水泥廠不間斷電源系統(tǒng)的鋰電池置換方案

葉小衛(wèi)，徐自強(qiáng)，艾軍

1 引言

當(dāng)前，水泥廠的不間斷電源系統(tǒng)主要是基于鉛酸電池，鉛酸電池成本相對較低，使用安全。但鉛酸電池具有高污染毒性，對環(huán)境影響極大，且鉛酸電池的可循環(huán)使用次數(shù)少，重量大。近年來，國內(nèi)鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，鋰電池具有功率大、容量大、效率高、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、分布電站、通訊基站、UPS等領(lǐng)域，從長期來看，鋰電池可替代傳統(tǒng)的鉛酸電池。結(jié)合當(dāng)前水泥廠的現(xiàn)狀，鋰電池的應(yīng)用重點(diǎn)應(yīng)放在不間斷電源UPS的電池置換、應(yīng)急安全照明的電池置換和高壓柜直流屏的電池置換等方面。本文提出了一種基于磷酸鐵鋰電池的UPS電池置換方案，并已在實(shí)際工程中實(shí)施，供業(yè)界同仁參考。

2 不間斷電源系統(tǒng)介紹

鋰電池主要分為磷酸鐵鋰電池、鋰鈷電池、錳鋰電池、鋰鈷鎳電池等，其中磷酸鐵鋰電池安全性能最佳且最符合環(huán)保要求，循環(huán)使用壽命可以達(dá)到2 000次以上（實(shí)驗(yàn)室IC循環(huán)壽命在3 500次以上，部分可達(dá)5 000次以上），其溫度耐受區(qū)間為-45℃～70℃，長期使用也較為經(jīng)濟(jì)，是取代鉛酸電池的最優(yōu)選擇。

本文所述不間斷電源系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池與UPS主機(jī)配套使用，當(dāng)有市電時(shí)，UPS可以為負(fù)載供電，同時(shí)也為電池供電；當(dāng)沒有市電時(shí)，自動(dòng)切換成電池為UPS提供直流電工作。該系統(tǒng)采用60個(gè)30Ah磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成，成組電壓192V，標(biāo)稱能量5.76kWh，其后備時(shí)間計(jì)算如下：

T=30Ah×192V/6 000VA=0.96h

選用BMS系統(tǒng)（電池管理系統(tǒng)）對鋰電池組的充放電進(jìn)行管理，BMS系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，可以配置不同的鋰電池組。BMS系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 BMS系統(tǒng)原理圖

表1 不間斷電源系統(tǒng)參數(shù)

3 功能參數(shù)

3.1 不間斷電源系統(tǒng)參數(shù)（表1）

3.2 BMS系統(tǒng)工作原理

BMS系統(tǒng)為整個(gè)不間斷電源系統(tǒng)的核心部件，BMS系統(tǒng)中BCU模塊通過CAN總線與各BMU模塊實(shí)時(shí)通信，獲取單體電壓、箱體溫度等參數(shù)，通過電流傳感器采集充放電電流，勱態(tài)計(jì)算SOC，并通過觸摸屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。BCU計(jì)算分析得出電池組綜合信息后，進(jìn)行BMS系統(tǒng)智能管理，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對充放電的二級保護(hù)，確保強(qiáng)弱電有效隔離，滿足客戶多樣化的安全控制需求，保障不間斷電源系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)。BMU及BCU功能見表2、表3。

3.3 樣品開發(fā)

基于鋰電池的不間斷電源系統(tǒng)目前已經(jīng)開發(fā)完成，并已穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)樣品圖見圖2。

3.4 鋰電池與鉛酸電池對比

從使用壽命上來看，鉛酸電池的循環(huán)使用壽命在300次左右，最高能達(dá)到500次；磷酸鐵鋰動(dòng)力電池循環(huán)使用壽命達(dá)2 000次以上，在標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時(shí)率）使用時(shí)，可達(dá)2 000次。同質(zhì)量的鉛酸電池使用壽命在1～1.5年，而磷酸鐵鋰電池在同樣的條件下使用，理論使用壽命將達(dá)到7～8年，是鉛酸電池的4倍以上。

基于鉛酸電池的UPS系統(tǒng)，價(jià)格主要由UPS主機(jī)和鉛酸電池組兩部分組成，后備時(shí)間為1h的6KVA不間斷電源系統(tǒng)價(jià)格約為4萬元左右；基于磷酸鐵鋰電池的UPS系統(tǒng)，價(jià)格主要由UPS主機(jī)、鋰電池管理系統(tǒng)、鋰電池組三部分組成，同等規(guī)格下價(jià)格約為7萬元左右。

綜上所述，基于鋰電池的UPS系統(tǒng)價(jià)格不到基于鉛酸電池的UPS系統(tǒng)的2倍，但其使用壽命約為基于鉛酸電池的UPS系統(tǒng)的4倍以上，性價(jià)比較優(yōu)。且基于鋰電池的UPS系統(tǒng)體積小，重量輕，在生產(chǎn)及使用過程中均無污染，具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前，隨著鋰電池技術(shù)的成熟和制造業(yè)產(chǎn)能的增長，更多的供貨商進(jìn)入磷酸鐵鋰電池UPS應(yīng)用領(lǐng)域，其各項(xiàng)優(yōu)勢將會(huì)越來越顯著，未來，磷酸鐵鋰電池UPS系統(tǒng)將會(huì)在數(shù)據(jù)中心、機(jī)房、通信、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

表2BMU功能

表3 BCU功能

圖2 不間斷電源系統(tǒng)樣品圖

4 結(jié)語

鋰電池的應(yīng)用范圍很廣，容量差異也很大。本文結(jié)合水泥廠不間斷電源系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了一種切實(shí)可行的鋰電池置換方案，為水泥廠動(dòng)力電池的儲(chǔ)能應(yīng)用從簡單到復(fù)雜，從小容量應(yīng)用逐步向中、大容量應(yīng)用發(fā)展提供了一種思路。