锂离子电池直流电源系统浮充运行控制创新技术及应用前景 CNR218-263

项目背景

本文针对电力生产中的实际痛点，研发了锂离子电池直流电源系统浮充运行控制创新技，有效提升了作业效率与安全水平。10kV至1000kV变电站及换流站的直流电源系统长期以固定型阀控式铅酸蓄电池为主。铅酸电池存在环境污染、运行寿命有限、内部开路难以检测、核容耗时、维护成本高等问题，已难以适应电力系统对直流电源稳定性和经济性的要求。

锂离子电池因能量密度高、寿命长、维护量小，逐渐成为替代选择。锂离子电池直流电源系统由控制装置、充电装置、电流传感器及锂电池模组串构成，但在浮充运行控制上仍沿用铅酸电池的方式，导致电池长期处于满充高压状态，自放电损失无法有效补充，过充风险与容量衰减并存。

项目针对这一控制方式不匹配的问题，提出锂离子电池直流电源系统浮充运行控制新型技术，通过调整充电装置在静置和浮充阶段的输出电压，使电池既不过充也不欠充，从而延长浮充运行寿命、提高直流电源系统稳定性。

存在问题

• 环境污染与寿命短板：铅酸蓄电池在生产、使用和回收环节存在环境污染风险，且循环寿命有限，更换频繁。
• 内部开路难检测：铅酸电池内部开路故障隐蔽，常规监测手段难以提前发现，易造成直流母线失压。
• 核容耗时费力：铅酸电池需定期核容试验，耗时长、工作量大，且试验期间系统稳定性降低。
• 维护成本高：铅酸电池需要频繁补水、均充和更换，运维投入大，经济性差。
• 锂电沿用铅酸浮充方式弊端明显：锂离子电池沿用铅酸电池浮充运行控制方式时，长期满充高压导致自放电损失无法补充，过充与容量衰减问题突出。

创新目标

项目目标是解决锂离子电池沿用铅酸电池浮充运行控制方式带来的过充、欠充和寿命衰减问题，通过充电装置输出电压的动态调整，实现静置阶段不放电、浮充阶段按需补充自放电损失，避免长期浮充导致的电量不足，保持电池储备电量，适应事故全停状态下的持续放电需求，同时降低维护成本。

技术方案

系统结构上，锂离子电池直流电源系统包含控制装置、充电装置、电流传感器及锂电池模组串。控制装置采集电池状态，充电装置根据控制指令调整输出电压，电流传感器监测充放电电流，锂电池模组串作为储能主体。

操作流程分为两个阶段。充电后静置阶段，充电装置的输出电压被设定为与锂离子电池的开路电压相等，确保电池不放电，维持满电状态。进入浮充阶段后，充电装置的输出电压根据锂离子电池预期的补充电量并静置后的开路电压进行调整，既补充电池因自放电而损失的电量，又避免过充。

通过定期补充充电，该技术有效避免了长期浮充导致的电池电量不足问题，延长了锂离子电池的使用寿命。实验室验证表明，该方案能有效补充长期浮充过程中因自放电损失的电量，同时避免过充，保持电池储备电量，适应事故全停状态下的持续放电需求。

创新亮点

• 静置零放电：充电后静置阶段充电装置输出电压与电池开路电压相等，电池不放电，满电状态得以维持。
• 浮充按需补充：浮充阶段输出电压根据预期补充电量和静置后开路电压调整，补充自放电损失且避免过充。
• 定期补充充电：通过定期补充充电，避免长期浮充导致的电量不足，延长锂离子电池浮充运行寿命。
• 解决沿用弊端：针对锂离子电池沿用铅酸电池浮充控制方式的弊端，显著提高直流电源系统可靠性。
• 降低维护成本：减少核容与维护工作量，降低直流电源系统全生命周期运维投入。

落地应用效果

该技术方案已通过实验室验证，证明其能有效补充锂离子电池在长期浮充过程中因自放电而损失的电量，同时避免过充，保持电池储备电量，适应事故全停状态下的持续放电需求。这一创新解决了锂离子电池沿用铅酸电池浮充运行控制方式的弊端，显著提高了锂离子电池的浮充运行寿命和直流电源系统的可靠性，降低了维护成本。

预计产业单位转化该成果后，将带来每年200万元的收益。随着技术进一步推广，其对提高电力系统稳定性和降低运维成本的作用将更加显著。

产出物：锂离子电池直流电源系统浮充运行控制装置及配套控制策略，包含控制装置、充电装置、电流传感器与锂电池模组串的协同方案。

适用场景：10kV至1000kV变电站及换流站的直流电源系统，尤其适用于以锂离子电池替代铅酸蓄电池的新建或改造项目。

常见问题

Q：该技术是否改变锂离子电池直流电源系统的硬件结构？

A：不改变主体结构，仍由控制装置、充电装置、电流传感器及锂电池模组串构成，主要调整充电装置在静置和浮充阶段的输出电压控制策略。

Q：浮充阶段如何避免过充？

A：充电装置输出电压根据锂离子电池预期的补充电量并静置后的开路电压进行调整，只补充自放电损失的电量，不额外施加高压，从而避免过充。

Q：该技术能否适应事故全停状态下的放电需求？

A：实验室验证表明，该技术能保持电池储备电量，满足事故全停状态下的持续放电需求，同时延长浮充运行寿命。

数据来源：项目验收报告及现场应用统计，单位信息已脱敏处理。