磷酸铁锂电池管理技术及安全防护技术研究现状

  电动学堂   2021-04-05 次浏览

随着应用范围、场景逐渐广泛，电池的安全防护、管理系统作用凸显。磷酸铁锂电池需要相应的电池管理系统、安全防护系统以及相关政策、标准来保障其在建设、应用方面的发展。对此，本文总结了磷酸铁锂电池的应用现状，并介绍了目前已有的磷酸铁锂电池管理系统及安全防护系统的研究现状，最后针对已整理的相关资料对磷酸铁锂电池的发展给出了相应建议，希望对今后磷酸铁锂电池的发展提供一定参考。

1磷酸铁锂电池应用现状

1.1配套政策及规范标准

相比三元锂电池，磷酸铁锂电池的成本优势较为明显，尤其是财政部、工业和信息化部、科技部和发展改革委4部委联合发布的《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》（财建〔2020〕86号），将新能源汽车推广应用财政补贴实施期限延长至2022年底，并对动力电池成本及续航提出了更高要求，使得磷酸铁锂电池的应用更加广泛。

国家发改委、工业和信息化部印发的《关于组织实施2020年新型基础设施建设工程（宽带网络和5G领域）的通知》中明确提出，5G是新型基础设施建设的重要内容，在稳投资、促消费、助升级、培育新动能等方面潜力巨大。推动磷酸铁锂电池在通信基站的使用，对于促进通信行业绿色与高质量发展具有积极意义。

2018年12月，河北省工信厅发布了《关于发布〈京津冀地区新能源汽车动力蓄电池回收利用试点实施方案〉及征集试点示范项目的通知》，确定在京津冀等17个地区及中国铁塔公司开展试点。中国移动在2018年发布的《关于推广应用磷酸铁锂电池的指导意见》提出，在各类基站、汇聚机房和重要末端节点等推广应用磷酸铁锂电池。

伴随着国家政策的颁布，各行业、地方纷纷设立标准加强对磷酸铁锂电池的管控和发展，明确提出了磷酸铁锂电池应用于各个场景的技术规范和要求，如表1所示。

1.2磷酸铁锂电池应用

近年来，磷酸铁锂电池已被广泛应用在5G基站、新能源电动车以及储能电站的建设。图1给出了2018—2019年各行业磷酸铁锂电池需求总量。

5G基站的需求为磷酸铁锂电池的发展提供了发展契机。由于5G基站的整体功耗提升，所以电源系统必须扩容，意味着必须通过改造保证电力供给。此外，还需考虑储能电池的安全问题。而高安全性、高能比、小体积、轻重量、长寿命的磷酸铁锂电池正好满足5G基站的需求。2020年以来，磷酸铁锂电池的需求量上升。

伴随着新能源汽车各种车型的完善，磷酸铁锂电池已经在该行业占据一席之地。例如，比亚迪目前已经成为全球产能最大的磷酸铁锂电池供应商，其电池技术已经得到全世界认可，并与包括戴姆勒、丰田等在内的多家全球重量级汽车制造商建立了联系合作。2020年，“刀片电池”的推出再次引发全球瞩目，推动国产磷酸铁锂电池迈向国际。

相比于电动汽车，电动船舶的应用则更加体现了现代技术的先进，电动船舶“君旅号”采用配套的磷酸铁锂电池，相比同尺度燃油动力船舶，每年可省油近百吨，无碳、硫等废弃污染物排放，具有大功率、高能效、高清洁度的优点，其搭载的电池容量相当于50辆纯电动汽车的电池容量，晚上充电4~5h即可满足白天8h的续航需求。

作为储能电池，磷酸铁锂电池在全国各地的储能电站中均有使用，表2列出了我国目前已经建成的部分磷酸铁锂电池储能电站。由于磷酸铁锂电池应用较为广泛，所以配套的电池管理技术以及安全防护技术已经成为目前的重点研发问题。

2磷酸铁锂电池管理技术

电池管理系统（battery management system，BMS）是电池保护和管理的核心组成部分，不仅要保证电池的安全可靠，还要充分发挥电池的性能和延长使用寿命。该系统可以实时采集、处理、存储电池运行过程中的重要信息，主要对电池运行状态（电压、电流、温度等）进行检测，进而对电池荷电状态（state of charge，SOC）、电池健康状态（state of health，SOH）进行分析和评估，对电池组（堆）实现均衡管理、控制、故障告警、保护及通信管理。

2.1电池状态监测与分析

二次电池用于储能系统存在存储能量少，寿命短，使用过程中的安全性、电池电量等难以估计等难题，且不同类型的电池特性相差很大。电池状态监测系统可以监控储能电池在运行过程中的一些特征参数，实时采集蓄电池组中每一块电池的端电压、端电流、温度等参数，通过检测出的电池特性参数求取SOC、SOH等并对其进行分析、评估，同时给出电池的运行状况，选出有问题的电池，保证整组电池运行的可靠性、高效性。

对于状态监测系统的研究目前尚不发达，其应用范围也不广泛。文献提出了一种监测风电储能中的磷酸铁锂电池温度的新方法，并对实际工程进行测试。SOC是用于表示电池荷电状态的参数，目前对SOC的定义尚不统一，其中认可度较高的一种为：在一定的温度环境中，电池剩余电量与其在相同条件下可用容量的比值，如式(1)所示。

式中：S_SOC,0表示电池初始SOC，为电池容量，表示放电倍率，一般情况下为1；I为流过电池的电流，放电时I为正值，充电时I为负值。

电池荷电状态目前已成为储能技术研究的重要组成部分。由于动力电池在不同工况下表现出的工作特性大为不同，其内部动态特性复杂，掌握起来较为困难。对于电池荷电状态的估算国外研究的时间比国内更久，目前比较成熟的方法有安时积分法、开路电压法、数据驱动法、多方法融合、观测器法等，各方法原理及优缺点汇总于表3，其中多方法融合应用最多。

SOH表示电池健康状态。标准条件下，将充满电的电池以一定的放电倍率进行放电直至截止电压，SOH等于老化电池在这种情况下可放出的最大电量与其出厂时对应的实际容量的比值，如式(2)所示。

式中，C_now表示电池当前可放电量，C_N表示出厂时实际容量。动力电池的健康状态由百分数表示，当电池的健康状态低于80%时，表示该电池已经不能达到正常使用标准。

目前，对于电池SOH的计算方法有直接放电法、电压特性曲线法、电化学阻抗法、内阻法、SOC估算与SOH估算相结合法等。其中SOC估算与SOH估算相结合法应用最广，该方法通过建立等效模型，利用卡尔曼滤波或数据训练法估计电池荷电状态，可保证SOH估算的可靠性。

2.2电池状态防护与能量控制

磷酸铁锂电池在充电时需要限制电流以保证充电过程不会出现威胁人身安全的事故，如果达到额定电流或者额定电压则需停止充电以保障电池的使用寿命，在电池充电过程中还需要对充放电进行管理、控制，避免出现过充、过热等问题。

每个电池组由不同的单体电池组成，即使是同批次的电池也会在内阻、容量等方面存在差异，导致电池在充电过程出现部分电池未充满的现象，即电池不均衡现象，影响整个电池组的能效、寿命及安全性。

根据工程中能量消耗情况，电池均衡现象可以分为能量耗散型均衡系统和非能量耗散型均衡系统，分类具体及应用场景如图2所示。

3磷酸铁锂电池安全防护技术

近年来，韩国报道的储能电站起火事件已近30起，经过相关事故调研及验证性测试，事故的主要原因可以分为电池系统缺陷、应对电气故障的保护系统不周、运营环境管理不足、储能系统综合管理体系欠缺4点。其中，电池内部及成组问题、外部电气故障、电池保护装置（直流接触器爆炸）、水分/粉尘/盐水等造成的接触电阻增大及绝缘性能下降等问题将可能直接诱发电池热失控，而BMS、PCS、EMS之间信息共享不完备或不及时，PCS和电池之间的保护配置与协调不当，PCS故障修理后电池的异常，测量装置及管理系统之间发生冲突等系统管理问题，则可能使故障不能及时有效地得到管控而演化为事故。

由韩国储能事故可以看出，电池本体诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵以及电池老化带来的储能系统安全性退化2个方面。外部刺激也会引起储能电站的火灾，主要包括绝缘失效造成的电流冲击及外部短路、电池外部件高温产热造成的热冲击，以及某电池热失控后触发的热失控蔓延过程等原因。

储能事故也与电站管理因素密切相关。管理系统因素不仅包括BMS、PCS、EMS以及对应的联动管控逻辑，也包括管理规章制度等人为因素。韩国储能系统安全事故大都是在充电完成后的高SOC状态下发生的，存在局部过充的可能性，这与管理系统的可靠性直接相关。

磷酸铁锂电池储能的整体安全可分为高安全电池本体、储能系统集成和应用过程安全管理以及配套设施等，具体如图3所示。其中，电池本体安全是目前研究的热点问题，储能电池预警、热失控、安全防护、消防技术均建立在电池本体安全管理的基础之上。

3.1磷酸铁锂电池故障诊断技术

一般情况下，储能电池释放的能量和安全性成正比，放电越多，其风险越大。磷酸铁锂材料在温度达到250℃以上才会出现放热现象，所以目前磷酸铁锂电池的应用较为广泛，尤以电动汽车行业应用最广泛、发展最迅速。

近年来，无论是储能电站还是新能源汽车的电池都发生过安全事故，尽管储能电站、新能源汽车的消防安全事故的起因并非全部来自电池，但电池本身必然是问题之一。因此，2019年发布的《电力储能用锂离子电池》（GB/T36276—2018），对于规范产业发展、引导电池制造企业技术转型与升级、消除信息不对称具有重要意义。该标准对于电力储能用锂离子电池的评价以功率-能量参数体系为基准，与传统动力电池的电流-容量的参数体系大不相同，提出对电池单体和电池模组热特性的检测及评价技术要求（表4）。

3.2磷酸铁锂电池热失控检测技术

锂电池热失控问题的防控是系统工程，是多种技术措施共同作用的结果。热失控防控应秉持预防为主、灭火为辅的设计理念。动力电池是储能单元，其火灾是由内存的电能和化学能转化而来，当电能和化学能消耗未尽时，其热量处于持续释放阶段，特别是发展后热失控扩展阶段，灭火效果极为有限。热失控阶段的控制非常重要，如阻燃材料的使用、电解液中阻燃剂的添加、热失控阶段电池的使用策略、热管理措施等。这些措施的目的是保障电池的状态不再持续恶化。

磷酸铁锂的橄榄石结构具有高温稳定性。在热失控的化学反应中，在电解液喷出前大量发生的是分解反应，而非氧化反应，该过程产生气体少且慢，电池发生鼓包胀气而非剧烈燃烧，因此磷酸铁锂电池相对安全，但这并不意味着磷酸铁锂电池不发生热失控和燃烧。当热失控导致防爆膜破裂，继而电解液喷出，温度快速达到电解液燃点，电解液燃烧，继而引燃电芯包裹材料等其他可燃物，进而加剧热量的散发，导致其他电芯发生热失控连锁反应。易燃物燃烧过程中，热失控电芯持续发生反应放热，产生大量有毒可燃烟气，具有爆炸风险。

对于电池的热失控状态预警技术目前国内已有相应研究，由于引发电池热失控的因素很多，根据其不同特点可以通过不同监控系统来判断储能电池是否处于热失控状态，具体如图4所示。

对于磷酸铁锂电池的热失控，多采用热管理技术确保电池系统工作在适宜温度范围，该系统由导热介质、测控单元及温控设备构成。

导热介质与电池组接触后通过介质的流动将电池系统内产生的热量散发至外界环境中，通过调节磷酸铁锂电池的工作温度，尽量使其工作在最适宜温度范围，发挥电池组的能力，延缓电池老化。导热介质主要有空气、液体与相变材料3大类。

空气散热系统和液冷散热系统各有特点，具体见表5。 

4磷酸铁锂电池集成化发展机制建议

1）磷酸铁锂电池从生产到应用应统一技术标准，且设计的方案应该通用化，以保证储能电池在全寿命周期内的正常使用。

2）实际应用过程中影响电池性能的因素包括电池外包装、电池包、结构设计、制造工艺、电热管理等，需要根据实际工程的需求以安全为首要因素设计电池及其系统结构。

3）应采用高精度设备制造电池，加强生产全过程监测，开发智能化电池管理系统，并根据实际使用条件设计、利用磷酸铁锂电池。

4）磷酸铁锂电池管理系统的整体设计需要结合电芯使用情况并做好热管理系统研制与开发，且在电芯的成组阶段就需要良好的结构设计以保证机械安全和热安全性。

5）磷酸铁锂电池的安全防护应从电池本体开始检测，贯穿到全寿命周期，以免在使用过程中发生安全事故，危及储能电站的总体安全。