磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的應(yīng)用探討

閆德生

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長春130012）

磷酸鐵鋰電池具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：使用安全、壽命超長、無污染、重量輕、電池體積小、自放電小，無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍廣。移動(dòng)通信、電動(dòng)汽車、國家電網(wǎng)等行業(yè)正在對(duì)其研究和使用。本文結(jié)合磷酸鐵鋰電池現(xiàn)有應(yīng)用案例，探討了磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)中的應(yīng)用，主要包括：太陽能電源、高壓直流、UPS電源、開關(guān)電源、風(fēng)力電源等方面。

1 磷酸鐵鋰電池概述

磷酸鐵鋰電池成組方案：

（1）集成式（BMS內(nèi)置）：電芯串并聯(lián)后與BMS組成一個(gè)電池組，由N個(gè)電池組并聯(lián)組成電壓等級(jí)更高，容量更大的電池組。

（2）分立式（BMS外置）：電芯并聯(lián)成一個(gè)3．2 V的大容量電池模塊，BMS為一獨(dú)立模塊，再由1個(gè)BMS與N個(gè)電池模塊串聯(lián)組成一個(gè)電池組。

（3）主從式（BMS主從結(jié)構(gòu)）：電芯串并聯(lián)后與BMU組成一個(gè)電池模塊，BMS為一獨(dú)立模塊，再由1個(gè)BMS與N個(gè)電池模塊串聯(lián)組成較高電壓的電池組。多個(gè)電池組可組成一個(gè)更大容量的電池方陣。（BMS是BMU的主控模塊）。

多種成組方案及BMS方式的性能比較如表1所示。

電池管理系統(tǒng)與電池緊密結(jié)合在一起，對(duì)電池的電壓、電流、溫度等進(jìn)行時(shí)核檢測(cè)，進(jìn)行熱管理、均衡管理、報(bào)警提示、計(jì)算剩余容量、放電功率、計(jì)算并報(bào)告SOC＆SOH狀態(tài)等，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，出現(xiàn)電池安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)，以達(dá)到延長電池壽命、安全可靠應(yīng)用的目的。

表1 磷酸鐵鋰電池成組方案性能比較

2 磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的應(yīng)用

2．1 試點(diǎn)、批量與行標(biāo)

（1）試點(diǎn)應(yīng)用：2009年起，三大運(yùn)營商漸有將磷酸鐵鋰電池應(yīng)用到通信行業(yè)中的案例。中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院電源與節(jié)能研究中心會(huì)同工業(yè)與信息化部電源質(zhì)檢中心于2009年下半年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究。2010年，中訊院與中國移動(dòng)河南公司在移動(dòng)基站進(jìn)行試驗(yàn)，建成5個(gè)試驗(yàn)站，使用10組電池。

2012年中國移動(dòng)內(nèi)蒙古公司二樞紐四樓新數(shù)據(jù)機(jī)房工程中新增一套（1＋1）×2雙總線方式的IGBT整流UPS及配套系統(tǒng)備電一小時(shí)的磷酸鐵鋰電池組；電池規(guī)格：480 V～300 kVA磷酸鐵鋰電池，F(xiàn)12200（12 V200 Ah／120節(jié)），含電池架、電池監(jiān)控模塊、監(jiān)控通訊及信息顯示等。

（2）批量應(yīng)用：2011年中國移動(dòng)河南公司建設(shè)200個(gè)試驗(yàn)站，用了4家不同企業(yè)的電池。同時(shí)，三大運(yùn)營商由各省市牽頭的鐵鋰電池招標(biāo)不斷出現(xiàn)，有的招標(biāo)單筆金額達(dá)到1 000萬RMB。2012年4月，中電信發(fā)起第一輪鐵鋰電池招標(biāo)，目前資質(zhì)預(yù)審已經(jīng)完成并開始進(jìn)入產(chǎn)品測(cè)試階段。

（3）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：YD／T2344．1－2011《通信用磷酸鐵鋰電池組 第1部分：集成式電池組》2012年2月1日實(shí)施。YD／T2344．2－2011《通信用磷酸鐵鋰電池組第2部分：分立式電池組》在編。

2．2 應(yīng)用領(lǐng)域

磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)中的應(yīng)用：

（1）高頻開關(guān)電源：小容量站點(diǎn)應(yīng)用、室內(nèi)有空調(diào)基站、室內(nèi)無空調(diào)基站、室外無空調(diào)基站、IDC中心機(jī)房。

（2）不間斷UPS：小容量未端供電、IDC中心機(jī)房。

（3）高壓直流電源：240 V 高壓直流、336 V 高壓直流等電源。

2．3 應(yīng)用中存在的問題

（1）磷酸鐵鋰電池必須配置BMS，因?yàn)殡娦疽恢滦暂^差；

（2）BMS對(duì)大容量電池的管理功能有限；

（3）高溫浮充循環(huán)壽命差（3～5次高溫浮充循環(huán)后容量降低20%～35% ）

（4）兼容性問題（UPS、SMR、主設(shè)備）；

（5）安全性問題（生產(chǎn)與使用，保護(hù)機(jī)制）；

（6）失效原因和失效模式缺乏相應(yīng)的理論和實(shí)際分析；

（7）使用壽命目前未得到驗(yàn)證，沒有做長時(shí)間的成組驗(yàn)證測(cè)試。

2．4 鐵鋰電池容量配置計(jì)算

鐵鋰電池容量計(jì)算如下：

式中，Q為蓄電池容量（Ah）；K為安全系數(shù)，取值范圍1～1．25；I為平均－忙時(shí)全局平均放電電流；η為電池放電系數(shù)；t為實(shí)際電芯的最低溫度；25為蓄電池額定容量時(shí)的電芯溫度；0．006為容量溫度系數(shù)（即電芯以25℃為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，每上升或下降1℃時(shí)所增加或減少的容量比值）。η系數(shù)如表2。

2．5 節(jié)能環(huán)保

磷酸鐵鋰電池具有：

（1）高充放電效率：95%～100%；

（2）低自放電率：＜2%；

（3）無有毒重金屬；

（4）高溫特性好。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前三大運(yùn)營商的電費(fèi)支出有45%是機(jī)房空調(diào)電費(fèi)。2008年中國移動(dòng)總耗電量93．3億度，有約40億度電為空調(diào)用電，如果都采用鐵鋰電池則可每年節(jié)約20億度電（約20×1＝20億RMB，電費(fèi)以1 RMB／度計(jì)算）。

表2 η系數(shù)取值

2．6 安裝、使用與維護(hù)方便

（1）便于搬運(yùn)：體積小、重量輕；

（2）快速安裝：集成式優(yōu)于分立式，19英寸機(jī)架模塊化，可采用快插阻燃端子；標(biāo)準(zhǔn)施工，無需現(xiàn)場(chǎng)諸多連接，施工品質(zhì)可控；

（3）監(jiān)控方便：通過鐵鋰電池通信接口，提供鐵鋰電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并支持歷史數(shù)據(jù)查詢；

（4）使用溫度：建議在0～40℃條件下使用；－10℃～55℃下其工作壽命下降很快；

（5）電池替換：集成式優(yōu)于分立式，快插阻燃端子提供在線插拔能力，便于替換；模塊化設(shè)計(jì)，風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)，系統(tǒng)安全；

（6）存儲(chǔ)擱置：自放電及BMS用電量小，可長期存儲(chǔ)，6個(gè)月～1年進(jìn)行補(bǔ)充電；建議在25℃下存放。

3 中國移動(dòng)對(duì)磷酸鐵鋰電池的初步應(yīng)用

3．1 應(yīng)用背景

閥控式密封鉛酸蓄電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信基站，對(duì)于市電穩(wěn)定的供電基站，鉛酸蓄電池仍是目前應(yīng)用的主流。

但對(duì)于無法用市電供電，或市電極其不穩(wěn)定的地區(qū)，以及太陽能、風(fēng)能等新能源的應(yīng)用場(chǎng)合，鉛酸蓄電池存在循環(huán)壽命短及對(duì)環(huán)境溫度敏感等諸多問題，磷酸鐵鋰蓄電池以其循環(huán)壽命高，充電速度快、高溫性能優(yōu)等，特別適合在較惡劣環(huán)境及新能源領(lǐng)域里應(yīng)用。

3．2 與鉛酸電池的對(duì)比

磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢(shì)明顯，如重量輕體積小、高倍率充放電性能好，循環(huán)壽命長、高溫性能優(yōu)、無污染、電壓平臺(tái)穩(wěn)定、電源系統(tǒng)電壓范圍變化小。但帶來電池管理難度稍大，不能單體過充過放、低溫性能差、過充過放、低溫過溫引起的安全隱患大、需要特殊電池管理、自均衡特性差、材料與工藝要求高、維護(hù)要求高。

磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池的性能對(duì)比如表3。

表3 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池的性能對(duì)比

3．3 影響磷酸鐵鋰電池安全性的因素

（1）過充過放電：普通鋰電池的正負(fù)極是層狀結(jié)構(gòu)，過充或過放電時(shí)可能造成層間結(jié)構(gòu)坍塌，讓電池容量永久性的下降，如果繼續(xù)充放電，后續(xù)的鋰原子會(huì)堆積于正負(fù)極材料表面，逐漸長出樹枝狀結(jié)晶，使正負(fù)極短路，甚至可能在短路發(fā)生前電池爆炸。磷酸鐵鋰電池正極是菱形結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌的幾率低，這也是磷酸鐵鋰電池安全性較好的原因之一，但過充過放導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)一樣不容忽視。

（2）充電電流過大：鋰離子來不及進(jìn)入層間，會(huì)聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬一電池外殼破裂，就會(huì)爆炸。

（3）過溫：鋰電池的電解液主要成分是有機(jī)的碳酸酯，在高溫下會(huì)分解出可燃?xì)怏w，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高。

（4）外短路：當(dāng)電芯外部發(fā)生短路，電子組件又未能切斷回路時(shí)，電芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高熱，造成部分電解液分解，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高。

3．4 通用原則

鐵鋰電池高溫性能、循環(huán)壽命與體積重量遠(yuǎn)優(yōu)于鉛酸電池，相對(duì)于通信電源，戶外電源、車載、移動(dòng)電源應(yīng)用鐵鋰電池好處更多，推廣前景更好 。

低溫下（＜5℃）鐵鋰電池存在較大應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。因此對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)要求電源監(jiān)控或BMS控制加熱器，避免溫度過低。

戶外電源電池容量往往較小，要求BMS工作時(shí)功耗小，系統(tǒng)安裝前及電池下電后要求BMS有休眠功能或其它低功耗措施，否則電池與BMS的自放電可能使電池過放而不能恢復(fù)。

目前在供電可靠性要求特別高的場(chǎng)合，如通信用高壓直流電源系統(tǒng)，一級(jí)、二級(jí)干線樞紐中心等，磷酸鐵鋰電池宜慎用。

4 結(jié)束語

磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定，未來將要替代鉛酸電池的使用，大大降低通信設(shè)備的建設(shè)資金和維護(hù)成本。普及磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用技術(shù)，有利于產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)踐的最大化，推動(dòng)通信行業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展。