鉅大LARGE | 點擊量：1868次 | 2021年05月19日
大功率鋰離子電池儲能電源系統的研制與應用
我國工程物理研究院應用電子學研究所
1、大功率儲能電源系統
1.1系統組成
為提高大功率電源系統快速維修的要求，系統采用了模塊化的設計方法，任何一個模塊的重量不超過60kg。大功率鋰離子電池儲能電池系統如圖1所示，大功率儲能電池系統由儲能電池集中控制箱進行管理，一套儲能電池集中控制箱管理多個高功率儲能電源，以適應車載系統對總功率的不同需求。
每臺高功率儲能電源由三臺機箱組成，包括電池組A、電池組B和一個電池管理主控制器，電池組A、電池組B串聯使用。在電池組A和B中安裝有電池單體電壓和溫度采集板，并集成高效的主動均衡器。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電池采集板采集的溫度和電池單體數據通過CAN總線上傳數據給電池管理主控制器，并接受電池管理控制器下發命令，對電池單體進行均衡管理。電池管理主控器箱內安裝由電池管理主控模塊、充放電繼電器、充電保險和水冷充電機。
1.2、儲能電源
1.2.1電氣設計
綜合考慮高功率儲能電源功率需求、最高/低電壓限制、使用環境、維修維護及循環壽命的苛刻要求，40kW儲能電源由2個20kW電池組串聯組成，由于電池設計放電倍率較大，考慮到循環次數、使用壽命等要求，電池組的放電深度設計為55%，電池組的容量需求約16A·h，采用8A·h單體2并（16A·h）42串的電池組的方法能夠滿足鋰離子電池儲能電源的需求。儲能電源電氣設計如圖2所示。儲能電源技術指標：容量16A·h；電壓范圍210～330V；最大輸出功率40kW；放電時間200s；存儲電能：4.3kW·h。
1.2.2高功率電芯
考慮到項目進度和可靠性的要求，必須選擇已經大量應用的定型電產品芯，根據設計選擇容量8A·h方形鋁殼電芯，型號IFP1780123PB磷酸鐵鋰電芯，重要性能參數表1。
電池單體放電曲線如圖3所示，電芯單體在30C放電情況下，仍能放出7.5A·h以上的容量，表現出良好的功率特性。
為滿足5年1000次循環的要求，對電芯的循環性能進行了研究，如圖4所示，在3C加嚴充電、5C放（100%DOD）循環1050次后，容量保持率在85%以上，在實際工況下最大放電深度在55%左右，預計電池組夠滿足5年循環1000次要求。
1.2.3熱設計與試驗
首先對儲能電源的工作過程進行了分析，最嚴酷過程：初始荷電狀態60%，環境溫度60℃的條件下，存放4h，然后通5L/min防凍液冷卻15min，然后充電15min，再放電200s，然后充電30min，再放電200s，循環4次以上。
然后測試了電芯在工況下的功耗，作為輸入條件，對儲能電池組進行熱仿真。仿真結果如圖5所示。
仿真結果表明：電池在放充電循環周期中，電池最大溫度出現在第一次放電完成時，最高溫度為44.1℃，第二次電池充電完成后，電池的最高溫為39.5℃，比第一次電池放電電池最高溫低，反復循環后，溫度高點穩定在35℃，溫度低點穩定在31℃，滿足電芯最佳工作溫度范圍。
按最嚴格的工況進行了試驗，第一次放電完成后，最高溫度45℃，第二次充電完成后，最高溫度40℃，滿足電芯最高安全工作溫度50℃的要求；然后反復循環，溫度穩定在30～35℃之間，滿足電芯最佳工作溫度區間。
1.2.4電池的采樣、均衡和管理控制
在電池組中，安裝有電池采樣與均衡模塊，在電池管理主控制器機箱安裝有電池管理主控制器，功能框圖如圖6所示。
電池采樣與均衡模塊：每個電池組采樣包括2個水路入口溫度傳感器，16個電池單體溫度傳感器，對水路溫度和電池單體的溫度進行監控，電池采樣與均衡模塊還對每一個電池單體的電壓進行采集，數據通過CAN總線反饋到電池管理主控制器。
電池管理主控制器通過閾值判斷儲能電池是否處于正常狀態，閾值包括：水路入口溫度下限5℃，上限45℃；
電池單體溫度閾值下限0℃，上限50℃；溫度差最大10℃；單體電壓下限2.5V，上限3.65V；電池單體電壓差50mV
啟動均衡。
電池管理主控制器重要包括以下功能：
1）監控儲能電源充電或放電電流，通過積分計算電池的荷電狀態；
2）監控整組總電壓，并通過總電壓與采集模塊返回電池單體電壓的和確定整組電池的狀態；
3）通過CAN總線上傳溫度、單體電壓、電壓差等數據，并通過閾值確定儲能電源的狀態，根據電壓差向采樣均衡模塊下發電池均衡指令；
4）檢查電池采樣均衡模塊是否在線；
5）根據儲能電池組正極和負極輸出的電壓，計算漏電電流。
6）向儲能電源集中控制器上傳溫度、電池單體電壓、總電壓電流、漏電電流等狀態信息。
7）根據集中控制器下發的指令，控制充放電操作。
1.2.5充電機
為提高系統的電磁兼容性，充電機采用了功率因數校正技術，其功率因數達到0.99，電流諧波小于3%，能適應95VAC-265VAC的輸入電壓，最高輸出電壓330V，最大輸出電流20A，最大功率6.6kW。充電機內置熱感應器件，具有過熱保護功能，可自動恢復。全密封灌封工藝，高達IP67的防護等級。
2、工程化試驗
2.1運輸安全試驗
由于海運/空運對鋰離子電池安全的管理要求，電池芯和電池組要滿足《有關危險貨物運輸建議書-試驗和標準手冊》第三部分38.3節的測試要求，總共包括5項環境試驗和3項電安全試驗。基于以上要求，首先選型的電芯已經進行試驗并取得證書；電池組結構設計滿足12kg以上大型電池組的要求：50gn/11ms沖擊，以及振動要求。振動實驗方法：在3個互相垂直的方向上，以對數掃描的形式從7Hz到200Hz，并回到7Hz的正弦波形振動，一個周期為15min，共進行12次，即每一個方向3h。
產品完成研制后，完成了摸底試驗，評估滿足要求；然后在首批定型產品中抽樣送第三方測試，并取得證書。
2.2通用質量試驗與評估
2.2.1可靠性指標
以儲能電源系統采用7臺儲能電源為例，其中包括1臺集中控制器，7臺電池管理主控制器和14臺電池組。
1）集中控制器
根據GJB/Z299C可靠性預計手冊的基本數據和方法，計算集中控制器的MTBF指標，可得集中控制箱的失效率為1.42×10?5h，即MTBF為70400h。
2）電池管理主控制器
根據車載充電機的規格書，MTBF為150000h，使用數量1臺；電池管理單元BMU，其MTBF為500000h；繼電器4只，其失效率為1.0×10?7/h；保險使用數量2只，其失效率為1.00×10?7/h；連接器使用數量6只，計算失效率0.4×10?6/h。根據失效率的基本模型，電池管理主控制器的失效率為7.86×10?6/h，MTBF為127200h。
3）電池組
在電池組中，電池采樣與均衡單元，其失效率為1.0×10?7/h，使用數量4只；電芯單體的失效率在10?7～10?8/h之間，本項目使用的電芯經過大量車用驗證，且對電芯的進行嚴格的一致性篩選，電芯單體失效率可以保證在0.8×10?7/h以下，每個電池包的使用電池數量84個；保險的失效率為1.00×10?7/h，使用數量2只；連接器使用數量
4只，計算失效率0.25×10?6/h；溫度傳感器，失效率1.00×10?8/h，溫度傳感器使用數量16只。計算儲能電池包的失效率為8.37×10?6/h，即MTBF為119500h。
4）基本可靠性
計算儲能電源系統的基本可靠性，如表2所示。儲能電源系統失效率為1.84×10?4/h，MTBF為5400h。
5）任務可靠度考核
完成了660次任務可靠性試驗，滿足0.985（0.8置信度）任務可靠度試驗驗證。
2.2.2維修性
儲能電池單元采用三種類型的模塊化設計：集中控制箱、充電與高壓控制機箱和儲能電池機箱，體積和重量如表3所示，機箱均采用插箱方式，在現場對維修性進行了測試，滿足基層級平均修復時間（MTTR）不大于30min。
2.2.3測試性
采用成熟的電動汽車電池管理系統，對系統內部進行檢測，并實時上報控制系統。
在現場，對測試性進行了現場考核，故障檢測率為100%；故障隔離到1個LRU/LRM為100%、故障隔離到2個LRU/LRM為100%、故障隔離到3個LRU/LRM為100%；檢測虛警率為0%。
2.2.4保障性
對采用的元器件/部件進行了統計，結果表明，滿足全壽命周期（10年）內的保障需求。
2.2.5安全性
本項目選用8A·h功率型磷酸鐵鋰離子電池，使用溫度范圍寬廣（?20～75℃），耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350～500℃，不易出現熱失控。單體和小型模組通過了國家機動車質量技術監督檢驗中心的認證。
在系統設計與生產方面：1）專門的剎車控制方法，可確保在危險或故障等緊急情況下，及時關停儲能電源，確保安全；2）配置了熔斷器，在發生短路時，熔斷器迅速斷開，以免蓄電池組過放發生危險，保護后端設備；3）電池組對地電阻絕緣值大于10MΩ；4）為確保電池運行安全，電池管理系統對單體電壓過高，單體電壓過低、溫度過高、溫度過低、充電電流過大、放電電流過大等進行監控保護；5）連接器等采取了防插錯措施。
通過以上措施，確保儲能電源安全，并向用戶供應了注意事項說明。
2.2.6環境適應性
根據環境適應性的要求，在鑒定階段，進行了振動、低溫存儲、低溫工作、高溫存儲、高溫工作和濕熱試驗；交付產品進行了振動、低溫存儲、低溫工作、高溫存儲、高溫工作試驗。
2.2.7電磁兼容性
儲能電源系統中選用的24V供電電源模塊滿足EN55022ClassB，EN6100-3-2ClassA，EN61000-3-3的要求。充電機的電磁兼容特性滿足：電磁抗擾性滿足GB/T18487.3-200111.3.1條；電磁騷擾性滿足GB/T18487.3-200111.3.2條；諧波電流滿足GB17625.1-20036.7.1.1條。電池管理系統由具有《道路車輛功能安全標準（ISO26262）》認證的電動汽車零部件公司設計生產，所有產品均通過行業標準和嚴格的EMC測試。所用的電纜都采取了屏蔽措施，且屏蔽層連接到連接器的尾部，確保通信電纜屏蔽良好。在實際使用考核中，儲能電源系統滿足項目電池兼容性的要求。
3、應用情況
完成儲能電源的研制后，開始小批量制作，首批向客戶提交了21臺儲能電源；產品隨整車設備經過陸運和空
運到達目的地，在最高環境溫度高于55℃的地區進行了超過12個月長期的使用，電源產品安全可靠無故障，驗證了系統設計的可靠性。
4、結論
采用磷酸鐵鋰電芯和成熟的車載電池管理系統，研制了一種大功率儲能電源系統。研制過程中，大功率儲能電源進行了大量的工程化試驗考核和評估，包括運輸安全性、環境適應性、維修性和任務可靠性等工程化指標進行了分析評估試驗。最后，21臺儲能電源在超過55℃的高溫地區考核超過12個月，驗證了儲能電源系統的可靠性。
