对柴油发电机组进行检查,保障柴油发电机组运行正常,同时针对直流供电系统的负荷情况,确定电池组的放电倍率,符合3h率、5h率或10h率放电,好环境温度为25℃左右,按10h率进行容量试验。实施电池容量试验时,把开关电源的浮充电压设定为46V,用BMS监控电池组单体的电压和保护,同时用直流钳型表检测电池放电电流是否正确,以确保用电设备供电安全。利用自身的电池BMS系统对电池组进行实时检测数据并打印存档。
(2)方法二:利用全在线充、放电智能设备进行
全在线充、放电智能设备能实现对一个直流供电系统并联的两组中的某一组电池进行在线放电和充电,以恒定电流对实际负荷进行在线放电至设定的截止电压后,自动恢复充电,所以整个放电和充电过程中,被测电池组始终在线,同时钛酸锂电池组的BMS系统也起到了对电池组的二次保护功能。与离线放电有所不同的是,一旦市电中断,该组电池还可以立即投入使用,而且整个系统上还有另一组电池时刻处于在线浮充备用状态,使用此种放电与传统的离线放电相比,可以使系统有尽可能多的备份电池容量,大限度地降低了放电过程中系统供电瘫痪风险。全在线设备在连接电池组时,只在正极进行操作,而不用拆卸电池组负极到直流供电系统的电池组保险,防止了操作不当而引起短路的风险;电池组放电结束后,能自动转入充电恢复程序,不仅避免了离线容量试验时电池组间因电压差而造成的火花现象,而且还避免因另一组在线备用电池对该组电池的大电流反灌充电而破坏电池性能的发生。在线设备串联单组电池的放电节能方式,是将电池组中的电能直接释放到实际负载中,不像离线放电是将电能以热量形式消耗,所以串联在线设备对电池组放电方法达到了节能目的。
10 钛酸锂电池组的维护
(1)钛酸锂电池的运行环境要求
根据电池对环境的要求,室温不宜超过60℃;避免阳光对电池直射,朝阳窗户应作遮阳处理;确保电池组之间预留足够的维护空间。
(2)钛酸锂电池使用注意事项
通过动环集中监控系统与BMS实时对电池组的总电压、电流、单体电压、SOC、SOH、温度进行监测。同时,通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能,定期进行测量,发现故障及时处理。
(3)钛酸锂组经常检查的项目
应经常检查电池模块的极柱连接线(条)是否松动;是否有损伤、变形或腐蚀等现象;连接处有无松动,电池模块壳体有无损伤、渗漏和变形,电池及连接处温升是否异常;BMS数据线接触情况;电池组保护装置的动作是否可靠;对电池组的输出保险温升检查和信号保险进行告警实验。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,通过BMS系统检查电池组及单体电压是否满足要求,检测开关电源对电池组间歇充电时的充电电流是否在要求的范围内。检测开关电源供电系统对电池组的充电电压和限流值的设置是否正确。
(4)钛酸锂电池组正常运行的电压要求
钛酸锂间歇式充电压一般设置为单体电池:2.45～2.55V,也是钛酸锂电池组运行在最佳的工作状态下。开关电源设置稳定工作电压为53.9～56.1V。厂家技术说明书有特殊要求的,以厂家电池说明书为准,但必须满足通信直流电源-48V宽电压供电电压的维护标准要求。
11 结束语
钛酸锂电池的性能测试、容量试验和现场安装,日前在某地顺利完成。验证了本文所述内容的正确性。图22为钛酸锂电池组的安装现场。
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