河南省法恩萊特新能源科技有限公司 李海杰

磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中有著較多應(yīng)用優(yōu)勢，尤其是在高功率或大容量電池中具有明顯的充放電特性及熱穩(wěn)定性，使得各個領(lǐng)域?qū)ζ潢P(guān)注度不斷提高。隨著磷酸鐵鋰電池性能的提升以及價格的下降，使其應(yīng)用的領(lǐng)域得到擴展，不僅可用于儲能電站、電動汽車中，磷酸鐵鋰電池在其他領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段，由于電力系統(tǒng)的鉛酸蓄電池維護(hù)工作的任務(wù)量較大，且此類電池對于環(huán)境條件的需求較高，導(dǎo)致實際的使用壽命無法達(dá)到預(yù)期，促使磷酸鐵鋰電池應(yīng)用在電力系統(tǒng)的研究逐漸增加。

1 磷酸鐵鋰電池技術(shù)特點

磷酸鐵鋰電池基本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由正極、負(fù)極、隔板、外殼、電解液、安全閥、端子等構(gòu)成。其中正負(fù)極由參與電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)及導(dǎo)電粘結(jié)等材料所組成，是電池的重要組成部分。蓄電池的不同劃分主要是因為正負(fù)極使用的材料、電動勢存在差異所產(chǎn)生，但多數(shù)蓄電池的工作原理均相同：當(dāng)蓄電池進(jìn)行放電時，電子會經(jīng)過負(fù)極通過外電路流向正極，此時電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的正負(fù)離子在電解液內(nèi)逐漸向兩極進(jìn)行定向移動，最終形成電流，兩個電極上會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，具體表現(xiàn)為負(fù)極失去電子出現(xiàn)氧化反應(yīng)、正極得到電子出現(xiàn)還原反應(yīng)，電池化學(xué)能變?yōu)殡娔転樵O(shè)備提供正常的使用；當(dāng)蓄電池充電時，電極上會出現(xiàn)放電反應(yīng)的逆反應(yīng)，此時電極活性物質(zhì)會再生，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能進(jìn)行再次儲存。

磷酸鐵鋰電池使用的材料為磷酸鹽類嵌鋰材料，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及充放電過程中不易出現(xiàn)變形或損壞的特點。鋰離子循環(huán)的嵌入與脫出只會使負(fù)極材料間層距發(fā)生變化，對具體材料的晶體結(jié)構(gòu)不會造成嚴(yán)重的損壞。因此，磷酸鐵鋰電池具有較好的抗高溫及抗過充電的特性，且循環(huán)利用性能良好；此外，以凝膠聚合物電解質(zhì)取代液體電解質(zhì)可保證電池?zé)o漏液，且電池形狀更加適合設(shè)計，具有一定的安全性。磷酸鐵鋰電池具有以下特性：能量密度較高；安全性良好；高低溫環(huán)境適應(yīng)力強；高效率輸出性能；循環(huán)利用效果較好；環(huán)保及節(jié)能減排[1]。

2 磷酸鐵鋰電池技術(shù)特性

單體電池技術(shù)參數(shù)。現(xiàn)階段單體電池的最大容量可達(dá)到500Ah，但實際規(guī)?；a(chǎn)后的單體容量僅為400Ah。標(biāo)稱電壓3.2V、放電終止電壓為2.5V、能量體積為190kWh/m3、能量重量為90kWh/kg，單體電池的重量約為13.6kg，其充放電效率為97%，具有電池內(nèi)阻小及自放電小的特點；充放電特性。在充電初期會表現(xiàn)為恒流充電，當(dāng)電池電壓滿足穩(wěn)定值時即可進(jìn)行恒壓充電。磷酸鐵鋰電池放電曲線十分平穩(wěn)，在多數(shù)放電期間內(nèi)均可保持平穩(wěn)的電壓，使其可高效率的進(jìn)行放電[2]。

循環(huán)利用。研究發(fā)現(xiàn)，對550mAh的小容量磷酸鐵鋰電池進(jìn)行實際數(shù)據(jù)測量，其中1C代表充電、4C代表放電、100%DOD表示循環(huán)深度，在進(jìn)行重復(fù)充放電5350次后，最終剩余的容量是電池初始容量的87.2%，由此可判斷磷酸鐵鋰電池的使用壽命比鉛酸電池更久；良好的環(huán)保效果。磷酸鐵鋰電池的主要材料具有無毒性，與常規(guī)的電池相比有良好的環(huán)保性能，同時可提取廢棄電池內(nèi)可利用的成分進(jìn)行循環(huán)使用，一定程度上可降低資源的損耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，避免環(huán)境受到污染[3]。

3 磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

3.1 在變電站直流電源中的應(yīng)用

3.1.1 蓄電池容量的合理選擇

我國磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用發(fā)展較慢，現(xiàn)階段仍處于起步時期，但由于大量儲存的數(shù)據(jù)信息有限，根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查中獲得的資料發(fā)現(xiàn)，如磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于變電站直流電源中會逐漸出現(xiàn)電池容量選擇困難的情況。在對鉛酸電池運行數(shù)據(jù)進(jìn)行計算時發(fā)現(xiàn)，其在相同時間內(nèi)容量系數(shù)要遠(yuǎn)小磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池作為變電站直流系統(tǒng)中的主要組成部分，具有較強的穩(wěn)定性以及安全性，在我國科技不斷發(fā)展的背景下，促使電力需求隨之增加，傳統(tǒng)的變電站直流系統(tǒng)已無法滿足當(dāng)前電網(wǎng)的運行需求，需及時采取有效措施改善現(xiàn)狀。鉛酸電池由于自身不耐高溫、充過放電及維護(hù)工作量較大等特點，嚴(yán)重限制了變電站現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)度。

因此，要不斷創(chuàng)新技術(shù)，使用新材料新技術(shù)，有效提高變電站直流系統(tǒng)的運行效率。與其他電池相比，磷酸鐵鋰電池具有較長的生命周期、安全性較高、耐高溫、體積小等優(yōu)勢，所以將磷酸鐵鋰電池裝置在變電站直流電源系統(tǒng)中有著重大的意義。磷酸鐵鋰電池組的應(yīng)用優(yōu)勢十分顯著，如優(yōu)異的耐高溫、耐過充特點，由于其工作時電壓較低，直接決定了其耐過充性能較強。磷酸鐵鋰電池其使用壽命較長，有著較高的安全性，且材料來源十分廣泛，受到各個領(lǐng)域的重點關(guān)注，使磷酸鐵鋰電池有望成為未來電力系統(tǒng)直流電源中的關(guān)鍵選型設(shè)備。

3.1.2 直流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)階段我國電池制造業(yè)整體水平處于發(fā)展中，使磷酸鐵鋰電池的單體容量最大僅為500Ah，當(dāng)其達(dá)到一定產(chǎn)能時最大單體的容量為400Ah，而500kV、220kV、110kV變電站根據(jù)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)單體電池最大容量為800Ah、500Ah、300Ah，因此將磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于變電站直流電源中會出現(xiàn)以下問題。

若直接用磷酸鐵鋰電池取代鉛酸電池，而仍使用傳統(tǒng)蓄電池串聯(lián)的方法將其接入高頻率開關(guān)的電源中，會使磷酸鐵鋰電池的單體容量受到一定的限制，僅能應(yīng)用于110kV及其以下的變電站中；如應(yīng)用于220kV或500kV的變電站中，會使其單體容量難以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這就需對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與完善。所以與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池串聯(lián)的方法相比，磷酸鐵鋰電池需應(yīng)用在220kV、500kV的變電站直流電源中，并要利用串并聯(lián)相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在此需注意，如直接采用其進(jìn)行串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式，會由于各個電池間電壓的堆積出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，進(jìn)而產(chǎn)生電池環(huán)流。因此，在這種情況下須正確選擇性能適宜的電池，并科學(xué)合理的設(shè)計電池串并聯(lián)組合中需要注意的問題。如果電池一致性較差且性能不統(tǒng)一，將其進(jìn)行串并聯(lián)則會減少電池的使用壽命，不利于電池的健康使用，對電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成不利的影響?；诖耍瑸檫M(jìn)一步控制電池環(huán)流的出現(xiàn)，需在磷酸鐵鋰電池內(nèi)增加DC/DC模塊，并分別調(diào)整各個電池堆的輸出，使其發(fā)揮電池堆與電池堆間的隔離效果。但如何更好的設(shè)計高效性的直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，便成為磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中有待解決的應(yīng)用問題[4]。

3.2 在電力系統(tǒng)中的儲能應(yīng)用

3.2.1 儲能電站在電力系統(tǒng)中的優(yōu)點

現(xiàn)階段在我國電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰工作的主要包括煤電、油電、水電及抽水蓄能電站。在這些能源中，由于煤電與油電屬于火電范圍，且火電廠實際的造價成本十分昂貴、運行成本較高及起停時間較長，無法更好的擔(dān)任調(diào)峰工作。根據(jù)運行的經(jīng)濟(jì)效益及安全性進(jìn)行分析，電廠此類場所不適宜用作調(diào)峰任務(wù)的主要環(huán)境。水電調(diào)峰效果較好，但可充分利用的資源較少。液化天然氣電廠造價成本較低及工期短，但實際運行費用高且起停時間漫長，從經(jīng)濟(jì)效益與系統(tǒng)響應(yīng)速度進(jìn)行分析，這種情況下對液化天然氣電廠的長遠(yuǎn)發(fā)展有一定的限制。

電池儲能電站是我國一項創(chuàng)新的技術(shù)，具有周期短、起停時間快、占地體積小、良好的安全性運行、成本較低及對環(huán)境不會造成嚴(yán)重污染等優(yōu)點，且對應(yīng)用場所沒有較高需求，有著廣闊的發(fā)展前景。作為可調(diào)控的電源或負(fù)荷而言，具有可調(diào)控的運行效果，有利于提高電網(wǎng)整體的運行速度以及經(jīng)濟(jì)效益，如可應(yīng)用于日負(fù)荷曲線調(diào)節(jié)、系統(tǒng)調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、電能質(zhì)量調(diào)控、低頻振動控制、電壓平穩(wěn)調(diào)控等方面。

3.2.2 磷酸鐵鋰電池在儲能電站中的應(yīng)用

南網(wǎng)兆瓦級電池儲能站工程建設(shè)在我國深圳地區(qū)，此工程規(guī)模達(dá)到10MW，分為兩期進(jìn)行建設(shè)。第一期總建設(shè)量為4MW，其中3MW的建設(shè)量為比亞迪的磷酸鐵鋰電池，單體容量為3.2V、200Ah，由256節(jié)單體電池組成的1電池碓，16個儲能電池堆才能組成1個500kW的儲能分系統(tǒng)，此外1M利用中航鋰電磷酸鐵鋰電池構(gòu)成，單體容量為3.2V、180Ah，由216節(jié)單體電池構(gòu)成1電池堆，12個電池堆構(gòu)成1個500kW儲能分系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)需經(jīng)過兩次10kV出線才可接入到110kV站內(nèi)。整個儲能系統(tǒng)要通過降壓、電池儲能、逆變、升壓、并網(wǎng)的形式，進(jìn)一步實現(xiàn)能量的儲存與轉(zhuǎn)移?？傊?，電池儲能系統(tǒng)的工作防暑需經(jīng)過控制系統(tǒng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成，具體的功能為削峰填谷、無功率支撐、有功率支撐、孤島運行以及阻尼控制[5]。

3.3 在電力通信電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.3.1 電池組的組成

主要包括電池模塊與電池管理系統(tǒng)，其中電池模塊是由一個或多個單體電池所組成。電池管理系統(tǒng)主要包括智能充電管理、電池性能均衡管理、智能間歇充放電管理、通信及檢測性能，可對充放電過程進(jìn)行有效的保護(hù)及短路保護(hù)與實際運行溫度的控制等特點。在電源管理系統(tǒng)中需要合理的調(diào)控磷酸鐵鋰電池在運行時的環(huán)境溫度，普遍為0~55℃，如低于0℃進(jìn)行充電會對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害，反之如高于55℃進(jìn)行充電會發(fā)生析鋰現(xiàn)象，極易出現(xiàn)安全問題。因此無論磷酸鐵鋰電池是否具有電池管理系統(tǒng)，均需對其單體電池的溫度進(jìn)行嚴(yán)格管控。

3.3.2 磷酸鐵鋰電池工作模式

現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用方法有：磷酸鐵鋰電池取代原有鉛酸電池，蓄電池可直接連接在系統(tǒng)母排上，使其處于在線浮充的狀態(tài)；為磷酸鐵鋰電池中安裝BMS系統(tǒng)，并嚴(yán)格調(diào)控電池的充放電環(huán)節(jié)，將蓄電池連接在母排上，使其處于在線浮充的狀態(tài)；為磷酸鐵鋰電池中安裝BMS系統(tǒng)，并全程控制電池的充放電環(huán)節(jié)及其工作的情況，蓄電池經(jīng)過轉(zhuǎn)換裝置連接在母排中，使其處于智能間歇充放電的狀態(tài)。

3.3.3 磷酸鐵鋰電池在電力通信電源系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

在電力調(diào)度的樓體通信電源室內(nèi)，普遍擁有2~4組容量在500~1000Ah的蓄電池用作備用電源進(jìn)行使用，由于電源室內(nèi)的鉛酸電池體積較大且重量過沉，當(dāng)供電荷載過大時會出現(xiàn)擴容需求的情況，室內(nèi)空間與樓體荷載會嚴(yán)重制約蓄電池進(jìn)行擴容。所以需利用一體化的開關(guān)電源輔助鋰電池進(jìn)行工作，能夠真正的實現(xiàn)降低機房內(nèi)電源與電池的占地體積，同時可以滿足設(shè)備擴容的需要。此外，鐵電池具有較好的高溫耐熱性能，可以將室內(nèi)空調(diào)的初始溫度控制在35℃，有效的減少了空調(diào)耗能的情況。

在生活區(qū)域、工作環(huán)境以及較遠(yuǎn)的縣城站點中，由于這些地點的特殊性，使供電的條件有限，極易出現(xiàn)頻繁斷電或停電的狀況，由于磷酸鐵鋰電池具有循環(huán)使用及高放電的性能，在這些地點中使用鐵鋰電池，可以進(jìn)一步提高通信設(shè)備供電的安全性，對提升其綜合效益有著重要的作用。在偏遠(yuǎn)的縣城里，其變電站與供電場所面積較小且基礎(chǔ)配置不夠完善，而鉛酸電池在這種環(huán)境下會減少其使用壽命，同時會增加更換的頻率及維修的費用。由于磷酸鐵鋰電池耐高溫性能較好，可以進(jìn)行長時間的充放電，且循環(huán)利用的壽命長，可以全面的改善此地區(qū)通信設(shè)備的整體供電效果、提升運行的效率，確保變電站及供電場所可以正常的使用。

4 結(jié)語

在磷酸鐵鋰電池技術(shù)不斷得到完善的情況下，對我國未來電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要的影響，并且有望成為主流選型設(shè)備。但是由于磷酸鐵鋰電池在實際運行中仍然存在有待改進(jìn)的環(huán)節(jié)，比如電池的循環(huán)使用壽命、電池的一致性及電池是否具有管理系統(tǒng)等問題。因此，必須要加強對鐵鋰電池的運行狀態(tài)進(jìn)行管控，提高磷酸鐵鋰電池的制造技術(shù)及生產(chǎn)水平，使磷酸鐵鋰電池能夠廣泛的應(yīng)用在電力系統(tǒng)中。