基于浮充式保护型磷酸铁锂电池的直流电源系统在变电站中的应用..pptx

基于浮充式保护型磷酸铁锂电池的直流电源系统在变电站中的应用..pptx

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基于浮充式保护型磷酸铁锂电池的直流电源系统的应用研究,目录,第一部分磷酸铁锂电池组现状分析第二部分浮充式保护型磷酸铁锂原理第三部分锂电电源系统应用技术研究第四部分应用案例情况,目录,一、磷酸铁锂电池组现状分析,电池发展历史,磷酸铁锂电池工作原理,电池充放电原理,磷酸铁锂的安全性优势,钴酸锂材料层状结构,三元材料层状结构,磷酸铁锂橄榄石结构,结构稳定性最好,充放电过程中，体积效应大，且结构容易坍塌,产品特点（磷酸铁锂电池）,性能优异,、过充、过放等国内外安,安全性能好通过短路、针刺、挤压、跌落、撞击全标准测试,LiFePO,4,体积为铅酸二分之一重量为铅酸二分之一寿命为铅酸2倍（浮充）寿命为铅酸4倍（循环）,环境适应性好,一般情况：

-2055，95%RH高温性能好，对寿命影响小无通风要求,综合性价比高,环保无污染,全寿命周期内产品性价比高,维护方便,充放电倍率高锂离子电池属于全密封电池可快速维护和核容,除含有少量有机溶剂外，,不含有毒有害物质。

产,品环保指标符合欧盟RoHS指令,我司制作的磷酸铁锂电池与铅酸电池高低温特性对比,铅酸电池T-R-C图,50Ah磷酸铁锂电池T-RC图,随着温度降低，铅酸电池及磷酸铁锂离电池容量均减少，但随着放电倍率增加，铅酸电池容量衰减速率明显高于磷酸铁锂锂离子电池。

55度高温循环大于500周。

磷酸铁锂电池-高低温特性,倍率充放电性能的比较,

（1）铅酸电池

（2）磷酸铁锂电池铅酸蓄电池1C放电时间为35min，磷酸铁锂电池能实现1C持续放电65min，倍率越高优势越明显。

磷酸铁锂电池的倍率放电特性明显优于铅酸蓄电池。

浮充性能比较,

（1）铅酸电池,

（2）磷酸铁锂电池,铅酸蓄电池浮充特性受周围环境温度影响较大，上表为日本汤浅铅酸蓄电池浮充寿命特性（寿命判定基准：

额定容量的80%），当环境温度达到50时只能浮充半年。

磷酸铁锂电池有很好的浮充特性，60浮充1年容量保持率81%。

常规磷酸铁锂应用场景1,电池母线回路中存在接触器增加了单点，故障风险,控制盒,传统磷酸铁锂电池是不适宜浮充电运行的，要满足电力工程直流电源系统设计技术规程DL/T5044-2014（以下简称“直流规程”）中规定：

“蓄电池组正常应浮充电运行”的要求，需要开发新型的安全型的磷酸铁锂电池。

直流电源系统组成图,常规磷酸铁锂应用场景2,使用风险,磷酸铁锂充电曲线,工作电流,可使用容量,第二类不均衡,工作电流,可使用容量,第一类不均衡,后期以及BMS失效后过充风险隐患,结论,传统的磷酸铁锂电池在变电站等浮充应用场景中使用，存在着安全隐患，尤其是使用后期，过充起火的风险较大。

目录,二、浮充式保护型磷酸铁锂原理,浮充式磷酸铁锂,实现方式：

在磷酸铁锂电池电解液中添加一定比例的氧化-还原电对限压添加剂，确保电池组中每只电池充满电，且不过充电。

该方法为化学均衡法。

原理：

在正常的充电条件下，氧化还原电对稳定存在于电解液中不参加任何化学或电化学反应，对电池宏观电化学性能没有影响，当电池电压达到或超过电池上限电压时，还原态在正极表面被氧化，氧化产物扩散到负极表面被还原成还原产物，再扩散到正极继续被氧化，整个过程沿氧化扩散还原扩散循环进行，这样正极电位就被锁定在氧化还原电对的氧化电位负极直到充电结束。

在过充电过程中充电电流仅通过可逆的氧化还原反应来承载，过充的电量既没有被储存在两电极，也没用用于电解液的不可逆氧化分解，只是伴随着氧化还原反应以热的形式释放出来，使电池组中电压上升较快的电压不会被过充电，其它电池还可以正常充电最终达到均衡充电的效果。

浮充式自均衡效果验证,验证方法：

电池采用恒流充电的方式充电至3.65V时，转3.65V恒压充电至电流小于0.05CA后，再以0.1CA电流对电池进行持续恒流充电，若电压达到4.0V时停止。

试验表明：

磷酸铁锂电池在耐过充方面有很好的表现，可以将电池电压稳定在3.83V左右而不再上升。

自均衡效果验证,BPD工作原理,目录,三、锂电电源系统应用技术研究,1、电池系统安全性设计,电芯安全性设计,防爆阀设计：

内部压力达到超过设计最大压力会爆破，防止造成进一步危害。

上盖板同电池壳体采用激光焊接，保证结构强度。

壳体采用整体拉伸工艺一体化设计，保证结构密封性,模块安全性设计,防爆阀气路，防止可燃气体聚集极柱附件引起燃烧,每个单体采用绝缘导热并且阻燃的材料进行隔离，并用绑带固定，防止电池臌胀。

机箱安全性设计,机箱采用不锈钢材料，可以有效隔离并减少氧气。

机柜安全性设计,机柜主体框架采用优质的冷轧钢板经多道折弯加工而成，其中19英寸立柱采用2mm的耐指纹镀铝锌板加工，静载承重800公斤。

机柜整体具有很强的刚度和强度以及良好的电磁隔离、接地、抗振动等性能，在追求通风散热以及轻量化设计的同时并满足IP20等级的防护要求。

高压安全性：

电池机柜内部所有的电气连接点无一裸露，均采用定制化的PC绝缘材料防护，即美观又安全,系统安全性设计,磷酸铁锂电池采用与直流屏一体化的控制，防止电池出现过充过放现象,2、蓄电池组出口短路电流计算,1.电池出口短路流及单体电池内阻1）将FBL磷酸铁锂电出口短路，采集电池电流、电压5000组瞬时变化参数，按照二次放电法计算原理，选用短路初期若干组试验数据的平均值，计算的电池内阻，我们称为蓄电池内阻短路测试法。

电池短路时短路电流试验曲线,电池短路试验时外形照片,2、蓄电池组出口短路电流计算（续）,2）FBL磷酸铁锂电池采用短路试验测试法和二次放电法内阻比较单体电池内阻值（50Ah）表,3.FBL磷酸铁锂电池组电阻、短路电流及短时耐受电流蓄电池组电阻、短路电流及短时耐受电流计算结果,3、选择性配合设计,1）深圳供电局新百变电站改造工程：

110V直流电源系统短路电流计算直流集中辐射性馈线计算网络图：

FBL磷酸铁锂蓄电池放电特性良好，其蓄电池组出口电压Ub92.7%Un比DL/T5044-2014规定的87.5%U提高5.2%。

n蓄电池组出口电缆允许压降从1%Un可适当提高到（2%3%）Un直流馈线电缆允许压降也可适当提高（2%3%）Un2）220kV变电站直流电源系统应用根据FBL磷酸铁锂电池测试的技术参数，按220kV变电站220V直流负荷统计计算蓄电池容量、直流电源系统短路电流计算、直流断路器选择及保护配合等结果来看，FBL磷酸铁锂电池应用在220kV无人变电站（含智能变电站）是完全可行的。

存在的技术难点可通过合理的系统设计和直流馈线网络规划及设备布置来解决。

3、选择性配合设计（续）,3）保护电器选择及配合保护电器选择及配合计算结果表（部分）,中、小型变电站直流电源网络特点：

直流电源柜与网络终端距离比较近；磷酸铁锂电池组内阻小出口短路电流大，增加了直流电源系统保护电器选择性配合难度。

新开发二种的直流断路器脱扣器动作范围：

25A（2428）In10kA二段式直流微型断路；40A13（110%）In10kA二段式直流微型断路器。

可满足直流电源系统保护电器选择性配合要求。

4、系统维护和巡检,远程,本地,磷酸铁锂电池的维修更换,模块化组件、可快速更换、充足的备品备件,远程监控功能,具有智能告警、信息综合分析、自诊断及远程维护等功能,无人值守直流电源系统远程访问和维护示意图,目录,四、应用案例介绍,产品应用（深圳新百110kV变电站）,2组110V300Ah阀控式铅酸蓄电池组更换为2组110V、150AhFBL磷酸铁锂电池组。

每组FBL磷酸铁锂蓄电池选用34个单体电池，采用电池模块组装方式。

每组共有6个模块组柜安装布置在，原蓄电池室。

深圳新百变电站直流电源系统介绍,磷酸铁锂电池组配置：

2套108.8V150Ah的磷酸铁锂电池组分别挂接于两台直流屏系统进行备电,配置：

2套110V直流充电屏系统及2组馈线屏,应用2年后效果,第一组核容满足2I10放电5小时，到5小时后放电停止。

第二组进行完整核容，电池组初始容量：

157.83Ah2年后核容为：

152.4Ah，衰减3.44%实际使用时间可超过10年。

系统特点,直流屏系统统一数据信息平台实时监测各种运行状态支持可视化运行维护，。

与原铅酸方案对比充放电快,1、阀控密封铅酸电池技术参数选自南京双登电源公司2000年试验数据。

2、FBL磷酸铁锂电池充电效率明显优于阀控密封铅酸电池，放电深度超过50%，充电总时间约可降低3040%。

充电时间比较：

与原铅酸方案对比端电压高,10,1、在（210）I,1min放电阶段，FBL磷酸铁锂电池组出口电压比阀控式铅酸电,池高出（6%10%）U。

蓄电池组出口电压差异随放电时间增加而增大；,n2、以1I电流持续放电10小时，磷酸铁锂电池出口电压比阀控铅酸电池高出（5%,n,1010%）U。

蓄电池组出口电压差异随放电时间增加而增大。

持续放电状态端电压比较：

1min放电性能,持续放电出口电压比较表,与原铅酸方案对比容量利用率高,FBL磷酸铁锂电池1小时放电率容量换算系数约为阀控密封铅酸电池的2倍、2小时放电率容量换算系数约为1.6倍。

同等条件下，FBL磷酸铁锂电池组选择容量约为阀控式铅酸电池组容量的（1/22/3）C。

10,不同型号电池容量换算系数比较表：

与原铅酸方案对比电流小,变电站蓄电池组容量选择及出口电缆选择比较表：

在同等负荷条件下，FBL磷酸铁锂电池电池出口电缆截面积约为阀控铅酸电池电缆的1/21/3。

与原铅酸方案对比性价比高,经济性比较：

、蓄电池组设备费用比较FBL磷酸铁锂电池价格约为阀控式铅酸电池的4倍左右，在相同负荷条件下，FBL磷酸铁锂电池计算容量约为阀控铅酸电池计算容量的1/2或2/3。

FBL磷酸铁锂电池单只电压为3.2V，阀控式铅酸电池单只电压为2V。

对于同一电压等级的直流电源系统，FBL磷酸铁锂电池配置数量约为阀控式铅酸电池的0.6倍。

因此，FBL磷酸铁锂电池投资金额约为阀控式铅酸电池的4（1/22/3）0.6=1.21.6倍左右。

、电缆费用比较,10,由于在（210）I,1min放电阶段，FBL磷酸铁锂电池出口电压比阀控铅酸,n10,电池高出（6%10%）U；以1I电流持续放电10小时，FBL磷酸铁锂电池出,口电压比阀控铅酸电池出高出（5%10%）U。

在同等条件下，FBL磷酸铁锂,n电池电池出口电缆截面积比阀控铅酸电池的减小一半及以上，其他动力馈线电缆截面也会相应减少。

因此，FBL磷酸铁锂电池直流电源系统的电缆投资金额低于阀控铅酸电池直流电源系统。

3、土建成本比较FBL磷酸铁锂电池与阀控式铅酸电池相比，同容量电池的体积和重量约减少60%以上，因此FBL磷酸铁锂电池占地面积及房间荷重要求均低于阀控式,与原铅酸方案对比,经济性比较：

铅酸电池。

以蓄电池容量300Ah为例，阀控式铅酸电池需要设专用蓄电池室及配套采暖、空调设备；FBL磷酸铁锂电池则可采用组柜安装方式，将其与二次设备布置在一起，从而减少蓄电池室的土建成本。

4、运行寿命比较阀控式铅酸电池全充全放循环寿命一般在300次左右，最高为500次。

FBL磷酸铁锂电池循环寿命可达到2000次以上。

根据测试结果和数据分析，通过仿真计算方法推算，FBL磷酸铁锂电池设计预期寿命为15年，阀控式铅酸电池设计预期寿命为10年。

、运行维护成本比较FBL磷酸铁锂电池80%事故放电容量后充电时间14h、核对性放电+充电时间18h，而阀控式铅酸电池则分别需要25h、33h。

FBL磷酸铁锂电池具有主动均衡和被动均衡能力，故障率相对较低，维护工作量小，其运维成本远低于阀控式铅酸电池。

、对环境影响比较阀控式铅酸电池在制造、运行、报废、回收等全过程中都存在污染问题，而FBL磷酸铁锂电池是无污染的绿色环保电池，对环境保护的贡献远远超过铅酸电池，是金钱无法衡量的。

使用情况及相关认证报告,1、2015年8月16日正式在深圳新百变电站投入运行；2、2015年12月29日通过深圳供电局验收。

运行至今，无任何故障报出，系统各项指标运行稳定。

3、左侧数据为远程监控实时获取的两组锂电各电池单体数据，电池差异性较小。

电池组2017.10.17日运行数据,使用情况及相关认证报告,磷酸铁锂电池管理及安全监控系统（含BPD）型式试验报告,浮充式保护型磷酸铁锂电池直流电源柜开普实验报告,高频开关电源模块开普实验报告,总结,结合DL/T5044-2014版规程和电力工程需求，我们经过三年多研究和试验，整理编制一系列技术参数、图表、曲线、计算公式和应用方法。

完成了从直流系统接线、蓄电池组容量计算、保护电器选择性配合、监控装置高级功能应用、BPD电压平衡保护控制策略等技术原则和设计参数。

目前已成功研制出符合新标准直流系统GZDW-6-150AH/110V-FLS浮充式保护型磷酸铁锂电池直流电源柜，完成了第三方型式试验（详见型式实验报告），并应用在深圳新百110kV变电站直流系统改造工程中，运行效果良好。

该成果可以推广到220kV变电站中应用。

欢迎光临期待指导!

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