中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 電力系統(tǒng)中各類暫態(tài)過電壓引起的高幅值電壓波動會影響電化學儲能電站在電網(wǎng)中的安全穩(wěn)定運行，已有電化學儲能火災事故調(diào)查報告指出了目前針對儲能鋰離子電池模組暫態(tài)過電壓防護能力不足的問題。本工作通過分析浪涌過電壓防護器件的性能，提出針對儲能鋰離子電池模組的暫態(tài)過電壓防護電路設(shè)計，并開展器件選型、配合設(shè)計和試驗測試，研發(fā)出一種具備多級降壓-級聯(lián)穩(wěn)壓自開斷功能的電池模組過電壓防護電路。結(jié)果表明，針對12 V鋰離子電池模組，共模和差模輸入下峰值為500 V/1 kV/2 kV/4 kV、波形為1.2/50 μs的沖擊過電壓下，所設(shè)計防護電路通過逐級限制電壓和能量泄放，將輸入電池模組的電壓幅值抑制在15.2~26.4 V。穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測試表明，當電壓低于26.5 V時，實現(xiàn)模組電壓穩(wěn)壓至12 V；超過26.5 V時切出功能動作隔離鋰離子電池模組，研究有助于實現(xiàn)鋰離子電池模組的暫態(tài)過電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開斷及穩(wěn)壓功能。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；暫態(tài)過電壓；共模；差模；防護電路
隨著電化學儲能電站的不斷落地，電站起火、燃爆等事故頻發(fā)，安全問題已成為制約其大規(guī)模應用的技術(shù)瓶頸。電化學儲能系統(tǒng)包含大量線路、金屬管道以及儲能變流器(power conversion system, PCS)，與外部發(fā)電系統(tǒng)(如風光儲混合系統(tǒng)中電氣互聯(lián)的風電、光伏發(fā)電子系統(tǒng)等)具有直接或間接的電氣連接。電化學儲能及其連接的外部系統(tǒng)遭受直接雷擊或感應雷、系統(tǒng)諧振，以及斷路器開斷等均會導致過電壓產(chǎn)生，并通過差模/共模等多種耦合形式侵入鋰離子電池組。然而，已有措施對于儲能鋰離子電池的過電壓防護能力不足，如電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)僅內(nèi)嵌單級浪涌保護器(surge protection device, SPD)進行自身保護，缺乏對鋰離子電池模組的過電壓有效抑制以及過電壓故障下電池模組的穩(wěn)壓和切斷設(shè)計。
國內(nèi)外學者針對并網(wǎng)裝備及系統(tǒng)過電壓防護技術(shù)展開了一系列的研究。文獻[6]和文獻[7]分別建立了金屬氧化物壓敏電阻的全電流模型和壽命模型。文獻[8]分析了用于過電壓防護的壓敏電阻和氣體放電管的動態(tài)性能，并提出了一種組合設(shè)計方法。對于低壓配電系統(tǒng)，文獻[9]基于理論分析研究了兩級浪涌保護器配合機理。文獻[10]設(shè)計并驗證了相關(guān)信號裝置的過電壓保護裝置。然而，關(guān)于電化學儲能電池的過電壓防護研究較少，儲能鋰離子電池在實際應用過程中具有高功率/大電流雙向變送的特點，同時是含電荷存儲和多種化學反應能的有源高能系統(tǒng)，電池成組后也存在局部環(huán)流、短板效應等問題，相比于其他防護對象具有明顯差異的特征。文獻[10-12]計算得到的不同混聯(lián)風光儲系統(tǒng)遭受雷擊時儲能子系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓水平，過電壓幅值達數(shù)百甚至上千伏，并且目前已有因外部過電壓/過電流引發(fā)的儲能鋰離子電池著火事故，如韓國忠南洪城郡鋰離子電池儲能火災事故等，暴露出事故前期檢測性差、預警能力缺乏、防護水平不足等問題，亟須結(jié)合儲能電池自身特征，針對性地研究過電壓防護設(shè)計方法。
因此，以儲能鋰離子電池模組為對象，分析電池模組自身過電壓防護需求特點，同時依據(jù)關(guān)于電磁兼容和浪涌(沖擊)試驗推薦的過電壓防護水平，設(shè)計針對性的暫態(tài)過電壓防護電路，開展共模和差模不同峰值過電壓測試，分析防護電路的暫態(tài)電壓響應和防護能力。同時，集成穩(wěn)態(tài)直流超限電壓防護電路，研發(fā)鋰離子電池模組的暫態(tài)過電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開斷及穩(wěn)壓功能的一體化電路。
1 電池模組過電壓防護電路設(shè)計
電化學儲能系統(tǒng)中常用的鋰離子電池模組如圖1所示，電池模組為多個電芯按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，對外只有一對正負極輸出端子。在電化學儲能系統(tǒng)中，電池模組需要配合PCS和BMS實現(xiàn)正常充放電循環(huán)，配合電網(wǎng)完成新能源消納和移峰填谷等功能。系統(tǒng)中的隔離開關(guān)、熔斷器和分流器布置于電池模組的高壓箱，正接觸器、負接觸器和預充接觸器分別接入正極母線和負極母線。分析現(xiàn)有電化學儲能系統(tǒng)與工程可知，所使用的保險絲和熔斷器對于暫態(tài)過電壓引起的浪涌電流并不敏感，采用如氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻等單級浪涌防護器件的方法存在過電壓限制能力有限的問題，且存在因拒動或誤動導致的單級功能失效而無后備保護的風險，無法有效保護對過電壓敏感的鋰離子電池模組。當前針對儲能鋰離子電池的防護功能主要有過流保護、過充保護、過放保護、短路保護等，以上保護功能對于可能侵入電池的暫態(tài)過電壓和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓的防護水平不足，電路自身也存在耐過電壓沖擊能力差、動作后切出無自恢復功能等問題。
圖1 電化學儲能系統(tǒng)中的鋰離子電池模組電路圖
針對儲能電池模組特點和現(xiàn)有過電壓防護問題，采用可靠性較高且無需向系統(tǒng)取能的無源防護器件，設(shè)計依次級聯(lián)的具備降壓和限壓能力的多級過電壓防護電路，逐級降低儲能鋰離子電池模組可能遭受的暫態(tài)過電壓，并互為后備保護，降低鋰離子電池模組的過電壓防護電路單級功能失效或拒動/誤動引發(fā)的風險。
1.1 無源防護器件分析與選型
無源浪涌防護器件的工作原理是當電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓時，通過快速響應提供一個低阻抗的通路，將過電壓導向大地，以限制過電壓的幅值和持續(xù)時間，降低設(shè)備遭受過電壓的影響。在無源過電壓防護器件領(lǐng)域，氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管是采用較為廣泛的浪涌保護器件。分析三種防護器件的浪涌通流能力、寄生電容、鉗位電壓、泄漏電流和響應速度等參數(shù)，如表1所示。其中，鉗位電壓和泄漏電流的具體參數(shù)根據(jù)器件的不同型號會有區(qū)別，表1僅比較了三種器件的相對性能特征。研究基于多級泄放、逐級限壓的防護電路設(shè)計和配合方法，選用浪涌通流能力強、鉗位電壓高的氣體放電管作為第一級防護電路，氣體放電管是一種開關(guān)型保護裝置，在擊穿電壓范圍內(nèi)不會產(chǎn)生漏電流，但其維持電壓顯著低于擊穿電壓，引起續(xù)流問題導致電弧持續(xù)燃燒；同時，因其響應速度較慢(百ns級)易引發(fā)響應時序的問題，需要配合并聯(lián)電路進行多級防護。為此，選用氧化鋅壓敏電阻配合氣體放電管作為第二級防護電路，壓敏電阻不存在續(xù)流和電弧持續(xù)燃燒問題，結(jié)合這兩種防護器件，可有效解決漏電流和續(xù)流的問題，增強了過電壓防護能力；同時，級聯(lián)功率電阻或共模電感等退耦器件，降低侵入過電壓的陡度和上升時延，解決了第一級防護電路響應時序的問題，并實現(xiàn)第一級防護電路和第二級防護電路互為備用。最后，選用鉗位電壓與電池模組的承受電壓更為相近的壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管作為第三級防護電路，瞬態(tài)抑制二極管的鉗位電壓低于氣體放電管和壓敏電阻，而它的響應速度可達ps級，提升了電池模組過電壓的防護時效。
表1 三種無源浪涌防護器件的分析與比較
1.2 過電壓多級防護電路設(shè)計
依據(jù)上述的無源防護器件分析與選型，以及暫態(tài)過電壓多級防護和后備保護電路設(shè)計，提出包含一次降壓回路、二次降壓回路和三次限壓回路的儲能鋰離子電池模組暫態(tài)過電壓多級防護電路，并開展各級防護回路的參數(shù)計算和配合分析。
其中，一次降壓回路和二級降壓回路主要采用浪涌通流能力強、鉗位電壓高的無源防護器件，通過將不同電壓等級的氣體放電管和壓敏電阻級聯(lián)退耦器件設(shè)計實現(xiàn)時序逐級配合，作為防護電路的初級和次級防護。電路具備自恢復能力，可重復發(fā)揮作用，可以對侵入電池模組的暫態(tài)過電壓進行大幅度的能量泄放并降低其幅值水平。此外，一次降壓回路和二次降壓回路采用串聯(lián)氣體放電管和壓敏電阻起到后備降壓并解決續(xù)流和電弧持續(xù)燃燒問題，器件參數(shù)選擇的直流工作電壓Udc應分別滿足式(1)和式(2)。同時，二次降壓回路中設(shè)置低殘壓壓敏電阻，進一步提升降壓回路的電壓嵌位能力。三級降壓回路最靠近被保護的電池模組，采用極快速響應設(shè)計和稍高于(>15%)電池模組工作電壓的保護閾值設(shè)計，使用響應速度達ps級且自恢復能力強可多次重復使用的瞬態(tài)抑制二極管實現(xiàn)，進一步為鋰離子電池模組的過電壓防護提供后備保障。
式中，Udc1和Udc2分別為一次降壓回路和二次降壓回路的直流工作電壓，UN為儲能鋰離子電池模組的工作電壓。
此外，依據(jù)共模電感元件特性和多級降壓回路間的退耦需求，設(shè)計二次與一次降壓回路間、三次與二次降壓回路間的退耦元件，通過式(3)計算可得共模電感的數(shù)值。
式中，U1為前級降壓回路的殘壓，U2為本級降壓回路的殘壓，I1為本級降壓回路的通流量，T1和T2為測試使用的暫態(tài)沖擊電流函數(shù)的波頭時間及波尾時間。
同時，為預防PCS和BMS失效引發(fā)的直流電壓超出問題，減少穩(wěn)態(tài)直流超限電壓可能對電池模組造成的損害，進一步設(shè)計了穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路，并將其集成在電池模組過電壓多級防護電路后端。所設(shè)計的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路使用穩(wěn)壓二極管、三極管和功率場效應晶體管等開關(guān)器件實現(xiàn)超出閾值電壓時斷開、低于閾值電壓時開通的自開斷功能，并通過引入帶有電壓負反饋的Buck電路拓撲及其與功率集成電路芯片的配合，實現(xiàn)介于閾值電壓和工作電壓輸入時電芯模組電壓穩(wěn)定至額定電壓的功能。
所設(shè)計的儲能鋰電池模組暫態(tài)過電壓多級防護和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路如圖2(a)所示，A部分電路實現(xiàn)電池模組的暫態(tài)過電壓三級防護，并互為后備。B部分電路實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)直流超限電壓的穩(wěn)壓和開斷功能。通過將A、B部分電路級聯(lián)組合，并結(jié)合PCB布板走線和考慮散熱、電磁兼容、功能擴展等進行優(yōu)化設(shè)計，研發(fā)出的基于無源器件的電池模組過電壓多級防護和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路實物如圖2(b)所示。
圖2 儲能鋰離子電池模組多級防護和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路
2 測試分析與驗證
采用如圖3(a)所示的SJTU-10沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生峰值分別為500 V、1 kV、2 kV和4 kV的典型沖擊電壓波形，分為以共模輸入和差模輸入兩種方式輸入；使用如圖3(b)所示的BK-Precision直流電源輸出幅值為12～30 V的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓，進行穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測試，使用Tektronix示波器配合衰減比為1∶100的高壓探頭進行暫態(tài)沖擊過電壓的測量，檢測每級電路的暫態(tài)電壓響應和輸出端電壓峰值。
圖3 SJTU-10沖擊電壓發(fā)生器和BK-Precision直流電源
2.1 暫態(tài)過電壓沖擊測試
對于暫態(tài)過電壓沖擊，針對串行通信中RS422接口的過電壓防護設(shè)計可將波形為1.2/50 μs、峰值為3.5 kV的過電壓限制在64.0 V，而單級SPD僅能將類似幅值的過電壓沖擊限制在數(shù)百伏水平。對于本工作提出的防護電路，測試分別輸入波形為1.2/50 μs、峰值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV的暫態(tài)過電壓沖擊，如圖4所示。其中，在電路正極和負極母線之間進行差模輸入測試，即為如圖2(a)所示的Vin+端子和Vin-端子間。在電路正極/負極母線與地線之間進行共模輸入測試，即為如圖2(a)所示的Vin+/Vin-端子與GND端子間。電池模組防護電路A部分的各級限壓回路下的暫態(tài)過電壓波形如圖5～8所示。分析差模輸入和共模輸入兩種情況下的暫態(tài)過電壓波形可知，在不同幅值過電壓作用情況下，通過一次降壓回路和二次降壓回路后的電壓波形出現(xiàn)振蕩衰減，且峰值逐級降低。其中，差模輸入下的暫態(tài)電壓會正負交替振蕩，而共模輸入下的暫態(tài)電壓在振蕩中基本保持為正值，差模輸入和共模輸入下振蕩過程的響應時間分別為10 μs和5 μs，此后的振蕩幅度低于最大幅度的5%。經(jīng)過三次限壓回路后，輸入的過電壓已被鉗位在B部分穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路的限壓工作范圍內(nèi)，此時陡峭的尖峰波形基本被削平，可實現(xiàn)對于后級儲能鋰離子電池模組的有效防護。即當差模輸入暫態(tài)過電壓峰值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV時，經(jīng)過一次降壓回路后電壓峰值分別降低至416 V、592 V、432 V和280 V，經(jīng)過二次降壓回路后電壓峰值分別降低至204 V、154 V、152 V和212 V，經(jīng)過三次限壓回路后過電壓峰值被嵌位在23.2 V、26.4 V、15.2 V和20.8 V。當共模輸入暫態(tài)過電壓峰值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV時，經(jīng)過一次降壓回路后電壓峰值分別降低至284 V、392 V、400 V和296 V，經(jīng)過二次降壓回路后電壓峰值分別降低至228 V、344 V、252 V和256 V，經(jīng)過三次限壓回路后過電壓峰值被嵌位在22.4 V、20.8 V、21.6 V和20.6 V。
圖4 不同峰值下的1.2/50 μs暫態(tài)過電壓沖擊測試
圖5 暫態(tài)過電壓(1.2/50 μs, 500 V)下電池防護電路每級波形結(jié)果
圖6 儲能鋰離子電池每級防護電路(1.2/50 μs, 1 kV)的暫態(tài)過電壓波形
圖7 儲能鋰離子電池每級防護電路(1.2/50 μs, 2 kV)的暫態(tài)過電壓波形
圖8 儲能鋰離子電池每級防護電路(1.2/50 μs, 4 kV)的暫態(tài)過電壓波形
進一步分析不同幅值下的差模和共模兩種輸入過電壓防護電路后每級電路的過電壓峰值，如圖9所示，在幅值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV的暫態(tài)過電壓輸入電路時，一次降壓電路、二次降壓電路和三次限壓電路輸出電壓峰值依次遞減，經(jīng)過三級電路作用后的過電壓幅值被嵌位在15.2~26.4 V范圍內(nèi)，同時，差模輸入下二次降壓電路的過電壓峰值均低于共模輸入情況，而在低電壓幅值情況下(<2.08 kV)差模輸入下一次降壓電路端口電壓峰值高于共模輸入情況。
圖9 差模和共模不同電壓幅值下多級防護電路的各級電壓峰值對比
這是因為一次降壓電路在低電壓幅值差模輸入下出現(xiàn)了接地氣體放電管未動作情況，而共模輸入該器件動作提供了過電壓泄放通道，降低了過電壓峰值。進一步結(jié)合共模輸入下二次降壓電路過電壓峰值反而高于差模輸入情況可知，所設(shè)計多級電路在低電壓幅值差模輸入一次降壓電路未完全動作情況下，依據(jù)二次降壓電路的設(shè)計和配合實現(xiàn)了后備保護作用。對于高電壓幅值情況，差模和共模兩種暫態(tài)過電壓情況直接觸發(fā)所設(shè)計電路的多級防護，在一次降壓電路、二次降壓電路和三次限壓電路的逐級降壓和能量泄放作用下，實現(xiàn)了對儲能鋰電池模組的防護。
2.2 穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測試
所設(shè)計的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路是為了解決PCS和BMS失效引發(fā)的直流電壓超出風險問題，并與上述多級防護電路配合進一步保護電池。在穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路設(shè)計中，首先設(shè)計具有自恢復功能的自開斷電路部分，依據(jù)儲能鋰離子電池模組的額定電壓和電流，進行場效應晶體管和穩(wěn)壓二極管的選型，其實現(xiàn)自開斷防護功能的動作邏輯如下：當輸入電壓處于電池模組工作范圍時，穩(wěn)壓二極管不動作，流經(jīng)電阻基極電阻的電流為零，三極管的基級和發(fā)射極不存在電壓差，此時處于截止狀態(tài)。場效應晶體管的門極電壓由電阻分壓并使場效應晶體管導通，電池模組正常充放電。當輸入電壓超過預設(shè)的電壓閾值時，穩(wěn)壓二極管會被擊穿動作，流經(jīng)基極電阻的電流不再為零，致使三極管導通，發(fā)射極和集電極間電壓為零，使得并聯(lián)的場效應晶體管門極電壓也為零，場效應晶體管關(guān)閉，實現(xiàn)儲能鋰電池模組從主電路斷開功能。當輸入電壓恢復到正常水平時，穩(wěn)壓二極管重新自恢復關(guān)斷，從而使自開斷電路具備自恢復能力。
進而設(shè)計與自開斷電路級聯(lián)的穩(wěn)壓電路部分，采用帶有電壓負反饋的Buck電路拓撲，結(jié)合使用功率集成電路芯片，實現(xiàn)介于閾值電壓和工作電壓范圍輸入時電芯模組電壓穩(wěn)定至額定電壓的功能。其中，依據(jù)電池模組額定電壓選取功率集成電路主控制元件的額定電壓參數(shù)，功率集成電路器件選用LM 2596，其開關(guān)速度為150 kHz，LM 2596降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出引腳的飽和電壓Vsat為1.5 V，并通過PCB布板設(shè)計減小該器件引腳的連接面積，降低耦合干擾的影響。在電壓負反饋的Buck電路拓撲中，反饋引腳的輸入信號通過內(nèi)部電阻R2和R1進行分壓，并饋入內(nèi)部誤差放大器的非反相輸入端口。使用邏輯電平信號控制開關(guān)調(diào)節(jié)器電路的開斷，閾值電壓設(shè)為1.3 V，輸入電壓高于1.3 V時關(guān)閉穩(wěn)壓器，從而將總輸入電源電流降至約80 μA，并在輸入和輸出端口設(shè)計鋁電解電容進行濾波，平滑輸出電壓，設(shè)計功率電感儲存能量和平穩(wěn)電流，通過肖特基二極管實現(xiàn)主開關(guān)器件關(guān)斷期間的續(xù)流。
使用BK-Precision直流電源對所設(shè)計的防護電路進行穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測試，將電源輸出分別接入防護電路的正負極端子，輸入幅值為12.5～30 V的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓。從12.5 V的輸入電壓開始，每次測試逐步提高0.5 V，待數(shù)值穩(wěn)定后檢測防護電路的輸出電壓，測試結(jié)果如表2所示。分析表2可知，在對電池模組輸入直流穩(wěn)態(tài)電壓為12.5~26 V時，通過所設(shè)計電路后的輸出電壓降為(12±0.03) V，保證了電池模組的電壓穩(wěn)定。當對電池模組輸入直流穩(wěn)態(tài)電壓增大至26.5 V以上時，所設(shè)計電路后中的自開斷功能動作，實現(xiàn)對電池模組的安全保護。此外，也多次檢測了所設(shè)計電路的自恢復功能，即輸入電壓再降到開斷閾值電壓以下時，儲能鋰電池模組可重新接入主電路，驗證了所設(shè)計儲能鋰電池模組防護電路的自開斷和穩(wěn)壓功能，可用于戶用型和工商業(yè)儲能等分布式應用場景中的過電壓防護。
表2 電池模組防護電路的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測試結(jié)果
3 結(jié) 論
本工作開展儲能鋰離子電池模組的暫態(tài)過電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開斷及穩(wěn)壓功能的一體化電路設(shè)計研究，通過器件選型、配合計算和試驗測試，研發(fā)出一種具有多級降壓-級聯(lián)穩(wěn)壓自開斷功能的電池模組過電壓無源防護電路。得到如下結(jié)論。
（1）所設(shè)計電路實現(xiàn)了儲能鋰電池模組的暫態(tài)過電壓防護功能，峰值分別為500 V、1 kV、2 kV和4 kV的共模和差模兩種暫態(tài)過電壓輸入下，多級降壓電路部分將不同幅值暫態(tài)過電壓降低至15.2~26.4 V，并具備互為后備保護功能；
（2）實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)直流超限電壓的開斷及穩(wěn)壓功能，所設(shè)計電路可將端口輸入的12.5~26.5 V超限電壓穩(wěn)定至電池模組額定電壓水平，當超限電壓進一步增大時，所設(shè)計電路可實現(xiàn)電池模組的主電路切出保護；
（3）所設(shè)計電路通過級聯(lián)實現(xiàn)了暫態(tài)過電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開斷及穩(wěn)壓功能的配合，為電池模組的安全和防護提供了參考。
