锂电池在UPS应用中的安全性分析及其系统对BMS的要求(1)

  在UPS电源行业中,随着用户需求的后备时间越来越长,电池与UPS的配比金额平均达到了1:1,甚至有的行业到达了2:1还多,所以,电池作为一种储能部件,它在UPS系统中,有着举足轻重的地位。锂电池体积更小、重量更轻、循环寿命长等特点,已经成为储能部件的改革重点,也代表了UPS电源行业的改革步伐,与UPS主机息息相关。但近几年手机、笔记本、电动汽车锂电池燃烧爆炸的事件,再一次把锂电池的安全性问题,推到了风口浪尖。下面我们谈谈锂电池在UPS应用中的安全性分析及其系统对BMS的要求。


  一、磷酸铁锂电池安全性分析

  1.1 锂电池安全的影响因素

  锂电池受一些因素影响时可能会发生热失控,如环境温度过高(有外部火源),机械破坏、电池内部严重制造缺陷等,但材料不同,热失控后的危害程度存在较大差别。此外,电池单体容量越大,热失控越剧烈。

  图中备注:LCO-钴酸锂,NCM-镍钴锰,NCA-镍钴铝,LMO-锰酸锂,LFP-磷酸铁锂



图1:不同正极材料分解温度范围图



2:不同正极材料放热量对比图


  可以看出LFP在锂电池材料中有最高的分解温度和最低的放热量,且不会释放氧气(O2),所以遏制了分解,就遏制了热失控的发生,系统更加安全可靠。


  1.2 磷酸铁锂电池耐环境温度高

  磷酸铁锂电池在50℃以下的使用环境对电池的寿命不会产生影响,不会像其他电池寿命对于环境温度的要求那么严苛。



图3:铅酸电池和磷酸铁锂电池温度寿命对比图


  1.3 磷酸铁锂电池的循环寿命高

  磷酸铁锂电池单体在1C的充电与放电的条件下,在2500~3000次循环之后,仍能维持80%的容量。



4:磷酸铁锂电池循环次数与放电深度的关系


  1.4 安全性测试试验

  磷酸铁锂电芯需通过GB/T 31485-2015等相关认证,且必需经过以下严酷的穿钉、短路、过充、过放、高温、挤压等安全验证试验,在这过程中保证不起火、不爆炸。



5:电芯、PACK需通过的安全性试验


  1.5 不同体系的锂电池对比分析

  目前UPS配套电池采用磷酸铁锂电池,具有安全性高、环保、循环次数多、耐温性能强等特点。

  对比如下:

图6:不同体系的锂电池对比分析


  二、UPS系统对BMS的要求

  虽然BMS并不能解决锂电池的安全性根本问题,但UPS选用合适的单体电芯为磷酸铁锂电池时,系统的稳定性和适应性就要靠BMS了。所以,现在BMS的研发,大都是行业用户,而非电芯生产厂家。以UPS电源厂来说,就得我们自己研发,才能贴近用户,增强稳定性和适应性。


图7:BMS的系统框图


  2.1 在应用中,UPS系统对BMS的要求,有以下十八点:

1)单体均衡电压:单体电压大于该值时,开启均衡;

2)恢复充电电压:充电保护后,最高单体电压大于该值时,恢复充电;

3)恢复放电电压:放电保护后,最低单体电压大于该值时,恢复放电;

4)系统关机单体值:最低单体小于该值时,系统自动断电关机;

5)最高单体一级报警值:最高单体一级报警值;

6)最高单体二级报警值:最高单体大于该值时,产生二级报警,继而充电接触器断开;

7)最低单体一级报警值:最低单体一级报警值;

8)最低单体二级报警值:最低单体小于该值时,产生二级报警,继而放电接触器断开;

9)最高温度一级报警值:最高温度大于该值时,禁止充电;

10)最高温度二级报警值:最高温度大于该值时,充、放电接触器均断开,并亮黄灯、红灯;

11)最低单体充电关闭值:充电时,当最低单体大于该值时,充电接触器断开,充电关闭;

12)放电电流充电关闭值:放电电流大于该值时,充电接触器断开;

13)放电过流一级报警值:放电电流一级报警值;

14)放电过流二级报警值:放电电流大于该值时,放电接触器断开;

15)充电过流一级报警值:充电电流一级报警值;

16)充电过流二级报警值:充电电流大于该值时,充电接触器断开,并3分钟内不允许恢复充电;

17)通讯时间溢出值:单体采样板与主板断开通讯时间超过该值时,充、放电接触器断开,并亮黄灯、红灯;

18)当前电池容量值:配置电池容量。


  2.2 BMS功能性分析

  1)BMS的系统构成

  BMU:负责单体电压采集、温度采集、电池均衡化。

  BCU:负责总电压、总电流采集;整套电池系统状态的监测与控制;数据显示、储存及对外部分通讯等功能。


  2)BMS的设计

  BMU设计:

  每个模块配接一个BMU,主控芯片采用16位DSP;

  它可以监视12节锂电,单体电池电压测量精度±5mV。每个电池扫描周期200ms;每个LECU设计6个温度测量点,准确得到模块内部温度的分布,为BMS提供准确的温度信息。温度测量范围-30~+90℃;温度测量精度±2℃;

  单节电池配有均衡电路,可设计最大均衡电流0.1A;根据电池大小选用均衡电流。



  BCU设计:

  采用32位DSP主控芯片;硬件具备各种接口,并具备液晶显示器接口,为用户提供方便直观的接口;提供RS485接口,方便和计算机接口,便于调试,BCU上带有1Mbit的掉电保护存贮器,记录BMS运行过程中的状态数据,另有4G记忆卡。


  2.3 BMS的功能特点

  1)系统自检

  在电源接通时对系统自检,若一切正常,发出可以正常工作信号,若有问题,发出故障信号,并切断强电开关。系统自检信息包括:无任何一级和二级故障。BMS各执行器(控制器的各输出端口信号自诊断)和传感器无故障。


  2)充电保护、放电保护、热保护、过流保护、安全线保护

  在电池(包括系统整体和各个模块)发生过流、过压、欠压、单体电池电压不平衡、温度过高、温度差异大时,通知给UPS主机,请求关断充放电回路,当一定时间后要求不被允许时,自行将电池组的充放电回路切断。当被保护电池的保护因素消失,则保护功能要取消。


  3)蓄电池失效判断和处理

  在电池组使用过程中,随时记录单体电池及电池组实时参数,通过一定的数学模型判断单体电池及电池组的有效性,若发现系统中有电池失效、将要失效、与其它电池不一致性增大,通过CAN总线通讯方式通知到UPS主机,进行蓄电池组维护。


  4)故障预警与处理

  在电池组使用过程中,监控BMS系统的相关参数,通过故障判定条件来判定蓄电池组系统的目前状态,并上报UPS进行处理。


  5)绝缘电阻测量和高压电预警管理

  能够实时测量蓄电池组对外壳的绝缘电阻,并根据绝缘电阻的大小,判断系统绝缘强度是否符合要求。


  6)动力母线预充电功能

  UPS上电时,需要蓄电池系统给高压母线的电容进行充电,在一定时间内,根据判断蓄电池组端电压与动力母线电压的差距来确认预充电是否成功。


  7)CAN总线通讯

  采用CAN总线的方式分别与子系统模块、UPS主机及充电器进行通讯。


  8)蓄电池组电压和电流测量

  能够实时测量蓄电池组的当前工作电压和工作电流,同时根据采集的电池组电压电流数据以及蓄电池组的SOC,计算当前能够输出的最大放电功率及允许接受的最大充电功率。电池组电压测量精度±0.5V,电流测量精度0.5%。


  9)SOC预估

  在即时充放电过程中,能在线监测电池组容量,能随时给出电池组整个系统的剩余容量。


  10)BMS内部电池SOC均衡

  实时监控蓄电池组内部单体电池电压状态,通过内置的均衡电路,保证所有单体电池 SOC 的一致性。


  11)系统低功耗

  能够根据 BMS系统的实际情况,接通或关闭子系统的电源;在判断均衡完成的基础上,能进入自关闭的超低功耗模式。


  12)单体电池电压测量

  通过仿真测量电路,实时测量每节单体电池电压,供BMS系统进行分析。单体电池电压测量精度±5mV。


  13)BMS系统内部多点温度测量

  通过仿真测量电路,实时测量BMS内部温度,供BMS系统进行分析和热均衡控制。温度测量范围-20~+90℃;温度测量精度±2℃。


  14)热均衡功能

  通过对内部温度的分析,进风和排风控制散热风扇,保证BMS系统内部的温度均衡,每个模块保证2个温度探点。


  三、应用案例图片


图8:中航太克UPS磷酸铁锂电池系统测试



图9:中航太克UPS磷酸铁锂电池系统现场应用


  四、结论

  由以上可知,相比于其他类型电池,磷酸铁锂电池成本较低、安全性最佳且符合环保要求,因此虽然存在能量密度低等缺点,还是非常适用于电动汽车动力电池、大规模储能系统和不间断电源配套电池等场合。


  将磷酸铁锂电池应用于不间断电源系统中,具有充分的可行性与安全性:


  1)磷酸铁锂电池技术已经充分成熟

  近年来,电动汽车行业发展迅速,世界各国纷纷制定了燃油车退出时间表。我国工信部副部长辛国斌:“一些国家已经制订了停止生产销售传统能源汽车的时间表,目前工信部也启动了相关研究,也将会同相关部门制订我国的时间表“,这进一步带动了磷酸铁锂电池的技术发展,并已经充分成熟。


  2)磷酸铁锂电池安全性有保障

  由于内部原理的不同,和三元锂电池相比,磷酸铁锂电池不存在任何安全性隐患,比铅酸电池的安全性更高。


  3)磷酸铁锂电池成本已经大幅下降

  以配合100kVA的UPS放电30分钟为例,磷酸铁锂电池一次性投入成本仅为铅酸电池的1.2倍,折合到整套系统,总费用仅增加不到10%。


  4)磷酸铁锂电池可以保用10年

  磷酸铁锂电池可以满充满放3000次以上,铅酸电池仅有300次左右,因此作为UPS配套使用时,磷酸铁锂电池可以保证使用10年以上,就整个生命周期的成本来说,已经大幅低于配置铅酸电池的UPS系统。


  5)磷酸铁锂电池体积大幅减小

  同等容量的磷酸铁锂电池占用的面积和体积仅有铅酸电池的1/3到1/2,可以大幅降低安装维护成本。

  

  综上所述,在UPS电源行业,随着磷酸铁锂电池电芯工厂技术的进步,UPS工厂BMS的成熟,锂电池在UPS应用中的安全性、稳定性和适应性的提升,都将在一定时间内,带来UPS储能部件的一次革命,这是技术发展,社会进步的必然结果。


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