磷酸铁锂电池故障保护方法研究

刘怀照，荆铄钧，邹乃佳，王文博，张跃伟，朱起航

应用研究

磷酸铁锂电池故障保护方法研究

刘怀照，荆铄钧，邹乃佳，王文博，张跃伟，朱起航

(许继集团有限公司，河南许昌 461000）

为保障磷酸铁锂电池系统安全稳定运行，本文对磷酸铁锂电池系统常见故障机理，及现有保护机制薄弱点进行分析。并设计归纳出一套暂态保护逻辑，使用运行曲线耦合的方式，实现对磷酸铁锂电池系统的暂态保护，能有效提高电池系统保护的灵敏性和速动性。

磷酸铁锂电池 保护设计 安全运行

0 引言

储能技术按其具体方式可分为机械储能（抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）、电磁储能（超级电容器、超导电磁储能等）和电化学储能（锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池等）等。其中以磷酸铁锂电池为主的电化学储能系统近年来得到了迅速发展及工程应用。

在实际应用中，由于每个磷酸铁锂电池单体的生产工艺、使用条件存在差异，单体性能和参数并不完全一致，使得电池单体的运行容量存在偏差。而电池系统由成百上千的电池单体组成，大型化和成组化更加放大了运行偏差，使得电池系统的电、热特性变得复杂，增加了系统出现故障的概率。

为了维持电池系统安全稳定运行，电池系统一般配置相应的电池管理系统对电池运行状态进行监测、保护。现有的电池管理系统多采用设定固定保护阈值方式进行保护，但是现有的电池管理系统采集数据颗粒度大，无法实现对电池系统的暂态保护。并且电池管理系统运行相对独立，缺少与其他系统的双向保护联动。

因此本文对磷酸铁锂电池系统现有保护机制进行分析，针对其薄弱点提出磷酸铁锂电池系统保护思路，并设计一套磷酸铁锂电池系统暂态保护逻辑。

1 磷酸铁锂电池系统常见故障机理

磷酸铁锂电池电、热、老化动态行为具有明显的非线性耦合特点，电池的成组化和大型化使得系统的行为特性变得更加复杂，加之大规模磷酸铁锂储能电站中电池舱内部各系统设备种类繁多，存在类型复杂、数量大、对外接口不统一、设备状态各异等特点，设备间相互兼容困难，难以实现电池的统一监管、调度和运维。根据目前磷酸铁锂储能电站运行情况，磷酸铁锂电池常见故障多出现在系统运行过程，并且故障特征多反馈在温度和电压。相对于电池单体，集成后的电池系统结构复杂，更容易出现故障。常见的故障诱因如下：

1)电池电压及健康状态告警

电池系统正常运行过程中，需要保证电池间电压基本一致。当电池组内部出现不一致时，会因故障电池更早到达电压保护阈值，使系统较早停止运行，导致电池系统无法按照设定容量进行充放，影响系统使用。此类问题经常见于电池系统长期运行后，各电池单体间出现容量差异。

2)电池温度告警

电池系统运行过程中，会持续产生热量，热量累积过多，会使电池内部反应更加剧烈，反应趋于失控，但如果电池温度过低，还会影响电池内部活性，降低电池输出功率，影响正常运行，因此，电池系统通常会配备如空调之类的温度调节设备来改善电池系统运行环境。但受限于系统内部结构设计，以及温度响应点规划等因素，会使电池系统内部温度出现两极分化的趋势，部分高温电池组受限于其他低温电池组，无法正常通过电池管理系统进行通风、制冷降温操作，反之亦然，从而加重电池系统内部温度异常。

此外，电池系统内部出现故障时，也会因内部剧烈的化学反应导致电池热失控，也会反映为电池温度过高或温升过快，常见的热失控因素有电池内部短路等。

2 磷酸铁锂电池系统现行保护缺陷

目前磷酸铁锂电池常使用电池管理系统作为保护装置，电池管理系统的主要原理是：采集电池状态数据，主要包括单体电压、充放电电流、温度等数据，对当前的数据进行分析，并结合电池前一个状态信息得到当前状态信息，电池状态信息主要包括SOC、SOH、故障状态、热管理状态等2。但该装置集采样、存储、保护控制等多重功能于一身，使得其无法专注于分析电池系统运行状态。电池的电压和电流通过采集线束上送至电池管理系统进行分析，通过与设定阈值进行比对，判断当前电池运行状态是否正常，因此，现行保护存在以下缺陷。

1)缺少设备间双向联动

由于电池系统的保护逻辑涉及多种设备，不同设备间缺乏必要的信息双向联动及故障风险共享机制，使得电池系统保护逻辑固定、呆板。当设备间进行必要联动时，也会因响应延迟，导致故障失控程度增加。

例如电池系统配套的消防系统，通常独立运行于电池管理系统外。仅通过自身下属的消防探头进行采样、判别，只会在必要时向电池管理系统传递消防启动和二级告警保护，而电池系统一旦出现热失控风险时，电池温度虽然会急剧上升，但是要想触发消防探头，需要监测到周围环境温度过高，或监测到电池热失控副反应产气等，然而发展到该阶段时，电池内部链式反应已经产生，单体热失控已不可逆3。

2)数据存储颗粒度大，存储空间不独立

电池管理系统会按照设定时间，定期存储运行数据，此法记录的数据，相较于运行曲线，颗粒度大，无法确定数据瞬时变化率，同时无法准确记录运行数据的波动程度。

现有的电池系统数据存储系统往往放置于舱内，当事故发生后，装置会伴随磷酸铁锂电池系统出现不同程度的损坏，致使故障数据遗失，影响后续事故分析，而保留在后台监控系统的数据颗粒度太大（分钟级），关键数据缺失，无法分析故障发生的点位、时间等，也就无法还原故障情况。

3)保护阈值固定

电池管理系统对锂电池的充放电控制阈值初始值设定无法更迭，电池老化后对电池状态估算出现偏差，电池寿命缩短，对电池老化出现异常的诊断缺乏等4。因此，为稳定电池系统运行，避免局部电池过充、过放，应当根据运行情况，及时调整保护阈值，避免电池系统超出平台期。

4)无法准确区分电池数据正确性

当电池系统温度或电压出现骤然增长的情况时，一般需要区分是电池处于运行末期、采样值跳变还是电池出现运行风险。而现有的保护逻辑，仅计算电池单位时间内的变化差值，但是计算过程必然存在延迟，并且无法准确区分数据异常点，往往会导致系统运行受限于某一异常数据，降低了系统运行的兼容性。

3 磷酸铁锂电池系统暂态保护思路

为保证磷酸铁锂电池在系统应用中安全稳定运行，需要在现有保护逻辑基础上，增加预防性保护逻辑，即电池系统暂态保护，以便在电池系统出现电压、温度偏差时，及时预警，并联动舱内保护装置，快速灵敏地切断故障源，降低磷酸铁锂电池系统事故风险。

1)提高与消防系统的联动程度

热失控防控应秉持预防为主、灭火为辅的设计理念。将电池系统温升变化信号接入电池消防系统，作为灭火介质的启用判据之一。以便快速启用灭火介质，及早遏制电池系统内部氧气含量，降低热失控扩大风险，及故障规模。同时也可以使用温升变化作为保护锁，避免消防主机误动。

2)权能拆分，设立独立的分析保护模块

将电池数据收集、存储功能和电池保护功能进行拆分，将监视与保护权限下放，在更小的电池单位，例如电池簇，对电池系统进行深度监护管理，同时为保护运行数据完整，数据存储装置放置于电池系统外部。

3)调整保护响应条件

采用运行曲线耦合的方式，取代传统的使用固定保护阈值的方式，以实时预判电池运行风险。即通过对电池运行数据的实时监控，测定运行曲线，当电池运行数据出现偏差时，能快速进行报警及暂态保护。同时定期在电池容量出现一定程度下滑时，自行重新进行测定运行曲线。此外使保护阈值动态化，更能精确区分电池当前是处于故障临界点、充放电末期，亦或是采集数据出现误差。

此外磷酸铁锂电池在绝热环境下的热失控过程可以明显地分为自发热阶段（温升速率≥0.02℃/min）和热失控阶段（温升速率≥1℃/min，或称自加热状态）5，因此可以考虑使用变化率作为保护参考值。

4 磷酸铁锂电池系统暂态保护逻辑

根据上述思路，针对磷酸铁锂电池系统设计一套暂态保护逻辑。主体以运行曲线作为保护阈值界定标准，以电压或温度的变化率作为保护判别条件，以实现磷酸铁锂电池系统的暂态保护，提高响应电池保护的速动性。

1)根据电池系统平均运行数据预设电压和温度保护阈值，其中{U}为电压数据偏移限制值，{U}为电池分布偏移限制值，U为临近电池电压均值，为电压实际值，为电压数据偏移值，上述单位均为mV；{T}为温度数据偏移限制值，t为温度保护时限值，为温度数据偏移值，上述单位均为℃；为温度保护生效计时，单位为s。

2)根据电池系统历史运行数据，制定电池电压及温度的模板曲线。

3)将储能电池系统投入运行，持续监测电池电压和温度，并生成相应的温度和电压运行实时曲线。

4)当监测到电池电压运行曲线与模板曲线偏移量不属于{U}时，计算电压实际值和临近电池电压均值的差值-U。若差值属于{U},则正常停机。若不属于，则需要检查温度数据偏移量是否属于限定值{T}。若属于则输出热失控风险预警信号至消防系统，反之则判定该点电压数据异常。

5)当监测到电池温度运行曲线与模板曲线偏移量不属于{T}时，启动空调进行制冷，并开始记录温度保护生效计时。当温度保护生效计时≥t时，系统将判定空调系统制热失效，自动停止运行。

图1 磷酸铁锂电池系统暂态保护逻辑

5 结束语

本文对现有磷酸铁锂系统保护原理进行了分析，并针对其薄弱环节制定了保护策略，提出了使用运行曲线耦合的方式实现对磷酸铁锂电池安全运行的暂态保护策略。后续将在此基础上，对磷酸铁锂电池系统运行曲线波动性进行研究，使运行曲线检验更加灵敏。

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Research on fault protection method of lithium iron phosphate battery

Liu Huaizhao, Jing Shuojun, Wang Wenbo, Zhang Yuewei, Zhu Qihang

（Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan, China)

TM912

A

1003-4862（2023）10-0054-03

2023-06-09

刘怀照（1982-），男，工程师。主要从事储能系统设计。E-mail：hzhliu2006@126.com