磷酸鐵鋰電池故障保護方法研究

劉懷照，荊鑠鈞，鄒乃佳，王文博，張躍偉，朱起航

應用研究

磷酸鐵鋰電池故障保護方法研究

劉懷照，荊鑠鈞，鄒乃佳，王文博，張躍偉，朱起航

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

為保障磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，本文對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)常見故障機理，及現(xiàn)有保護機制薄弱點進行分析。并設計歸納出一套暫態(tài)保護邏輯，使用運行曲線耦合的方式，實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護，能有效提高電池系統(tǒng)保護的靈敏性和速動性。

磷酸鐵鋰電池 保護設計 安全運行

0 引言

儲能技術按其具體方式可分為機械儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、電磁儲能（超級電容器、超導電磁儲能等）和電化學儲能（鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等）等[1]。其中以磷酸鐵鋰電池為主的電化學儲能系統(tǒng)近年來得到了迅速發(fā)展及工程應用。

在實際應用中，由于每個磷酸鐵鋰電池單體的生產(chǎn)工藝、使用條件存在差異，單體性能和參數(shù)并不完全一致，使得電池單體的運行容量存在偏差。而電池系統(tǒng)由成百上千的電池單體組成，大型化和成組化更加放大了運行偏差，使得電池系統(tǒng)的電、熱特性變得復雜，增加了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率。

為了維持電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，電池系統(tǒng)一般配置相應的電池管理系統(tǒng)對電池運行狀態(tài)進行監(jiān)測、保護。現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)多采用設定固定保護閾值方式進行保護，但是現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)顆粒度大，無法實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護。并且電池管理系統(tǒng)運行相對獨立，缺少與其他系統(tǒng)的雙向保護聯(lián)動。

因此本文對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)現(xiàn)有保護機制進行分析，針對其薄弱點提出磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)保護思路，并設計一套磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護邏輯。

1 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)常見故障機理

磷酸鐵鋰電池電、熱、老化動態(tài)行為具有明顯的非線性耦合特點，電池的成組化和大型化使得系統(tǒng)的行為特性變得更加復雜，加之大規(guī)模磷酸鐵鋰儲能電站中電池艙內(nèi)部各系統(tǒng)設備種類繁多，存在類型復雜、數(shù)量大、對外接口不統(tǒng)一、設備狀態(tài)各異等特點，設備間相互兼容困難，難以實現(xiàn)電池的統(tǒng)一監(jiān)管、調度和運維。根據(jù)目前磷酸鐵鋰儲能電站運行情況，磷酸鐵鋰電池常見故障多出現(xiàn)在系統(tǒng)運行過程，并且故障特征多反饋在溫度和電壓。相對于電池單體，集成后的電池系統(tǒng)結構復雜，更容易出現(xiàn)故障。常見的故障誘因如下：

1）電池電壓及健康狀態(tài)告警

電池系統(tǒng)正常運行過程中，需要保證電池間電壓基本一致。當電池組內(nèi)部出現(xiàn)不一致時，會因故障電池更早到達電壓保護閾值，使系統(tǒng)較早停止運行，導致電池系統(tǒng)無法按照設定容量進行充放，影響系統(tǒng)使用。此類問題經(jīng)常見于電池系統(tǒng)長期運行后，各電池單體間出現(xiàn)容量差異。

2）電池溫度告警

電池系統(tǒng)運行過程中，會持續(xù)產(chǎn)生熱量，熱量累積過多，會使電池內(nèi)部反應更加劇烈，反應趨于失控，但如果電池溫度過低，還會影響電池內(nèi)部活性，降低電池輸出功率，影響正常運行，因此，電池系統(tǒng)通常會配備如空調之類的溫度調節(jié)設備來改善電池系統(tǒng)運行環(huán)境。但受限于系統(tǒng)內(nèi)部結構設計，以及溫度響應點規(guī)劃等因素，會使電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度出現(xiàn)兩極分化的趨勢，部分高溫電池組受限于其他低溫電池組，無法正常通過電池管理系統(tǒng)進行通風、制冷降溫操作，反之亦然，從而加重電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度異常。

此外，電池系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時，也會因內(nèi)部劇烈的化學反應導致電池熱失控，也會反映為電池溫度過高或溫升過快，常見的熱失控因素有電池內(nèi)部短路等。

2 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)現(xiàn)行保護缺陷

目前磷酸鐵鋰電池常使用電池管理系統(tǒng)作為保護裝置，電池管理系統(tǒng)的主要原理是：采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括單體電壓、充放電電流、溫度等數(shù)據(jù)，對當前的數(shù)據(jù)進行分析，并結合電池前一個狀態(tài)信息得到當前狀態(tài)信息，電池狀態(tài)信息主要包括SOC、SOH、故障狀態(tài)、熱管理狀態(tài)等[2]。但該裝置集采樣、存儲、保護控制等多重功能于一身，使得其無法專注于分析電池系統(tǒng)運行狀態(tài)。電池的電壓和電流通過采集線束上送至電池管理系統(tǒng)進行分析，通過與設定閾值進行比對，判斷當前電池運行狀態(tài)是否正常，因此，現(xiàn)行保護存在以下缺陷。

1）缺少設備間雙向聯(lián)動

由于電池系統(tǒng)的保護邏輯涉及多種設備，不同設備間缺乏必要的信息雙向聯(lián)動及故障風險共享機制，使得電池系統(tǒng)保護邏輯固定、呆板。當設備間進行必要聯(lián)動時，也會因響應延遲，導致故障失控程度增加。

例如電池系統(tǒng)配套的消防系統(tǒng)，通常獨立運行于電池管理系統(tǒng)外。僅通過自身下屬的消防探頭進行采樣、判別，只會在必要時向電池管理系統(tǒng)傳遞消防啟動和二級告警保護，而電池系統(tǒng)一旦出現(xiàn)熱失控風險時，電池溫度雖然會急劇上升，但是要想觸發(fā)消防探頭，需要監(jiān)測到周圍環(huán)境溫度過高，或監(jiān)測到電池熱失控副反應產(chǎn)氣等，然而發(fā)展到該階段時，電池內(nèi)部鏈式反應已經(jīng)產(chǎn)生，單體熱失控已不可逆[3]。

2）數(shù)據(jù)存儲顆粒度大，存儲空間不獨立

電池管理系統(tǒng)會按照設定時間，定期存儲運行數(shù)據(jù)，此法記錄的數(shù)據(jù)，相較于運行曲線，顆粒度大，無法確定數(shù)據(jù)瞬時變化率，同時無法準確記錄運行數(shù)據(jù)的波動程度。

現(xiàn)有的電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)往往放置于艙內(nèi)，當事故發(fā)生后，裝置會伴隨磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的損壞，致使故障數(shù)據(jù)遺失，影響后續(xù)事故分析，而保留在后臺監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顆粒度太大（分鐘級），關鍵數(shù)據(jù)缺失，無法分析故障發(fā)生的點位、時間等，也就無法還原故障情況。

3）保護閾值固定

電池管理系統(tǒng)對鋰電池的充放電控制閾值初始值設定無法更迭，電池老化后對電池狀態(tài)估算出現(xiàn)偏差，電池壽命縮短，對電池老化出現(xiàn)異常的診斷缺乏等[4]。因此，為穩(wěn)定電池系統(tǒng)運行，避免局部電池過充、過放，應當根據(jù)運行情況，及時調整保護閾值，避免電池系統(tǒng)超出平臺期。

4）無法準確區(qū)分電池數(shù)據(jù)正確性

當電池系統(tǒng)溫度或電壓出現(xiàn)驟然增長的情況時，一般需要區(qū)分是電池處于運行末期、采樣值跳變還是電池出現(xiàn)運行風險。而現(xiàn)有的保護邏輯，僅計算電池單位時間內(nèi)的變化差值，但是計算過程必然存在延遲，并且無法準確區(qū)分數(shù)據(jù)異常點，往往會導致系統(tǒng)運行受限于某一異常數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)運行的兼容性。

3 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護思路

為保證磷酸鐵鋰電池在系統(tǒng)應用中安全穩(wěn)定運行，需要在現(xiàn)有保護邏輯基礎上，增加預防性保護邏輯，即電池系統(tǒng)暫態(tài)保護，以便在電池系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、溫度偏差時，及時預警，并聯(lián)動艙內(nèi)保護裝置，快速靈敏地切斷故障源，降低磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)事故風險。

1）提高與消防系統(tǒng)的聯(lián)動程度

熱失控防控應秉持預防為主、滅火為輔的設計理念。將電池系統(tǒng)溫升變化信號接入電池消防系統(tǒng)，作為滅火介質的啟用判據(jù)之一。以便快速啟用滅火介質，及早遏制電池系統(tǒng)內(nèi)部氧氣含量，降低熱失控擴大風險，及故障規(guī)模。同時也可以使用溫升變化作為保護鎖，避免消防主機誤動。

2）權能拆分，設立獨立的分析保護模塊

將電池數(shù)據(jù)收集、存儲功能和電池保護功能進行拆分，將監(jiān)視與保護權限下放，在更小的電池單位，例如電池簇，對電池系統(tǒng)進行深度監(jiān)護管理，同時為保護運行數(shù)據(jù)完整，數(shù)據(jù)存儲裝置放置于電池系統(tǒng)外部。

3）調整保護響應條件

采用運行曲線耦合的方式，取代傳統(tǒng)的使用固定保護閾值的方式，以實時預判電池運行風險。即通過對電池運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，測定運行曲線，當電池運行數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時，能快速進行報警及暫態(tài)保護。同時定期在電池容量出現(xiàn)一定程度下滑時，自行重新進行測定運行曲線。此外使保護閾值動態(tài)化，更能精確區(qū)分電池當前是處于故障臨界點、充放電末期，亦或是采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

此外磷酸鐵鋰電池在絕熱環(huán)境下的熱失控過程可以明顯地分為自發(fā)熱階段（溫升速率≥0.02℃/min）和熱失控階段（溫升速率≥1℃/min，或稱自加熱狀態(tài)）[5]，因此可以考慮使用變化率作為保護參考值。

4 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護邏輯

根據(jù)上述思路，針對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)設計一套暫態(tài)保護邏輯。主體以運行曲線作為保護閾值界定標準，以電壓或溫度的變化率作為保護判別條件，以實現(xiàn)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的暫態(tài)保護，提高響應電池保護的速動性。

1）根據(jù)電池系統(tǒng)平均運行數(shù)據(jù)預設電壓和溫度保護閾值，其中{U}為電壓數(shù)據(jù)偏移限制值，{U}為電池分布偏移限制值，U為臨近電池電壓均值，為電壓實際值，為電壓數(shù)據(jù)偏移值，上述單位均為mV；{T}為溫度數(shù)據(jù)偏移限制值，t為溫度保護時限值，為溫度數(shù)據(jù)偏移值，上述單位均為℃；為溫度保護生效計時，單位為s。

2）根據(jù)電池系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)，制定電池電壓及溫度的模板曲線。

3）將儲能電池系統(tǒng)投入運行，持續(xù)監(jiān)測電池電壓和溫度，并生成相應的溫度和電壓運行實時曲線。

4）當監(jiān)測到電池電壓運行曲線與模板曲線偏移量不屬于{U}時，計算電壓實際值和臨近電池電壓均值的差值-U。若差值屬于{U},則正常停機。若不屬于，則需要檢查溫度數(shù)據(jù)偏移量是否屬于限定值{T}。若屬于則輸出熱失控風險預警信號至消防系統(tǒng)，反之則判定該點電壓數(shù)據(jù)異常。

5）當監(jiān)測到電池溫度運行曲線與模板曲線偏移量不屬于{T}時，啟動空調進行制冷，并開始記錄溫度保護生效計時。當溫度保護生效計時≥t時，系統(tǒng)將判定空調系統(tǒng)制熱失效，自動停止運行。

圖1 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)暫態(tài)保護邏輯

5 結束語

本文對現(xiàn)有磷酸鐵鋰系統(tǒng)保護原理進行了分析，并針對其薄弱環(huán)節(jié)制定了保護策略，提出了使用運行曲線耦合的方式實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池安全運行的暫態(tài)保護策略。后續(xù)將在此基礎上，對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)運行曲線波動性進行研究，使運行曲線檢驗更加靈敏。

[1] 嚴干貴，謝國強，李軍徽，等. 儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用綜述[J]. 東北電力大學學報，2011, 31(3): 7-8.

[2] 李圣勇, 宋春寧. 規(guī)模化儲能系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)的設計[J]. 制造業(yè)自動化，2014, 36(1): 83-84.

[3] 曹文炅, 雷博, 史尤杰, 等. 韓國鋰離子電池儲能電站安全事故的分析及思考[J]. 儲能科學與技術, 2020, 9(5): 1539-1547.

[4] 周喜超, 王楠，徐街明，等. 磷酸鐵鋰電池管理技術及安全防護技術研究現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電，2021, 50(6): 9-17.

[5] 劉洋, 陶風波, 孫磊, 等. 磷酸鐵鋰儲能電池熱失控及其內(nèi)部演變機制研究[J]. 高電壓技術, 2021, 47(4): 1333-1343.

Research on fault protection method of lithium iron phosphate battery

Liu Huaizhao, Jing Shuojun, Wang Wenbo, Zhang Yuewei, Zhu Qihang

（Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan, China)

TM912

A

1003-4862（2023）12-0059-03

2023-06-09

劉懷照（1982-），男，工程師。主要從事儲能系統(tǒng)設計。E-mail：hzhliu2006@126.com