通信用磷酸鐵鋰電池維護(hù)心得

梁潤康

（中國電信股份有限公司佛山分公司）

0 引 言

隨著電信運(yùn)營商通信設(shè)備不斷趨于集成化、密集化、小型化，在有限的空間內(nèi)，傳統(tǒng)的鉛酸電池因占地面積大、環(huán)境溫度要求高等原因，難以滿足小型機(jī)房或機(jī)柜的要求，而磷酸鐵鋰電池由于體積小、高溫性能好正好解決了問題。在鋰電池中，傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料由于高溫性能差、循環(huán)壽命短等原因已不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對電池的高指標(biāo)要求，1997年發(fā)現(xiàn)的橄欖石型Li Fe PO4等不僅兼顧了現(xiàn)有正極材料（Layered Li－Co O2、Layered Li（Ni Co Mn）1O2、Spinel Li Mn2O4）的優(yōu)點(diǎn)，而且無毒、對環(huán)境友好、原材料來源豐富、容量高，特別是熱穩(wěn)定性好、安全性能優(yōu)越、循環(huán)性能突出，是最具發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池正極材料。磷酸鐵鋰正極材料的突出優(yōu)勢，可望成為中／大容量、中／高功率鋰離子電池首選的正極材料。國家“十二五”戰(zhàn)略規(guī)劃中，新能源所屬的磷酸鐵鋰鋰離子電池已經(jīng)被列為國家重點(diǎn)科技戰(zhàn)略項(xiàng)目，在其產(chǎn)業(yè)化和普及后，利于降低鋰離子電池成本，提高電池安全性，同時(shí)具有寬泛的使用溫度范圍、良好的深循環(huán)壽命、較高的能量密度、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，均使磷酸鐵鋰電池成為小型機(jī)房的理想后備電源。

1 磷酸鐵鋰電池工作原理

（1）磷酸鐵鋰電池正極材料性能見表1。

表1 鋰離子電池主要正極材料性能比較

（2）一般鐵鋰電池結(jié)構(gòu)圖見圖1。

鐵鋰離子電池結(jié)構(gòu)主要包括以下部件：正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、電池殼。

圖1 鐵鋰電池結(jié)構(gòu)圖

（3）磷酸鐵鋰鋰離子電池的工作原理圖見圖2。

圖2 鐵鋰電池宏觀結(jié)構(gòu)圖

磷酸鐵鋰聚合物鋰離子電池采用凝膠態(tài)電解液，以橄欖石型磷酸亞鐵鋰和石墨為正、負(fù)極活性物質(zhì)，經(jīng)涂布、電芯制作、注液、化成等工序制作而成。由于采用凝膠態(tài)電解質(zhì)，加以橄欖石型磷酸亞鐵鋰材料本身的的安全性能，使得磷酸鐵鋰聚合物電池具有高安全性、超長壽命和良好的高溫穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

磷酸鐵鋰鋰離子電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li＋從正極脫出，通過電解質(zhì)與聚合物隔膜向負(fù)極遷移，嵌入到負(fù)極中；反之在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li＋從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)和隔膜向正極遷移，重新嵌入到正極中。反應(yīng)方程式如下：

（4）電池組管理系統(tǒng)（BMS）工作圖見圖3。

圖3 BMS系統(tǒng)工作圖

鐵鋰電池組：鐵鋰電池，蓄能及供電部件。

保護(hù)系統(tǒng)：對鐵鋰電池組可能出現(xiàn)的過充、過放、過流、過溫、短路等進(jìn)行保護(hù)，并帶有均衡及靜置狀態(tài)無延時(shí)供電等功能。

充電管理：充電限流與放電回路管理，管理電池組快速充電、間歇式補(bǔ)充充電。

監(jiān)控模塊：支撐系統(tǒng)的集中監(jiān)控，具有遙測、遙控等功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理。

對于鐵鋰電池內(nèi)部的BMS（電池管理系統(tǒng)），一般不同廠家對充電限流的設(shè)置不同，有的充電限流值為0.2C，有的為0.1C，確保在開關(guān)電源不具備限流功能或已損壞的情況下，電池仍能保證充電電流不超過設(shè)定值。

不同于鉛酸電池，鐵鋰電池在充滿電之后并不會(huì)持續(xù)處于浮充狀態(tài)，而是立即停止充電，當(dāng)電量降低到90%左右時(shí)，再重新開始充電。鐵鋰電池的這種間歇性充電特性主要是考慮到電池使用壽命的因素。因此鐵鋰電池的正常荷電范圍為90%～100%，在需要做電池容量核對性實(shí)驗(yàn)時(shí)，最好能先做一次充放電，待電池充滿之后，再去做實(shí)驗(yàn)，以便真實(shí)反應(yīng)電池的滿荷電容量，參見圖4。

圖4 磷酸鐵鋰電池BMS系統(tǒng)間歇式充放電示意圖

其中：T1和T3為充電過程，T1為恒流－恒壓充電階段，T3為間歇式補(bǔ)充充電階段；T2為電池組開路靜置階段；T4為電池組放電過程。

2 電池的選型問題

與鉛酸電池不同，鋰電具有高倍率放電性能優(yōu)異、單體容量小等特點(diǎn)，因此在選型時(shí)需要根據(jù)鋰電的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

（1）鐵鋰電池高倍率放電特性

閥控密封鉛酸蓄電池在高倍率放電時(shí)，可放出的實(shí)際容量會(huì)隨著放電電流的增大而減少，但鐵鋰電池在高倍率放電時(shí)，其實(shí)際容量并不會(huì)受影響，參見表2。

表2 鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池放電時(shí)長對比

因此當(dāng)放電電流大于0.1 C10時(shí)，在相同的備電時(shí)間要求下，若選用鐵鋰電池，其容量可比鉛酸電池小。可按照如下公式進(jìn)行容量的選擇：

電池容量＝設(shè)備功率×備電時(shí)間÷安全系數(shù)

其安全系數(shù)一般選擇為80%。

由于鐵鋰電池放電電流在0.1C10時(shí)與鉛酸電池相同，所以本次測試以0.1C10作為對比測試電流。

（2）容量范圍

目前鋰電產(chǎn)品最大可提供50 Ah的單體，最小為10 Ah的鋰電系統(tǒng)。本次測試以大容量的50 Ah電池組作為測試對象。

3 放電測試

本次測試從兩組48 V50 Ah鐵鋰電池組成的電池系統(tǒng)展開，電池組安裝在室外一體化機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜內(nèi)溫度與室外溫度相同，通過在較大溫差及不同放出容量的放電測試，對比鐵鋰電池的放電曲線，了解BMS電池管理系統(tǒng)對鐵鋰電池的作用。

（1）用相同容量的鉛酸電池組與鐵鋰電池以約50%左右的容量放電測試對比，鉛酸電池在25℃環(huán)境下的放電數(shù)據(jù)見表3、表4和圖5、圖6。

表3 鉛酸電池放電電壓表

表4 磷酸鐵鋰電池放電記錄表（第一次）

圖5 鉛酸電池放電曲線圖

圖6 磷酸鐵鋰電池放電曲線（第一次）

通過小容量的放電數(shù)據(jù)對比，鐵鋰電池與鉛酸電池容量相當(dāng)；從放電曲線對比，鐵鋰電池放電效能更優(yōu)。為了解放電后鐵鋰電池的容量變化情況及不同環(huán)境溫度對容量的影響，分別在17℃及5℃的環(huán)境下進(jìn)行深放電測試。我們在第三次放電測試前3天，先做了一次小容量的放電（1小時(shí)）。在第二測試中，鐵鋰電池容量與第一次放電相比，出現(xiàn)較大的差異。是磷酸鐵鋰電池的電池管理模塊（BMS）由于兩組電池并聯(lián)充放電影響電池組充電效果，還是由于兩次放電時(shí)的氣溫溫差較大，低溫影響了容量輸出，均需通過再次測試才能評估出產(chǎn)生差異的真正原因。第二、三次測試結(jié)果見表5、表6和圖7～圖9。

表5 磷酸鐵鋰電池放電記錄表（第二次）

圖7 磷酸鐵鋰電池放電曲線（第二次）

圖8 放電后段曲線變化

表6 磷酸鐵鋰電池放電記錄表（第三次）

圖9 磷酸鐵鋰電池放電曲線（第三次）

圖10 放電后段曲線變化

根據(jù)第二、三次的放電曲線分析，鐵鋰電池組的容量并未受到溫度變化的影響，其電壓下降到45 V時(shí)，容量出現(xiàn)快速衰減，并在43.5 V時(shí)作出系統(tǒng)保護(hù)而斷開電池組輸出，表明電池組的BMS系統(tǒng)能起到過放性保護(hù)作用，而電池組容量在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)下降，需再檢驗(yàn)BMS管理系統(tǒng)在電池組充滿電后間歇式充電對電池組的影響及浮充電壓的理想設(shè)定值。

4 總 結(jié)

磷酸鐵鋰電池近年才在通信系統(tǒng)內(nèi)試用，其安全性、穩(wěn)定性及使用壽命還需進(jìn)一步驗(yàn)證，通過測試得出維護(hù)方面的一些體會(huì)：

（1）電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池使用壽命影響極大，需要生產(chǎn)廠家不斷提高BMS模塊的質(zhì)量及控制程序。

（2）電池組建設(shè)時(shí)，最好能同步接入動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以便第一時(shí)間掌握電池組的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步了解電池的充放電特性。

（3）鐵鋰電池組對溫度的適應(yīng)范圍廣，一般可滿足工作溫度為－20℃～＋60℃。

（4）由于鐵鋰電池組自帶有電池管理系統(tǒng)（BMS）及監(jiān)控接口，一定程度上減少了日常維護(hù)的工作量。

（5）多組電池并聯(lián)使用其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)穩(wěn)定性更高一些，當(dāng)某個(gè)模塊需要更換或者維修時(shí)，可在不斷開整體后備電源的情況下進(jìn)行更換，故障風(fēng)險(xiǎn)較低，而在充放電性能上單只使用與多組并聯(lián)使用沒有多少差異。

（6）電池組放電后段下降較快，需關(guān)注其容量變化趨勢，及時(shí)做好通信設(shè)備應(yīng)急供電。

（7）鐵鋰電池體積小，安裝簡單方便。

（8）隨著負(fù)荷提升，單體電池的負(fù)載功率最好不超過1 000 W，當(dāng)負(fù)載功率大于1 000 W時(shí)，建議采用傳統(tǒng)的鉛酸電池，所以現(xiàn)階段鐵鋰電池更適合在小型機(jī)房、基站中使用。

［1］ YDB 032－2009.通信用后備式鋰離子電池組［S］.中國通信標(biāo)準(zhǔn)后協(xié)會(huì)，2009.