钛酸锂电池在计量终端上的应用研究

钛酸锂电池在计量终端上的应用研究

王鹏刘攸坚傅子明

（广东电网有限责任公司佛山供电局）

关键词：计量终端；电池；钛酸锂

一、引言

本文介绍一种新型的计量终端备用电源供电系统，该系统应用了钛酸锂电池。钛酸锂电池具有单体电压高、充放电电流大，高低温性能好、循环次数多等优点，通过对该电池在计量终端上的应用，能有效减少计量终端的运维工作，带来较高的经济价值。

二、研究背景现状和发展趋势

计量终端包括负荷管理重点、配电管理终端和集中器等设备，该类型的设备已经广泛应用于供电运行计量现场；由于技术规范中对计量终端有停电事件上报和停电后通信3次的要求，所以必须采用后备电源设计。

目前计量终端的后备电源采用镍氢电池，配合充放电管理电路，在有交流电源的时候对镍氢电池进行充电，交流电断开的时候由镍氢电池通过升压电路给计量终端进行供电，保证其停电后正常运行。

在现场应用中，计量终端的备用电池存在寿命短，维护工作量大的问题。计量终端的设计寿命为10年，但后备电池更换周期为1~3年，大大增加了计量终端的运维工作。本技术的研究，对如何在保障安全运行的基础上，提高计量终端备用电池的使用寿命。

三、技术关键与分析

1）镍氢电池-镍氢电池是一种应用很广泛的电池，于1991年开始商用至今已经27年了，是一种成熟稳定的二次电池解决方案。它的正极活性物质为一般为Ni（OH）2（或者称NiO电极），负极活性物质一般为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电极），电解液一般为6mol/L氢氧化钾溶液，充放电化学反应如下：

正极：Ni（OH）2+OH-=NiOOH+H2O+e-；负极：M+H2O+e-=MHab+OH-；

总反应：Ni（OH）2+M=NiOOH+MH（注：M：氢合金；Hab：吸附氢；反应式从左到右的过程为充电过程；反应式从右到左的过程为放电过程。）

镍氢电池在充电时正极的Ni（OH）2和OH-反应并生成NiOOH和H2O，同时释放出e-一同生成MH和OH-，总反应是Ni（OH）2和M生成NiOOH，储氢合金储氢；放电时与充电相反，由MHab释放H+，H+和OH-生成H2O和e-，NiOOH、H2O和e-又重新生成Ni（OH）2和OH-。镍氢电池的标准电动势为1.319V，一般标定电压为1.2V。

由镍氢电池的构成和工艺可知该类型的电池有以下特点：

可密封，耐过充放电能力强

无树枝状晶体生成，可防止电池内短路

能量密度低（相对于锂电池）

电压低，需要多节串联，进一步影响能量密度

循环次数少

2）钛酸锂电池-钛酸锂电池是一种采用钛酸锂（LTO）材料作锂离子电池负极材料制作出来的一种可充电电池。它与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V的锂离子二次电池。

钛酸锂（Li4Ti5O12），是一种面心立方尖晶石结构材料，其常用的化合物分子式为AM2O4，空间群为Fd3m，晶胞参数a=0.836nm。这种尖晶石结构对锂离子有一定的容纳空间，通俗来说一个钛酸锂能容纳3个锂离子。在充放电的时候，锂离子嵌入和脱嵌对钛酸锂材料的结构几乎没有影响，因为钛酸锂的晶型结构只有容纳作用几乎没有发生变化，其a值仅从0.836nm增大到0.837nm。这种现象在行业内被称为“零应变”现象，因此钛酸锂也被称为“零应变材料”。钛酸锂的这种性质对电极材料来说具有重要的作用，它能够避免充放电过程中由于材料的伸缩变化而导致结构发生变化，从而提高电极的性能和减少比容量的大幅度衰减，大大延长了电池的使用寿命。钛酸锂电池具有以下几个特点：

安全稳定性好：传统的锂离子电池，碳电极在嵌锂之后一旦过充，在电极的表面很容易析出金属锂，其与电解液接触发生反应会产生可燃性气体，存在安全隐患。而钛酸锂的电势比纯金属锂的电势还高，基本不会产生锂晶枝，所以放电电压趋于平稳，因此提高了锂电池的安全性能。我们通过第三方机构对钛酸锂电池样品进行测试发现，在针刺、挤压、短路等严苛测试下，钛酸锂电池不冒烟、不起火、不爆炸，其安全性远高于其他锂电池，所以也有很多业内人士认为钛酸锂也十分适合用在对电池稳定性要求极高的军工等领域。

充电性能优异：与传统的碳负极材料相比，钛酸锂材料具有较高的锂离子扩散系数，可进行高倍率的充放电。钛酸锂电池在大大缩短了充电时间的同时，对循环寿命的影响较小，热稳定性也较强。据我们通过第三方机构的测试，最新的钛酸锂电池十分钟左右即可充满，相对于传统的二次电池有了质的飞跃。

循环寿命长：相较于其他的传统锂离子电池，比如磷酸铁锂电池，在其使用过程中会出现容量大幅衰减、寿命缩短的问题，影响了用户的正常使用，还增加了电池更换成本。而钛酸锂电池在充放电时，由于锂离子嵌入和脱嵌不会造成钛酸锂晶型结构的变化，因此对钛酸锂材料的结构几乎没有影响。正因如此，钛酸锂也被称为“零应变材料”。钛酸锂电池与当前“慢充最多使用5年、快充最多使用2年”的磷酸铁锂电池相比，优势十分突出。根据我们委托的第三方试验数据测定，普通锂离子电池循环使用寿命平均为3000次，而钛酸锂电池完全充放电循环次数可达2万次以上，这也意味着，钛酸锂电池可以做到与计量终端同生命周期，局方在实际使用中不需要更换电池，几乎不增加后期维护成本。

宽温性能较好：由于钛酸锂电池的尖晶石结构具有三维锂离子扩散通道，因此钛酸锂电池在高低温性能上的表现也十分优异。一般传统电池在零下10℃时充放电就会出现问题，而钛酸锂电池耐宽温性能良好，耐用性强，在零下50℃到零上80℃均可正常充放电，无论是在冰封的北国，还是在炎热的南方，计量终端的后备电源都不会因电池的“休克”而影响工作，消除了用户的后顾之忧。

3）技术要求-南方电网公司在负荷管理终端、配变管理终端和集中器的技术规范中均对备用电源做了要求，要求如下：

终端停电时，备用充电电池应至少维持上报3次终端掉电告警的能力。备用电池采用4.8V可充电电池或电池组；额定容量≥600mAh。尺寸不大于50mm×32mm×21mm，可放入终端电池盒中。

计量终端尺寸及电池尺寸要求

钛酸锂电池单节电压为2.4V，两节电池串联为4.8V，供电电压上可满足电网公司的技术要求；容量为450mAh的单节钛酸锂电池体积尺寸为47mm×15mm×15mm，两节串联后总体积尺寸为47mm×30mm×15mm，也是负荷技术要求的规定。容量上虽然钛酸锂电池组容量只有450mAh，但是由于其循环次数高，寿命长，所以不需要类似镍氢电池一样预留较大的余量空间，也可以节省电池成本。

通过计量终端实际使用环境的模拟测试，容量为450mAh的钛酸锂电池组在计量终端停电的条件下，可保持计量终端联网通信1小时，完全满足计量终端的实际使用要求。

4）电池保护-虽然钛酸锂电池的可靠性和安全性比传统锂离子电池有大幅度的提升，但是如果对电池过度的充放电还是会影响电池的寿命。计量终端的厂家五花八门，每个厂家的充放电电路设计各不相同，为了提高钛酸锂电池的适应性，所以为电池组设计了一个保护电路，使电池组避免工作在极限状态，提高电池寿命，甚至是计量终端损坏也不至于损坏电池。

保护电路框图

保护电路核心是锂电池专用的保护IC，采用型号为MT4005锂离子电池充电保护芯片，该芯片具有电池正负极反接保护，采用恒定电流/恒定电压线性控制；芯片采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部检测电阻器和隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。

四、部分实验对比数据

1）充放电循环试验

从试验结果可看出来，镍氢电池经过800次的充放电后，其容量只剩下70%；而钛酸锂电池经过8000次的充放电后，其容量仍然有95%；由此可见钛酸锂电池的寿命至少是镍氢电池的10倍以上。

2）高低温放电试验

从试验结果可看出来，镍氢电池在60℃的高温和-20℃低温的条件下，只能放出50%的能量，效率比较低下；而钛酸锂电池在80℃高温的条件下还能放出100%的能量，在低温-40℃的条件下还能释放出50%的能量；由此可见钛酸锂电池在高低温的放电能力比镍氢电池较强。

五、结束语

通过本课题的研究和对比，钛酸锂电池相对于传统的镍氢电池，具有长寿命、放电电流大、工作温度宽等优势，非常适合应用在计量终端的后备电源上。通过在计量终端上应用钛酸锂电池技术，在保证安全可靠的基础上，可解决计量终端长期以来需要经常更换备用电池的弊端，可实现后备电源电池的电池与计量终端同寿命，实现免维护，从而降低运维班组的工作量，带来一定的经济效益，有较大的推广价值。

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