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梯次磷酸铁锂电池在铁塔基站直流供电系统中的实际应用(上)

作者:武亚波 来源:UPS应用 发布时间:2019-05-16 浏览:
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随着能源短缺和环境污染问题日益突出,电动汽车以其节能、环保等优点,受到广泛关注。当电动汽车使用的动力电池容量下降到不满足电动汽车续航里程要求时,就需要对动力电池进行退役处理。随着电动汽车市场的日趋繁荣,退役的动力电池的“出路”问题日渐凸显。电动汽车动力电池容量衰减至80%,因续航能力不足而退役,但经过梯次利用处理,仍可用于基站备电。车用动力电池包以通信用48V后备电源为基本模块,电动汽车动力电池经由多组48V模块进行串并集联后,组成车用动力电池模组供电动汽车使用,在动力电池服役期满后可直接应用于通信领域(见图1)。

梯次磷酸铁锂电池基本特性

1、电池容量的倍率特性

随着放电电流的增加,电池的放电容量将会有所下降,当放电倍率小于0.33C10时,锂离子电池的放电容量受到放电倍率的影响很小,放电容量差别不大,基本可以认定电池的容量都可以100%放出。图2为在20℃时,倍率与恒流放电电压和容量的关系曲线。

2、电池容量的温度特性

环境温度在0℃以上时,电池容量的衰减速度较慢,而环境温度在0℃以下时,电池容量的衰减速度较快,随着温度的降低电池的内阻急剧增加(见图3)。

3、梯次磷酸铁锂电池与传统铅酸的对比的优势

1、耐高温:铅酸电池稳定工作的温度范围25~28℃,温度升高会损坏电池,降低电池使用寿命;

2、高能量密度:磷酸铁锂电池产品重量比能量可超过130Wh/kg(0.2C,25℃),体积比能量为210Wh/L;铅酸电池产品重量比能量为32~37Wh/kg(0.2C,25℃),体积比能量为70Wh/L;

3、大电流充放电性能:磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电,起动电流可达5C以上,铅酸电池现在无此性能。所以磷酸铁锂电池充电时间短;

4、绿色环保:磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属),无毒(SGS认证通过);铅酸电池中却存在着大量的铅,在其废弃后若处理不当,仍将对环境够成二次污染。

铅酸电池与梯次磷酸铁锂电池的对比见表1;

5、梯级利用动力锂电池使用寿命长、循环次数多,梯级利用后理论上仍能够剩余6年的实际寿命和400~2000次的实际循环次数,较传统铅酸电池的3~6年使用寿命、200次的实际循环次数有大幅的提高;

6、耐高温能力强,锂电池满足45℃以下极限工况的使用,目前通信基站常用的铅酸电池温度上限仅为35℃;

7、放电特性好,大电流放电时容量利用率高;

8、充放电转换效率高,梯级电池的能量转换效率较铅酸电池高10%~15%;

9、占地小、重量轻、运输成本低,梯级电池重量和体积为同容量铅酸电池的1/2或2/3。

梯次磷酸铁锂电池应用的技术方案(表2) 

1、将退役动力电池进行集中拆解,电芯集中筛选,重新组装成标准模块,有利于退役电芯的集中筛选与维护保证质量;退役电芯来源不局限于特定的电动车项目保证数量;最终的电池模块能实现标准化保证兼容(见图4)。

2、在退役动力电池基础上直接改造,有利于电池组梯次利用的简单模块化,容量上占优势,生产方式上简单易行,人工成本低廉,但占地要求较高(见图5)。

3、梯次电池工艺流程:筛选电池电芯、测试电压、电芯配组、内部连接线、BMS、机箱或机架(见图6)。 

梯次磷酸铁锂电池的基本结构

磷酸铁锂电池由正、负极板(正极活性物质为磷酸铁锂,负极活性物质为石墨)、隔膜、电解质、极耳和铝塑膜外壳组成。正负极板是电化学反应的区域,隔膜、电解质提供Li+的传输通道,通过化成等工艺处理后电池极板表面会形成一层致密的SEI膜(也叫固体电解质界面膜),极耳起到引导电流的作用。正极活性物质是磷酸铁锂,为橄榄石结构,其空间和内部结构如图7所示。

磷酸铁锂与导电剂、粘结剂以一定的比例混合,涂覆在铝箔上构成正极,负极活性物质通常是石墨类材料,通过粘结剂附着在铜箔上。正负极之间用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜)隔开,防止电池短路。隔膜是一种多孔结构的薄膜,充放电过程中Li+可以通过其孔隙,而电子e-不能通过。电池的电解液是六氟磷酸锂有机溶剂。

梯次磷酸铁锂电池的工作原理

电池充电时,Li+从磷酸铁锂材料中迁移到晶体表面,从正极板材料中脱出,在电场力的作用下,进入电解液,穿过隔膜,再经电解液迁移到负极石墨晶体的表面,然后嵌入负极层状石墨材料中。与此同时,电子流通过正极的铝箔,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔电极,再经导电体流到石墨负极,使电荷达至平衡。

电池放电时,Li+从层状石墨晶体中脱嵌,进入电解液,穿过隔膜,再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面,然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时,电子经导电体流向负极的铜箔电极,经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极,再经导电体流到磷酸铁锂正极,使电荷达至平衡。

梯次磷酸铁锂电池的管理系统

电池管理系统主要用于对蓄电池充电过程和放电过程进行管理,提高蓄电池使用寿命,并为用户提供相关信息的电路系统总称。

电池管理系统BMS,由监测、保护电路、电气、通讯接口、热管理装置等组成,是电池保护和管理的核心组成部分,不仅要保证电池安全可靠的使用,而且要充分发挥电池的性能和延长使用寿命,作为通信用的后备能源,管理系统在开关电源和电池之间起到一个重要桥梁作用。对电池管理系统的要求必须符合通信电源供电系统的要求,所以电池管理系统的安全管理模式对电池的安全性至关重要。电池管理系统主要包括数据采集单元、计算以及控制单元、均衡单元、控制执行单元和通讯单元等。电池管理系统示意图如图8所示。BMS在基站间歇式的供电曲线图如图9所示。

恒流-恒压充电阶段:充电限制电压控制(电池单体3.7V,电池组59.2V);

间歇式补充电阶段:开路静置,容量减少X%SOC(其中X取值在75~95之间)时,重新进入补充电状态,补充电方式也遵循恒流-恒压充电方式;

在开路静置状态时,若交流电停电,BMS应能控制电池组无延迟进入放电状态。

即T1和T3为充电过程,T1为恒流-恒压充电阶段,T3为间歇式补充电阶段;T2为电池组开路静置阶段;T4为电池组放电过程。

作者简介

武亚波:廊坊联通电信综合楼网络维护与网优中心电源主管,高级工程师,《UPS应用》杂志编

关键字:梯次磷酸铁锂电池

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