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梯次磷酸鐵鋰電池在鐵塔基站直流供電系統中的實際應用(上)

作者:武亞波 來源:UPS應用 發布時間:2019-05-16 瀏覽:
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隨著能源短缺和環境污染問題日益突出,電動汽車以其節能、環保等優點,受到廣泛關注。當電動汽車使用的動力電池容量下降到不滿足電動汽車續航里程要求時,就需要對動力電池進行退役處理。隨著電動汽車市場的日趨繁榮,退役的動力電池的“出路”問題日漸凸顯。電動汽車動力電池容量衰減至80%,因續航能力不足而退役,但經過梯次利用處理,仍可用于基站備電。車用動力電池包以通信用48V后備電源為基本模塊,電動汽車動力電池經由多組48V模塊進行串并集聯后,組成車用動力電池模組供電動汽車使用,在動力電池服役期滿后可直接應用于通信領域(見圖1)。

梯次磷酸鐵鋰電池基本特性

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系曲線。

2、電池容量的溫度特性

環境溫度在0℃以上時,電池容量的衰減速度較慢,而環境溫度在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阻急劇增加(見圖3)。

3、梯次磷酸鐵鋰電池與傳統鉛酸的對比的優勢

1、耐高溫:鉛酸電池穩定工作的溫度范圍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,鉛酸電池現在無此性能。所以磷酸鐵鋰電池充電時間短;

4、綠色環保: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,仍將對環境夠成二次污染。

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、循環次數多,梯級利用后理論上仍能夠剩余6年的實際壽命和400~2000次的實際循環次數,較傳統鉛酸電池的3~6年使用壽命、200次的實際循環次數有大幅的提高;

6、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、充放電轉換效率高,梯級電池的能量轉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。

梯次磷酸鐵鋰電池應用的技術方案(表2) 

1、將退役動力電池進行集中拆解,電芯集中篩選,重新組裝成標準模塊,有利于退役電芯的集中篩選與維護保證質量;退役電芯來源不局限于特定的電動車項目保證數量;最終的電池模塊能實現標準化保證兼容(見圖4)。

2、在退役動力電池基礎上直接改造,有利于電池組梯次利用的簡單模塊化,容量上占優勢,生產方式上簡單易行,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構

磷酸鐵鋰電池由正、負極板(正極活性物質為磷酸鐵鋰,負極活性物質為石墨)、隔膜、電解質、極耳和鋁塑膜外殼組成。正負極板是電化學反應的區域,隔膜、電解質提供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(也叫固體電解質界面膜),極耳起到引導電流的作用。正極活性物質是磷酸鐵鋰,為橄欖石結構,其空間和內部結構如圖7所示。

磷酸鐵鋰與導電劑、粘結劑以一定的比例混合,涂覆在鋁箔上構成正極,負極活性物質通常是石墨類材料,通過粘結劑附著在銅箔上。正負極之間用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯復合隔膜)隔開,防止電池短路。隔膜是一種多孔結構的薄膜,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,再經導電體流到石墨負極,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,再經電解質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,電子經導電體流向負極的銅箔電極,經極耳、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,再經導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

電池管理系統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,并為用戶提供相關信息的電路系統總稱。

電池管理系統BMS,由監測、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,管理系統在開關電源和電池之間起到一個重要橋梁作用。對電池管理系統的要求必須符合通信電源供電系統的要求,所以電池管理系統的安全管理模式對電池的安全性至關重要。電池管理系統主要包括數據采集單元、計算以及控制單元、均衡單元、控制執行單元和通訊單元等。電池管理系統示意圖如圖8所示。BMS在基站間歇式的供電曲線圖如圖9所示。

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,補充電方式也遵循恒流-恒壓充電方式;

在開路靜置狀態時,若交流電停電,BMS應能控制電池組無延遲進入放電狀態。

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。

作者簡介

武亞波:廊坊聯通電信綜合樓網絡維護與網優中心電源主管,高級工程師,《UPS應用》雜志編

關鍵字:梯次磷酸鐵鋰電池

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