詳解梯次磷酸鐵鋰電池的基本特性
來源：寶鄂實業(yè)
2019-08-04 16:09
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1電池容量的倍率特性
隨著放電電流的增加,電池的放電容量將會有所下降,當(dāng)放電倍率小于0.33C10時,鋰離子電池的放電容量受到放電倍率的影響很小,放電容量差別不大,基本可以認定電池的容量都可以100%放出。圖2為在20℃時,倍率與恒流放電電壓和容量的關(guān)系曲線。
2電池容量的溫度特性
環(huán)境溫度在0℃以上時,電池容量的衰減速度較慢,而環(huán)境溫度在0℃以下時,電池容量的衰減速度較快,隨著溫度的降低電池的內(nèi)阻急劇增加(見圖3)。
1
耐高溫:鉛酸電池穩(wěn)定工作的溫度范圍25～28℃,溫度升高會損壞電池,降低電池使用壽命;
2
高能量密度:磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品重量比能量可超過130Wh/kg(0.2C,25℃),體積比能量為210Wh/L;鉛酸電池產(chǎn)品重量比能量為32～37Wh/kg(0.2C,25℃),體積比能量為70Wh/L;
3
大電流充放電性能:磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電,起動電流可達5C以上,鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。所以磷酸鐵鋰電池充電時間短;
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綠色環(huán)保:磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),無毒(SGS認證通過);鉛酸電池中卻存在著大量的鉛,在其廢棄后若處理不當(dāng),仍將對環(huán)境夠成二次污染。
鉛酸電池與梯次磷酸鐵鋰電池的對比見表1;
5
梯級利用動力鋰電池使用壽命長、循環(huán)次數(shù)多,梯級利用后理論上仍能夠剩余6年的實際壽命和400～2000次的實際循環(huán)次數(shù),較傳統(tǒng)鉛酸電池的3～6年使用壽命、200次的實際循環(huán)次數(shù)有大幅的提高;
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耐高溫能力強,鋰電池滿足45℃以下極限工況的使用,目前通信基站常用的鉛酸電池溫度上限僅為35℃;
7
放電特性好,大電流放電時容量利用率高;
8
充放電轉(zhuǎn)換效率高,梯級電池的能量轉(zhuǎn)換效率較鉛酸電池高10%～15%;
9
占地小、重量輕、運輸成本低,梯級電池重量和體積為同容量鉛酸電池的1/2或2/3。
1
將退役動力電池進行集中拆解,電芯集中篩選,重新組裝成標(biāo)準(zhǔn)模塊,有利于退役電芯的集中篩選與維護保證質(zhì)量;退役電芯來源不局限于特定的電動車項目保證數(shù)量;最終的電池模塊能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化保證兼容(見圖4)。
2
在退役動力電池基礎(chǔ)上直接改造,有利于電池組梯次利用的簡單模塊化,容量上占優(yōu)勢,生產(chǎn)方式上簡單易行,人工成本低廉,但占地要求較高(見圖5)。
3
梯次電池工藝流程:篩選電池電芯、測試電壓、電芯配組、內(nèi)部連接線、BMS、機箱或機架(見圖6)。
梯次磷酸鐵鋰電池的基本結(jié)構(gòu)
磷酸鐵鋰電池由正、負極板(正極活性物質(zhì)為磷酸鐵鋰,負極活性物質(zhì)為石墨)、隔膜、電解質(zhì)、極耳和鋁塑膜外殼組成。正負極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域,隔膜、電解質(zhì)提供Li+的傳輸通道,通過化成等工藝處理后電池極板表面會形成一層致密的SEI膜(也叫固體電解質(zhì)界面膜),極耳起到引導(dǎo)電流的作用。正極活性物質(zhì)是磷酸鐵鋰,為橄欖石結(jié)構(gòu),其空間和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。
磷酸鐵鋰與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以一定的比例混合,涂覆在鋁箔上構(gòu)成正極,負極活性物質(zhì)通常是石墨類材料,通過粘結(jié)劑附著在銅箔上。正負極之間用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯復(fù)合隔膜)隔開,防止電池短路。隔膜是一種多孔結(jié)構(gòu)的薄膜,充放電過程中Li+可以通過其孔隙,而電子e-不能通過。電池的電解液是六氟磷酸鋰有機溶劑。
梯次磷酸鐵鋰電池的工作原理
電池充電時,Li+從磷酸鐵鋰材料中遷移到晶體表面,從正極板材料中脫出,在電場力的作用下,進入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解液遷移到負極石墨晶體的表面,然后嵌入負極層狀石墨材料中。與此同時,電子流通過正極的鋁箔,經(jīng)極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔電極,再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負極,使電荷達至平衡。
電池放電時,Li+從層狀石墨晶體中脫嵌,進入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解質(zhì)遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面,然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的材料中。與此同時,電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負極的銅箔電極,經(jīng)極耳、電池負極柱、負載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極,再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極,使電荷達至平衡。
梯次磷酸鐵鋰電池的管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)主要用于對蓄電池充電過程和放電過程進行管理,提高蓄電池使用壽命,并為用戶提供相關(guān)信息的電路系統(tǒng)總稱。
電池管理系統(tǒng)BMS,由監(jiān)測、保護電路、電氣、通訊接口、熱管理裝置等組成,是電池保護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使用壽命,作為通信用的后備能源,管理系統(tǒng)在開關(guān)電源和電池之間起到一個重要橋梁作用。對電池管理系統(tǒng)的要求必須符合通信電源供電系統(tǒng)的要求,所以電池管理系統(tǒng)的安全管理模式對電池的安全性至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集單元、計算以及控制單元、均衡單元、控制執(zhí)行單元和通訊單元等。
恒流-恒壓充電階段:充電限制電壓控制(電池單體3.7V,電池組59.2V);
間歇式補充電階段:開路靜置,容量減少X%SOC(其中X取值在75～95之間)時,重新進入補充電狀態(tài),補充電方式也遵循恒流-恒壓充電方式;
在開路靜置狀態(tài)時,若交流電停電,BMS應(yīng)能控制電池組無延遲進入放電狀態(tài)。
即T1和T3為充電過程,T1為恒流-恒壓充電階段,T3為間歇式補充電階段;T2為電池組開路靜置階段;T4為電池組放電過程。
磷酸鐵鋰電池組在鐵塔基站的實際應(yīng)用
針對鋰電池組的特性,在基站直流開關(guān)電源應(yīng)用設(shè)置時,只須把浮充電壓和均充電壓調(diào)整到鋰電池組所需要的充電電壓即可,(同時必須在通信設(shè)備直流供電電壓范圍內(nèi))因為鋰電池組即便是長期處于充電狀態(tài)下,由于自身的BMS保護功能,電池性能是不會發(fā)生改變的。
例如:某基站后備電池組,采用48V-300Ah梯次磷酸鐵鋰電池組,每組電池由16個3.2V/100Ah的單體電池串聯(lián)組成,其中300Ah的電池是由3組100Ah的電池組并聯(lián)組成的,每個電池組有一個BMS控制系統(tǒng),如圖10所示。
在安裝電池組對電池組進行了補充充電后,將電池組分別進行了0.33C10在線測試放電情況。測試場景如圖11所示。一組300Ah電池組容量測試曲線如圖12所示。
用智能電池組放電儀測試后,在線并入直流供電系統(tǒng)中。此時開關(guān)電源充電壓設(shè)置為56.8V,充電電流限制為每組30A。
梯次磷酸鐵鋰電池配置要求
1
梯級電池模組按照標(biāo)稱容量可分為15、25、30、50、100、130、150、200Ah等容量系列。標(biāo)稱容量應(yīng)為退役鋰電池成組后容量;
2
梯級電池規(guī)格系列按照安裝方式可分為嵌入式、落地架式和落地箱式三種,容量在50Ah及以下的梯級電池,以嵌入式為主;
3
容量要求:梯級電池在不同工作溫度條件下應(yīng)滿足表3所示的容量要求;
4
梯級電池電芯要求:梯級電池所使用的單體電芯容量需達到電芯初始標(biāo)稱容量的70%;
5
輸出電壓范圍:梯級電池應(yīng)采用16串方式,電池組額定電壓為51.2V,工作電壓范圍41.6V～60.0V;
6
環(huán)境要求:梯級電池組應(yīng)在無腐蝕性、爆炸性和破壞絕緣的氣體及導(dǎo)電塵埃環(huán)境下正常工作。工作溫度范圍:-5～45℃;注:-5℃以下應(yīng)采取加熱、保溫措施。相對濕度范圍:≤95%(45℃±2℃),大氣壓力范圍:70kPa～106kPa;
7
使用壽命:在環(huán)境溫度為25℃±2℃條件下,電池組80%DOD0.33C3循環(huán)壽命應(yīng)不少于表4所列工況下的次數(shù)要求。
在環(huán)境溫度25℃±2℃的條件下,磷酸鐵鋰電池組在備電工況下的壽命應(yīng)不小于6年。
梯次磷酸鐵鋰電池的功能要求
休眠功能
梯級電池應(yīng)具有休眠功能,在運輸、貯存或離線狀態(tài)下,電池組BMS應(yīng)處于徹底斷開狀態(tài);當(dāng)電池組由在線狀態(tài)(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界連通的狀態(tài))轉(zhuǎn)入離線狀態(tài)(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界斷開的狀態(tài))時,BMS應(yīng)具有甄別功能,根據(jù)電力及電池組狀況自動進入休眠。當(dāng)電池組由離線狀態(tài)(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界斷開的狀態(tài))轉(zhuǎn)入在線狀態(tài)(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界連通的狀態(tài))時,BMS應(yīng)能判別并自動激活,且根據(jù)電力及電池組狀況調(diào)整工作狀態(tài)。
電加熱功能
當(dāng)梯級電池用于-5℃及以下的場景時,應(yīng)配置直流電加熱裝置(需根據(jù)實際情況進行控制調(diào)整溫度),電池組應(yīng)有專門的散熱設(shè)計,以保證加熱均勻使得設(shè)備正常工作。
充電限流管理功能
梯級電池應(yīng)具有自主限流充電功能,保證工作范圍內(nèi)的電壓輸入時,電池組能夠正常充電。充電限流值應(yīng)設(shè)定在0.1C3(A)～0.2C3(A)之間,默認值為0.2C3(A)。
充電總電壓過高保護
梯級電池應(yīng)具有充電總電壓過高保護功能,當(dāng)充電到總電壓告警點時告警,到保護點時保護,作用于切斷,當(dāng)總電壓下降到恢復(fù)點時恢復(fù)充電。
放電總電壓過低保護
梯級電池應(yīng)具有放電總電壓過低保護功能。當(dāng)放電到總電壓低告警點時應(yīng)切斷放電電路并告警,一段時間后電池組應(yīng)進入休眠模式。
放電單體電壓過低保護
梯級電池應(yīng)具有放電時單體電池電壓過低保護功能,放電到單體電壓告警點時告警,到保護點時保護,作用于切斷,一段時間后電池應(yīng)進入休眠模式。
放電過流管理
梯級電池應(yīng)具有根據(jù)用戶的需要設(shè)置的輸出過流保護功能,保護期間應(yīng)切斷電路并告警。
電池高溫保護功能
梯級電池自身應(yīng)具有電池高溫保護功能,當(dāng)電池溫度達到告警點時告警;到保護點時保護,作用于切斷;溫度回落到一定值后自動恢復(fù)。
電池低溫保護功能
梯級電池自身應(yīng)具有電池低溫保護功能,當(dāng)電池溫度達到告警點時告警;到保護點時保護,作用于切斷;溫度回升到一定值后自動恢復(fù)。
電池組荷電狀態(tài)(SOC)計算
梯級電池應(yīng)具備動態(tài)荷電量計算功能,計算值與電池實際電量的誤差應(yīng)不大于5%。
輸出短路保護
梯級電池輸出端正負極發(fā)生直接短路時,應(yīng)在瞬間自動切斷電路并告警,BMS和電芯應(yīng)不損壞(包括不打火、變形、漏液、冒煙、起火或爆炸);故障排除后,應(yīng)能手動或自動恢復(fù)工作。
