磷酸铁锂储能离子电池管理系统的应用研究

磷酸铁锂储能离子电池管理系统的应用研究

朱奎1 ，孙冰夏2*

（1.深圳中科超算技术有限公司，深圳  518000；2.深圳职业技术学院，深圳 518000）

摘要   本文针对磷酸铁锂离子电池的应用现状和发展前景进行了简单综述﹐在研究磷酸铁锂电池理论及实际应用的基础上，介绍了电池的种类、市场优势、应用领域以及建立储能电池管理系统的趋势必要性﹐并通过精心设计了一种适合磷酸铁锂离子电池组的储能电池管理系统。电池组管理系统是储能电池保护和管理的核心组成部分,本文中的储能电池管理系统采用模块化设计,主要包括电池堆管理系统，电池簇管理系统，电池管理单元，电流、电压和温度采集模块，高压盒等功能模块。通过实验室性能测试，证明了此储能电池管理系统具有非常高的测量精度，同时具有较好的耐湿热性能以及绝缘耐压性能，表明该电池管理系统具有较高的可行性和安全性，在市场上具有一定的竞争力，为建立可靠、安全、智能化储能电池管理系统提供了一种新的设计思路。

关键词  磷酸铁锂;电池组﹔管理系统﹔电流；离子电池 

中图法分类号  TK018；              文献标志码  A

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Application research of lithium iron phosphate energy storage ion battery management system

ZHU Kui1, SUN Bing-xia2*

（1.Zhongke Supercomputing Technology Co., Ltd, Shen zhen 518000, China; 2.Vocational and Technical College, Shen zhen 518000, China）

[Abstract] This paper briefly reviews the current situation and development prospects of the application of lithium iron phosphate batteries, and on the basis of studying the theory and practical application of lithium iron phosphate batteries, introduces the types, market advantages, application fields and the trend necessity of establishing an energy storage battery management system, and carefully designs an energy storage battery management system suitable for lithium iron phosphate battery packs.Battery pack management system is the core component of energy storage battery protection and management, the energy storage battery management system in this paper adopts modular design, mainly including battery stack management system, battery cluster management system, battery management unit, current, voltage and temperature acquisition module, high voltage box and other functional modules. According to laboratory performance tests, it is proved that this energy storage battery management system has very high measurement accuracy, and has good moisture and heat resistance and insulation voltage resistance, which shows that the battery management system has high feasibility and safety, and has certain competitiveness in the market, which provides a new design idea for the establishment of a reliable, safe and intelligent energy storage battery management system.

[Keywords] lithium iron phosphate; Battery pack, management system, current; Ion batteries

1. 引言

随着全球经济不断发展，不可再生能源的日益紧缺，石油资源已表现出供不应求和价格高涨的现象。因此，寻找一种低碳环保且价格适中的新能源已逐渐成为全球各国可持续发展的迫切需求。锂离子电池作为新能源领域的不可或缺的一部分，凭借其优异的性能以及适中的制造成本，已被公认为21世纪的重要高新技术[1-3]。锂离子电池因其能量密度高、自放电率低、循环寿命长、节能环保等优点被广泛应用于航空航天、电动汽车、电子设备和通信系统等众多领域。目前国内外应用较多的锂离子动力电池正极材料主要有磷酸铁锂、三元、锰酸锂等[4-6]，其中磷酸铁锂电池以其较高的安全稳定性、较长的循环寿命和更低的成本优势在国内受到行业内专家学者的格外关注，相关研究成果和产品迅速得到应用和推广。

磷酸铁锂离子电池是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池，单体额定电压为DC3.2 V,充放电截止电压为DC3.6 V~3.65 V，具有不同于其它类型动力电池的优异性能[7-8]。近年来，随着储能市场的逐渐兴起，大多数动力电池企业纷纷踏入储能市场，也为磷酸铁锂离子电池开拓出新的应用市场，一方面，磷酸铁锂由于超长使用寿命、使用安全、大容量、绿色环保等特点，可以在储能领域有着较大的发展前景，有效延长价值链条，能够推动商业创新模式的建立。另一方面，磷酸铁锂电池在电动船舶、５Ｇ通信基站等领域也有很大的应用空间，特别是商用车领域，磷酸铁锂电池产品已在城市内部短距离运行的纯电动公交车、环卫车、物流运输车以及商用租车等领域进行了成熟应用[9-10]。

磷酸铁锂离子电池是很有前景的储能装置，然而在使用过程中的安全性也及其引人注目，为确保锂离子电池在使用过程中安全稳定可靠，对其进行电池管理也是一种非常必要的技术。此外，电池管理也提供了能够与外部系统交互的接口，如充电电源、簇闸控制、故障录波、负载、实时检测及数据显示设备等。本文针对磷酸铁锂离子电池组合设计了一种储能电池组管理系统，并对其相关性能进行了测试，来确保离子电池在使用过程中安全、稳定、高效。

2.电池组管理系统的组装结构

储能电池管理系统（型号：YC-BMS）主要由BAMS、BCMS、BMU、HMI 以及HVB 组成（如图1所示）。本次测试的样品基本功能描述如下：

1、BAMS（型号：YC-BAMS-N）电池堆管理系统：具有对BCMS 上传的单体电池的电压、温度、电池簇SOC、电池簇电压、电池簇电流等实时数据进行实时显示，进行数据计算、性能分析、绝缘阻抗、告警保护等处理，保存系统运行历史数据、事件记录，与PCS、能量管理系统(EMS)进行联动控制等功能。

2、BCMS（型号YC-BCMS-N ）电池簇管理系统：具有实时采集电池簇总电压、总电流、绝缘状态，与BMU 通讯，检测单体电压、单体温度数据，进行簇内温度和电压管理、计算SOC、充放电电量、具有告警保护、簇闸控制、故障录波、短路保护功能，管理簇内单体电池，实现簇内均衡等功能。

3、BMU（型号YC-BMU-18-N）电池管理单元：具有BCMS 通讯，实时检测单体电池电压、温度、执行均衡控制、温度管理、异常检测及保护等功能。

4、HMI（型号 YC-HMI）：具有实时显示电池簇总电压、总电流，单体电池电压、温度，告警状态，总闸状态以及簇闸状态等的显示。

5、HVB（型号 YC-HVB-N) 高压盒：主要控制电池簇闸的通断等功能。

图1. 电池管理系统外观图

3. 电池组管理系统性能测试

3.1 电池组管理设计

本文的储能电池管理系统使用220V AC电源供电，主要由1个BAMS（型号：YC-BAMS-N）+1个BCMS(型号YC-BCMS-N)+1个BMU（型号：YC-BMU-18-N）+1个HMI（型号 YC-HMI）+1个HVB（型号YC-HVB-N）组成。BMS储能电池管理系统可以实时测量电池的电和热相关的数据，主要包括单体电池电压、电池模块温度、电池模块电压、串联回路电流、绝缘电阻等参数。储能电池管理系统工作流程如图2所示。

图2. 储能电池管理系统工作流程

BMS储能电池系统首先检测外部交流电接入情况，当有外部电流出现时，系统自动启动充电功能，充电电流可以根据实际情况进行设置。并且在充电过程中不间断进行总电压、单体电压采集，当单体电压出现差异时，将会启动均衡操作。如果在充电的过程中出现过流、高温、单体电压或总电压达到充满状态时则会停止充电；如果外部没有接入交流电，电池管理系统会切换为放电工作模式，在放电过程中实时监测单体电压、总电压、放电电流、单体温度，实时保证任何一个参数出现异常时会及时停止放电.

3.2电池组管理性能测试

对上述所介绍的储能电池管理系统进行了电流、单体电池电压、电池模块温度、电池模块电压、耐湿热性能以及绝缘耐压性能测试。图3为储能电池管理系统的测试连接方式流程图。

图3. 储能电池管理系统的测试连接方式

3.2.1电流测量精度测量

将磷酸铁锂电池组，管理系统等进行连接。根据上述工作测试模式，利用万能表对其电流测量精度进行了多次测试，相关结果如表1所示。对其BMS储能电池管理系统的电流测试进行了实际对比，发现实际测试数据与BMS储能电池管理系统测试的电流值相比，并结合电池容量和充放电电流确定，其误差均小于0.2%，证明BMS储能电池管理系统有着较好的设计指标。

表1. 电流测量精度测试数据

3.2.2单体电压测量精度测试

按照上述连接模式，连接好储能电池管理系统，根据相同的工作测试模式，用万能表对所有的磷酸铁锂电池的电压进行多次测量，具体数据如表2所示。根据数据显示，BMS储能电池管理系统测量的电压值与实际测量电压值几乎相差不大，误差均在小于0.3%，证明BMS储能电池管理系统有着较为准确的单体电压测量精度。

表2.单体电压测量精度测试数据

3.2.3温度测量精度测试

根据相同的工作测试模式，用红外测温仪对所有的磷酸铁锂电池的传感器进行多次测量，详细数据如表3所示。根据数据显示，BMS储能电池管理系统测量的温度与实际测量温度值几乎处于同一水平，误差均小于2℃，证明BMS储能电池管理系统有着优异的温度测量精度，证明BMS储能电池管理系统有着较稳定的可行性。

表3. 温度测量精度测试

3.2.4 绝缘耐压及耐湿热性能测试

除了对BMS储能电池管理系统的电流、单体电池电压、电池模块温度等性能进行了性能测试以及数据采集，还对电池管理系统的耐湿热性能以及绝缘耐压性能进行了测试。如表4所示，BMS储能电池管理系统可以经受符合要求的绝缘耐压性能试验，其介质直流试验均可以达到2800 Vdc,冲击试验高达5000V，并且在实验过程中无无击穿、电弧或火花或闪络等破坏放电现象。证明了BMS储能电池管理系统具有非常的绝缘耐压性能。此外储能电池管理系统的耐湿热性能也是使用中不可忽视的一个重要因素。在符合GB/T2423.4测试标准下。经过交变湿热试验后BMS储能电池管理系统的介质直流试验仍可达到2800 Vdc,冲击试验达到5000V，证明湿热环境对于BMS储能电池管理系统几乎没有影响，不会对电池管理系统的使用造成损伤，可以延长其使用寿命。

表4.绝缘耐压及耐湿热性能测试数据

4.结论与展望

本文重点介绍了磷酸铁锂电池的相关进展，并设计了一种基于磷酸铁锂电池的储能电池管理系统，并对BMS储能电池管理系统进行了电流、单体电池电压、电池模块温度、电池模块电压、耐湿热性能以及绝缘耐压性能测试。通过上述的测试可以发现，本文所设计的BMS储能电池管理系统具有非常高的测量精度，同时具有较好的耐湿热性能以及绝缘耐压性能，证实本文了所设计的储能电池管理系统具有非常好的使用性能以及稳定的使用环境，在市场应用上具有一定的竞争力。

随着全球生态环保意识的不断提升，我国在75届联合国大会上已提出在2030年前将实现碳达峰，2060年前实现碳中和目标。大力发展新能源技术将是未来研究的热点与出路，而磷酸铁锂电池自身所具备的稳定、环保、安全等优势，促使其在多市场企业应用中发挥极大空间，尤其在新能源汽车、5G通信基站、电动船舶等领域，随着”Cell to pack ““刀片电池”“无模组技术”等新技术的推广和应用，磷酸铁锂电池产品也将成为新能源发展的热点之一。为确保锂离子电池在使用过程中安全稳定可靠，发展新型储能电池管理新技术也是新能源快速发展的趋势之一。

参考文献

[1]谢乐琼,王莉,胡坚耀,何向明.锂离子动力电池产业技术发展概述[J].新材料产业,2019(01):38-44.

[2]金玉红,赵煜娟,纪常伟,何向明.第三届新型电池正负极材料技术国际论坛评述——高比能量电池及关键电极材料[J].电池,2017,47(04):212-215.

[3]尹莲芳,谢乐琼,刘建红,程刚,王莉,何向明.磷酸铁锂电池应用展望[J].电池工业,2021,25(01):50-53.

[4]方佩敏.新型磷酸铁锂动力电池[J].今日电子,2007(09):95-98.

[5]邓华军.锂离子电池的管理系统研究[J].电子技术,2020,49(05):116-117.

[6]刘小杰,张英,刘洋,李琪.锂离子电池热管理系统综述[J].电池,2022,52(02):208-212.

[7]王振,李保国,罗权权,赵文莉.电动汽车锂离子电池热管理系统研究进展[J].包装工程,2020,41(15):232-238.

[8]劳永春. 液冷式锂离子电池热管理系统设计及优化研究[D].重庆交通大学,2021.

[9]李菁.嵌入式锂离子电池管理系统在智能汽车的应用[J].集成电路应用,2020,37(07):120-121.

[10]刘亮平.基于磷酸铁锂离子电池组管理系统的应用[J].建井技术,2022,43(05):35-39+24.

第一作者：朱 奎(1980—)，男，汉族，黑龙江，本科，高级职称。研究方向：超级计算、电池及新材料。

*通信作者：孙冰夏(1987—)，女，汉族，中国香港，博士，中级职称。研究方向：新能源材料和智慧城市。

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