磷酸铁锂电池在通信行业的应用剖析.docx

1、磷酸铁锂电池在通信行业的应用剖析磷酸铁锂电池在通信行业的应用剖析林培桂 第二设计院导读：磷酸铁锂电池是一种正极材料为磷酸亚铁锂（LiFePO4）的新型蓄电池，由于铁电池具有循环寿命长、耐高温、体积小、重量轻、无污染等优点，移动通信、电动汽车、国家电网等行业都在对其进行研究和使用。磷酸铁锂电池虽然进入通信行业已经有很长的一段时间，但是各运营商对其并没有广泛的应用推广。鉴于磷酸铁锂电池在通信行业有着广阔的应用前景，近年来，移动、联通电信等各大运营商都在研究院和电池厂家的初步论证下建立了多种铁锂电池的试验站点，探究铁电池的节能减排效益。因此熟悉磷酸铁锂电池技术特性，并掌握磷酸铁锂电池的设计及配置原则

2、势在必行。本课题的研究首先对磷酸铁锂电池工作原理及技术特点进行剖析，并通过铁锂电池与目前通信用铅酸电池等其他类型电池进行对比，让设计人员对磷酸铁锂电池的特性有一个充分的了解，随后通过解读磷酸铁锂电池的应用场景和通信基站上应用的可行性分析，使设计人员能根据不用的应用场景选择合理的磷酸铁锂电池配置。摘要 剖析了磷酸铁锂电池的工作原理及技术特点，分析了磷酸铁锂电池的技术缺陷和在应用中面临的问题，使设计人员对磷酸铁锂电池有一个初步的概念，并在此基础上深入研究了磷酸铁锂电池的应用场景和应用可行性，结合厂家的一些试验和研究情况，提出了磷酸铁锂电池的技术建议。关键词 磷酸铁锂电池 能量密度 高温 高功率放电

3、 BMS 一、引言1990年，索尼公司率先在实验室推出了以LiCoO2为正极材料的锂离子电池，并于1991年开始产业化生产。与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池在工作电压、能量密度、循环寿命等方面都具有显著优势。所以，在过去的二十年间锂离子电池被广泛应用于便携电子设备、电动工具等领域。而近几年，随着全球对节能减排的关注，锂离子电池也逐渐被应用于通信、国家电网以及电动汽车等多种行业。对于通信电源行业节能减排来说，要求蓄电池体积更小、重量更轻、寿命更长、更耐高温、维护更容易、性能更稳定、更环保等，因此为了顺应这些需求，锂离子电池也正逐渐向大容量电池方向转变，通信用磷酸铁锂电池应运而生。2007年中国

4、通信电源研讨会指出：我国有必要研究通信用后备式锂离子电池组技术，及时满足我国通信行业海内外新型锂电备电解决方案的市场需求，并切实有效地将我国现代通信后备电源技术与国际先进技术接轨。中国电信提出了“光进铜退”战略对在信号传输时后备电源解决方案有了更高的要求。中国联通和中国移动都提出了在远端通信业务接入设备和中小型通信基站使用锂离子电池作为后备电源的迫切要求。由于通信用磷酸铁锂电池与传统的铅酸蓄电池相比，具有能量密度高、安全性强、高温性能好、高功率输出、长循环寿命和环保等优点，因此其相比传统的铅酸蓄电池更能体现 “节能”、“节材”、“节地”等节能减排工作的需求。近年来，移动、联通和电信等各大运营商

5、都在研究院和电池厂家的初步论证下建立了多种铁锂电池的试验站点，探究铁电池的节能减排效益。下面将从技术分析入手对磷酸铁锂电池的优缺点进行剖析。二、磷酸铁锂电池技术分析1.磷酸铁锂电池概述铁锂电池的组成结构中包括：正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、密封圈、PTC（正温度控制端子）、电池壳等。其中正极材料、负极材料、电解质以及隔膜的不同或者工艺的不同，对电池的性能和价格有着决定性的影响。磷酸铁锂电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-

6、不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。图1 磷酸铁锂电池的内部结构LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。2.通信用磷酸铁锂电池的组成通信行业用蓄电池常用的电压等级有2V 和12V，与直流开关电源系统配套使用的蓄电池组电压等级为24V、48V，与UPS交流电源系统配套使用的蓄电池组电压等级为24V、36V、48V、96V、240V、384V等。常用的蓄电池组容量等级从25A

7、h、65Ah、100Ah、150Ah、200Ah、500Ah、1000Ah不等。为满足通信行业需求，磷酸铁锂电池产品形式主要有12V、48V模块两种类型，容量等级为10Ah、20Ah、50Ah、150Ah、200Ah等，电池模组通过串并联，可以行成多种电压等级、多种容量的电池组，满足开关电源和UPS备电的各种需求。（1）单体电池一般的磷酸铁锂电池的单体电池制作工艺包括：配料、正负极涂布、辊压、切模、叠片、焊接、电芯干燥、注液、化成、分容等步骤。制作成品的单体电池要经过高温老化测试以及一系列安全性能测试。铁锂电池单体电池如图2所示。 图2 铁锂电池单体电池（2）电池模块通信用磷酸铁锂电池一般采用

8、模块化的结构。一个48V/50Ah的电池组模块，一般由15或16个50Ah的电池电芯串联组成。48V/50Ah的电池组模块如图3所示。48V/50Ah嵌入式电池组模块，占用19英寸标准机架的3U4U的使用空间。大容量的电池组系统，可通过多个电池组模块并联组成。大容量电池组系统如图4所示。图3 48V/50Ah电池组模块图4 大容量铁锂电池系统（3）BMS管理系统磷酸铁锂电池BMS串联在电池模块与电源之间，其主要作用是监控电池的实时状态、防止电池出现过充电和过放电、提高电池的利用率、延长电池的使用寿命、保障电池的安全使用。如果BMS因设计不合理、器件不良，就会造成铁锂电池与电源不能正常匹配应用、

9、降低系统可靠性，直接造成电池脱网及系统断站。BMS应具备以下几个基本功能：1）电池基本参数(电压、电流、温度)的测量；2）电池状态检测及保护(过充、过放、过流、短路、过温等)3）电池平衡管理：可以实施均衡动作，调节电池一致性，在模块化电池应用中，均衡模块可以实现电池适配与平滑替换；4）智能间歇性充放电管理；5）热系统管理：由于铁锂电池的工艺的原因，使铁锂电池在使用过程中会出现热分布不均匀的现象。热系统管理使热分布不均匀的现象得到有效调节；6）电池健康度评估(SOH)7）电池剩余容量估算(SOC)8）通讯管理：实现和开关电源监控模块以及基站机房监控系统的通讯。3.磷酸铁锂电池技术优势磷酸铁锂电池

10、与传统的铅酸蓄电池相比，具有以下优势：（1）能量密度高：标称电压为3.2V，能量密度是传统铅酸电池的4倍左右；（2）体积小、重量轻；（3）安全性强：磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定，电池不燃烧、不爆炸、安全性好；（4）高温性能好：外部温度55时电池正常工作；（5）高功率输出：标准放电为0.2C、可3C充放电；（6）长循环寿命：常温1C充放电，单体经2000次循环后容量仍大于80%；长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池寿命

11、在11.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，理论寿命将达到78年。综合考虑，性能价格比理论上为铅酸电池的4倍以上；（7）无记忆效应：可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电；（8）环保：整个生产过程清洁无毒，所有原料都无毒。以额定容量40Ah为例，对铅酸电池和磷酸铁锂电池进行比较，如表1所示，磷酸铁锂电池在体积、高温放电性能及循环寿命方面都有明显的改善。表1 磷酸铁锂电池与传统铅酸电池对比电池类型铅酸电池磷酸铁锂电池结论额定容量/Ah40

12、40-体积比能量/瓦时（dm3)-180.8206.5提升155%质量比能量/瓦时kg-128.5106.7提升274%常温放电性能/Ah0.2C(8A)4043提升8%1C (40A)2843提升54%5C (200A)2040提升100%低温放(-20 )电性能/Ah0.2C (8A)2030提升50%1C (40A)1232提升167%高温放电性能/Ah40高温55放电性能提升8%40A放电达43Ah自放电充电状态搁置28天后放电达35自放电最小，初始容量：43，充电状态搁置28天后放电达41.5更好的稳定性循环寿命（次）寿命最短，深充放到达500次后报废寿命最长，深充放到达4700次，

13、容量还大于35Ah，剩余容量超过85%更长的循环寿命环保铅酸电池中的铅对人体有害，污染环境锂离子电池所用材料都对人体无害，属于绿色环保电池环保下面结合厂家和研究院的一些试验数据对磷酸铁锂电池的主要优势进行解析。（1）体积小、重量轻、能量密度高对于民用住宅内的站点，可节省承重加固的费用，进一步加速站点的建设，“节材”优势更加明显。图5 铁锂电池与铅酸电池能量密度对比图（2）高温性能优异优异的耐高温性能可成倍增加户外站电池的寿命，降低维护及更换电池费用，提供系统可靠性；此外在有空调的基站中，可以尝试将空调设置为35度时启动，能有效降低基站平均电耗，“节能”优势更加明显。磷酸铁锂电池随温度的上升而增

14、加，随温度的下降而降低。图6描述了铁锂电池的高温特性。图6 铁锂电池高温下放电特性图7 铁锂电池电芯极柱温升电芯内阻很小，1小时率放电最高温升点的温升不超过10,10分钟放电率，最高温升点的温升不超过20。图8 铁锂电池55高温下循环寿命55环境下循环寿命在2600次以后还保持额定容量的67%，1400次以后还剩余额定容量的80%。图9 铁锂电池寿命曲线铁锂电池寿命与温度的关系：二端温度影响明显（45, 56.4VDC优点1）成本略低：相较于16颗单体电池组成的电池，15颗体系略低一点；1）单体电芯充电电压略低，电池寿命更长一点；2）电池单体容量得到更大利用：2）低温性能略好。3）可不变更现网

15、开关电源充电参数；缺点1）充电电压略高，电池寿命略有影响；1）成本略高：相较于15颗单体电池组成的电池，16颗体系略高一点；2）低温性能略差。2）需调高现网开关电源充电参数；3）电池单体容量使用率略小：充电电压略低，充进的电能略少；综合说明1） 15及16颗电池单体串联成48V电池都可以正常应用。2） 16颗电池单体成组体系，增加一颗电池单体，成本略有上升，低温特性较好，需要调高现网开关电源充电参数。3） 中华人民共和国通信行业标准YD/T 2344.12011（“通信用磷酸铁锂电池组”），已明确采用16颗电池单体成组体系。由以上的对比可以得出结论：1）16电芯串联的技术方案的低温性能相比15

16、电芯串联的技术方案要好，低温环境下，建议使用16串的电池模块，因为当温度降低时，电极极化速度较慢，此时应该提升充电电压来对铁锂电池完成充电。2）对于铅酸电池而言，浮充电压是防止电池自放电，均充电压用于调整单体电池的均衡性以及深度放电之后的快速补充充电，在使用了铁锂电池之后，不存在这种需求，因此可以直接使用一个电压值对电池进行浮充，或者通过调整均充周期来进行。这种情况适用于部分存在开关电源无法调整浮充电压的站点。（2）BMS管理系统和开关电源的兼容问题当前大部分BMS的保护功能是将铁锂电池进行切断，脱开系统，来实现对电池的保护功能，但是同时这样对电源系统来说也是一个隐患。在实际应用过程中，存在当

17、BMS对电池进行过放电保护动作之后，市电来电时开关电源无法恢复对铁锂电池组系统充电的现象。铁锂电池深度放电之后，BMS对电池进行保护，采取保护措施之后铁锂电池端电压为0V，而目前基站所使用的部分厂家的开关电源如果检测到电池端为0V，将认为设备后端没有负载，不输出电压对电池进行充电。因此应该结合整个直流电源系统，使铁锂电池的BMS管理系统和开关电源的监控系统合理兼容，共同实现对铁锂电池的管理和保护，实现在最大程度发挥铁锂电池功能，对铁锂电池进行充电管理的同时，也达到保护铁锂电池的目的。以某站点使用的华为开关电源为例，在铁锂电池实际应用当中，电池休眠状态下电压为0V，当市电恢复的时候，开关电源检测

18、不到电压值，无法输出电压对电池充电。但华为开关电源此时会输出电压值为5V的信号检测后端电池是否有电压值，如果对铁锂电池的BMS进行改进，使系统能检测到开关电源输出的5V电压值，并开始对铁锂电池进行充电，将能解决目前存在的这种问题。各运行商所使用的主流开关电源厂家，在实验室中经过测试，都可以解决此类问题。另外，对于具备自动唤醒功能的 BMS，也应该充分考虑到与开关电源的兼容问题。（3）铁锂电池过放电铁锂电池过放电不会造成电池的损坏，充电后电池容量得到恢复，而且目前铁锂电池模块的BMS都有过充电和过放电保护功能。但是如果铁锂电池过放电，电池组模块中落后的电池将率先放电到0V，此时存在出现电池极性反

19、转的可能性。经厂家测试，该极性反转的电池会造成永久性损坏。因此，BMS在铁锂电池模块中扮演着非常重要的角色。可以看出，正是由于磷酸铁锂电池的这些问题，使得铁锂电池在通信基站中大批量应用存在了诸多难度，而理解这些问题并在试点应用中不断的解决变得尤为重要。设计人员在涉及通信基站应用铁锂电池的时候，必须考虑到这些问题，并根据现场实际情况对问题进行判断。四、应用磷酸铁锂电池的可行性分析及技术建议1.磷酸铁锂电池适用场景磷酸铁锂电池由于具有体积小、重量轻，高温性能突出，再循环使用寿命、安全性能优异，可高倍率充、放电，绿色环保等众多优点。（1）更适用于环境温度高、机房面积及承重小等恶劣的基站环境。在末端供

20、电后备电池方面可作为铅酸蓄电池的有效补充；（2）磷酸铁锂电池更适合配置成备用电源或一体化电源，可以方便地挂在楼道墙壁上、安装在楼顶上及固定在电线、灯杆上。内置的铁锂电池根据不同场景、备电要求，容量在30AH100AH区间选取。产品以10mS以下的转换时间、长备电时间、40dB以下的噪音、90%以上的效率、60度高温下正常使用、8年以上的使用寿命等稳定可靠的性能。适合于室分系统、CBO/CBOE、MBO、室外一体化基站、WLAN、XPON等各种应用场景。能大大降低通信设备的退服率、投诉率，同时能更好的起到节能减排的作用；（3）磷酸铁锂电池可以应用于诸多场景，可针对性地避免在工业园区、校园区、高级

21、写字楼、居民小区、大型商场、大型超市、大型酒店、宾馆、交通枢纽、业主定时拉电室分及WLAN系统等各个实地场景所带来的困难，如地理位置、温度变化、居民情况、市电情况等问题。磷酸铁锂电池的主要应用场景包括以下几种：1）边远农村偏远的农村，规模小、配置小，基本上都没有空调，而且停电频繁，铅酸电池在恶劣环境下工作的寿命短、更换频繁、偏远农村的维护成本高。改用铁电池，则高温性能好、可深度充放电，循环寿命长，体积小、重量轻，安装轻便，同时还能改善网络供电质量。 2）室外一体化基站室外通信基站太阳直射，内置的铅酸蓄电池寿命通常不超过2年，采用磷酸铁锂电池，耐高温性能优异，寿命达到5-10年。带3个RRU+BBU的室外一体化新建基站，2个仅3U机箱组成48V/1