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鋰電池在UPS應用中的安全性分析及其系統對BMS的要求(1)

  在UPS電源行業中,隨著用戶需求的后備時間越來越長,電池與UPS的配比金額平均達到了1:1,甚至有的行業到達了2:1還多,所以,電池作為一種儲能部件,它在UPS系統中,有著舉足輕重的地位。鋰電池體積更小、重量更輕、循環壽命長等特點,已經成為儲能部件的改革重點,也代表了UPS電源行業的改革步伐,與UPS主機息息相關。但近幾年手機、筆記本、電動汽車鋰電池燃燒爆炸的事件,再一次把鋰電池的安全性問題,推到了風口浪尖。下面我們談談鋰電池在UPS應用中的安全性分析及其系統對BMS的要求。


  一、磷酸鐵鋰電池安全性分析

  1.1 鋰電池安全的影響因素

  鋰電池受一些因素影響時可能會發生熱失控,如環境溫度過高(有外部火源),機械破壞、電池內部嚴重制造缺陷等,但材料不同,熱失控后的危害程度存在較大差別。此外,電池單體容量越大,熱失控越劇烈。

  圖中備注:LCO-鈷酸鋰,NCM-鎳鈷錳,NCA-鎳鈷鋁,LMO-錳酸鋰,LFP-磷酸鐵鋰



圖1:不同正極材料分解溫度范圍圖



2:不同正極材料放熱量對比圖


  可以看出LFP在鋰電池材料中有最高的分解溫度和最低的放熱量,且不會釋放氧氣(O2),所以遏制了分解,就遏制了熱失控的發生,系統更加安全可靠。


  1.2 磷酸鐵鋰電池耐環境溫度高

  磷酸鐵鋰電池在50℃以下的使用環境對電池的壽命不會產生影響,不會像其他電池壽命對于環境溫度的要求那么嚴苛。



圖3:鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池溫度壽命對比圖


  1.3 磷酸鐵鋰電池的循環壽命高

  磷酸鐵鋰電池單體在1C的充電與放電的條件下,在2500~3000次循環之后,仍能維持80%的容量。



4:磷酸鐵鋰電池循環次數與放電深度的關系


  1.4 安全性測試試驗

  磷酸鐵鋰電芯需通過GB/T 31485-2015等相關認證,且必需經過以下嚴酷的穿釘、短路、過充、過放、高溫、擠壓等安全驗證試驗,在這過程中保證不起火、不爆炸。



5:電芯、PACK需通過的安全性試驗


  1.5 不同體系的鋰電池對比分析

  目前UPS配套電池采用磷酸鐵鋰電池,具有安全性高、環保、循環次數多、耐溫性能強等特點。

  對比如下:

圖6:不同體系的鋰電池對比分析


  二、UPS系統對BMS的要求

  雖然BMS并不能解決鋰電池的安全性根本問題,但UPS選用合適的單體電芯為磷酸鐵鋰電池時,系統的穩定性和適應性就要靠BMS了。所以,現在BMS的研發,大都是行業用戶,而非電芯生產廠家。以UPS電源廠來說,就得我們自己研發,才能貼近用戶,增強穩定性和適應性。


圖7:BMS的系統框圖


  2.1 在應用中,UPS系統對BMS的要求,有以下十八點:

1)單體均衡電壓:單體電壓大于該值時,開啟均衡;

2)恢復充電電壓:充電保護后,最高單體電壓大于該值時,恢復充電;

3)恢復放電電壓:放電保護后,最低單體電壓大于該值時,恢復放電;

4)系統關機單體值:最低單體小于該值時,系統自動斷電關機;

5)最高單體一級報警值:最高單體一級報警值;

6)最高單體二級報警值:最高單體大于該值時,產生二級報警,繼而充電接觸器斷開;

7)最低單體一級報警值:最低單體一級報警值;

8)最低單體二級報警值:最低單體小于該值時,產生二級報警,繼而放電接觸器斷開;

9)最高溫度一級報警值:最高溫度大于該值時,禁止充電;

10)最高溫度二級報警值:最高溫度大于該值時,充、放電接觸器均斷開,并亮黃燈、紅燈;

11)最低單體充電關閉值:充電時,當最低單體大于該值時,充電接觸器斷開,充電關閉;

12)放電電流充電關閉值:放電電流大于該值時,充電接觸器斷開;

13)放電過流一級報警值:放電電流一級報警值;

14)放電過流二級報警值:放電電流大于該值時,放電接觸器斷開;

15)充電過流一級報警值:充電電流一級報警值;

16)充電過流二級報警值:充電電流大于該值時,充電接觸器斷開,并3分鐘內不允許恢復充電;

17)通訊時間溢出值:單體采樣板與主板斷開通訊時間超過該值時,充、放電接觸器斷開,并亮黃燈、紅燈;

18)當前電池容量值:配置電池容量。


  2.2 BMS功能性分析

  1)BMS的系統構成

  BMU:負責單體電壓采集、溫度采集、電池均衡化。

  BCU:負責總電壓、總電流采集;整套電池系統狀態的監測與控制;數據顯示、儲存及對外部分通訊等功能。


  2)BMS的設計

  BMU設計:

  每個模塊配接一個BMU,主控芯片采用16位DSP;

  它可以監視12節鋰電,單體電池電壓測量精度±5mV。每個電池掃描周期200ms;每個LECU設計6個溫度測量點,準確得到模塊內部溫度的分布,為BMS提供準確的溫度信息。溫度測量范圍-30~+90℃;溫度測量精度±2℃;

  單節電池配有均衡電路,可設計最大均衡電流0.1A;根據電池大小選用均衡電流。



  BCU設計:

  采用32位DSP主控芯片;硬件具備各種接口,并具備液晶顯示器接口,為用戶提供方便直觀的接口;提供RS485接口,方便和計算機接口,便于調試,BCU上帶有1Mbit的掉電保護存貯器,記錄BMS運行過程中的狀態數據,另有4G記憶卡。


  2.3 BMS的功能特點

  1)系統自檢

  在電源接通時對系統自檢,若一切正常,發出可以正常工作信號,若有問題,發出故障信號,并切斷強電開關。系統自檢信息包括:無任何一級和二級故障。BMS各執行器(控制器的各輸出端口信號自診斷)和傳感器無故障。


  2)充電保護、放電保護、熱保護、過流保護、安全線保護

  在電池(包括系統整體和各個模塊)發生過流、過壓、欠壓、單體電池電壓不平衡、溫度過高、溫度差異大時,通知給UPS主機,請求關斷充放電回路,當一定時間后要求不被允許時,自行將電池組的充放電回路切斷。當被保護電池的保護因素消失,則保護功能要取消。


  3)蓄電池失效判斷和處理

  在電池組使用過程中,隨時記錄單體電池及電池組實時參數,通過一定的數學模型判斷單體電池及電池組的有效性,若發現系統中有電池失效、將要失效、與其它電池不一致性增大,通過CAN總線通訊方式通知到UPS主機,進行蓄電池組維護。


  4)故障預警與處理

  在電池組使用過程中,監控BMS系統的相關參數,通過故障判定條件來判定蓄電池組系統的目前狀態,并上報UPS進行處理。


  5)絕緣電阻測量和高壓電預警管理

  能夠實時測量蓄電池組對外殼的絕緣電阻,并根據絕緣電阻的大小,判斷系統絕緣強度是否符合要求。


  6)動力母線預充電功能

  UPS上電時,需要蓄電池系統給高壓母線的電容進行充電,在一定時間內,根據判斷蓄電池組端電壓與動力母線電壓的差距來確認預充電是否成功。


  7)CAN總線通訊

  采用CAN總線的方式分別與子系統模塊、UPS主機及充電器進行通訊。


  8)蓄電池組電壓和電流測量

  能夠實時測量蓄電池組的當前工作電壓和工作電流,同時根據采集的電池組電壓電流數據以及蓄電池組的SOC,計算當前能夠輸出的最大放電功率及允許接受的最大充電功率。電池組電壓測量精度±0.5V,電流測量精度0.5%。


  9)SOC預估

  在即時充放電過程中,能在線監測電池組容量,能隨時給出電池組整個系統的剩余容量。


  10)BMS內部電池SOC均衡

  實時監控蓄電池組內部單體電池電壓狀態,通過內置的均衡電路,保證所有單體電池 SOC 的一致性。


  11)系統低功耗

  能夠根據 BMS系統的實際情況,接通或關閉子系統的電源;在判斷均衡完成的基礎上,能進入自關閉的超低功耗模式。


  12)單體電池電壓測量

  通過仿真測量電路,實時測量每節單體電池電壓,供BMS系統進行分析。單體電池電壓測量精度±5mV。


  13)BMS系統內部多點溫度測量

  通過仿真測量電路,實時測量BMS內部溫度,供BMS系統進行分析和熱均衡控制。溫度測量范圍-20~+90℃;溫度測量精度±2℃。


  14)熱均衡功能

  通過對內部溫度的分析,進風和排風控制散熱風扇,保證BMS系統內部的溫度均衡,每個模塊保證2個溫度探點。


  三、應用案例圖片


圖8:中航太克UPS磷酸鐵鋰電池系統測試



圖9:中航太克UPS磷酸鐵鋰電池系統現場應用


  四、結論

  由以上可知,相比于其他類型電池,磷酸鐵鋰電池成本較低、安全性最佳且符合環保要求,因此雖然存在能量密度低等缺點,還是非常適用于電動汽車動力電池、大規模儲能系統和不間斷電源配套電池等場合。


  將磷酸鐵鋰電池應用于不間斷電源系統中,具有充分的可行性與安全性:


  1)磷酸鐵鋰電池技術已經充分成熟

  近年來,電動汽車行業發展迅速,世界各國紛紛制定了燃油車退出時間表。我國工信部副部長辛國斌:“一些國家已經制訂了停止生產銷售傳統能源汽車的時間表,目前工信部也啟動了相關研究,也將會同相關部門制訂我國的時間表“,這進一步帶動了磷酸鐵鋰電池的技術發展,并已經充分成熟。


  2)磷酸鐵鋰電池安全性有保障

  由于內部原理的不同,和三元鋰電池相比,磷酸鐵鋰電池不存在任何安全性隱患,比鉛酸電池的安全性更高。


  3)磷酸鐵鋰電池成本已經大幅下降

  以配合100kVA的UPS放電30分鐘為例,磷酸鐵鋰電池一次性投入成本僅為鉛酸電池的1.2倍,折合到整套系統,總費用僅增加不到10%。


  4)磷酸鐵鋰電池可以保用10年

  磷酸鐵鋰電池可以滿充滿放3000次以上,鉛酸電池僅有300次左右,因此作為UPS配套使用時,磷酸鐵鋰電池可以保證使用10年以上,就整個生命周期的成本來說,已經大幅低于配置鉛酸電池的UPS系統。


  5)磷酸鐵鋰電池體積大幅減小

  同等容量的磷酸鐵鋰電池占用的面積和體積僅有鉛酸電池的1/3到1/2,可以大幅降低安裝維護成本。

  

  綜上所述,在UPS電源行業,隨著磷酸鐵鋰電池電芯工廠技術的進步,UPS工廠BMS的成熟,鋰電池在UPS應用中的安全性、穩定性和適應性的提升,都將在一定時間內,帶來UPS儲能部件的一次革命,這是技術發展,社會進步的必然結果。

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