磷酸鐵鋰電池在25℃以上環境溫度測試研究

楊燕平，鄭發秀，湯志剛

（1 中國移動通信集團浙江有限公司，杭州 310006；2 中國移動通信集團設計院有限公司浙江分公司，杭州 310020）

1 引言

傳統鉛酸蓄電池對工作環境的需求高，已凸顯出其在通信基站特殊場景使用的局限性。各種新型儲能設備的應用層出不窮，磷酸鐵鋰電池已廣泛應用到計算機系統，而在通信系統的應用情況，在行業里的驗證已較為完善，得出結論也皆為類同。當前，磷酸鐵鋰電池在通信系統得不到較為廣泛的應用，主要原因是其設備的價格相對略高；充放電受到BMS的控制不適應通信系統要求。隨著國家對環保的投入力度加大，行業應用技術不斷研發，磷酸鐵鋰電池在不久將來會得到廣泛使用。針對現階段通信網絡建設的特殊場景（高溫環境下），對磷酸鐵鋰電池進行測試，進一步驗證在各種環境溫度的充放電性能情況。

2 鐵鋰電池工作原理

電池一般包括：正極、負極、電解質、隔膜、正極引線、負極引線、中心端子、絕緣材料、安全閥、密封圈、PTC（正溫度控制端子）、電池殼等。其中正極材料、負極材料、電解質以及隔膜的不同或者工藝的不同，對電池的性能和價格有著決定性的影響。

通常所稱的鋰電池，是以各種含鋰材料為正極材料的電池，目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4），另外還有少數采用鎳酸鋰（LiNiO2）以及二元/三元聚合物作正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）材料作電池正極的鋰離子電池。

LiFePO4電池的工作原理是：電池充電時，正極材料中的鋰離子脫出來，經過電解液，穿過隔膜進入到負極材料中；電池放電時，鋰離子又從負極中脫出來，經過電解液，穿過隔膜回到正極材料中（鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的，所以鋰離子電池又稱“搖椅電池”）。

由于當前正極材料和生產工藝水平限制，磷酸鐵鋰電池的單體電池之間尚不能達到性能的完成一致，在通過串并聯方式組成電池組后，個別單體存在著過充或過放，過大電流，溫度過高，短路或漏電等問題，需在每組電池中配置電池管理系統（BMS），以避免問題的出現。

3 鐵鋰電池測試研究

為了貼近磷酸鐵鋰電池的應用場景，深入了解鐵鋰電池的充放電性能，在測試過程中，選用小容量（40 Ah/ 48 V）在實驗室進行測試，中容量（500 Ah/48 V）在試點站進行測試。

3.1 小容量鐵鋰電池測試情況

3.1.1 測試選用設備

擇小容量40 Ah/48 V磷酸鐵鋰電池組在實驗室進行測試，環境溫度分別設置在25℃和50℃，放電電流分別設置20 A/48 V和40 A/48 V，如圖1、圖2所示。

3.1.2 實驗室測試情況

電池組在20℃和50℃環境下，分別以0.2 C恒流充電，當單體電池的均充充電電壓為3.55～3.60 V，改為恒壓充電，直至電流小于或等于0.02 C結束。放在預先設定好的恒溫箱中25℃和50℃恒溫閑置2 h，然后按照表1規定電流大小放電，記錄放電時間。

從圖1和圖2電池的充放電曲線表明，磷酸鐵鋰電池可以適應開關電源的充放電系統，當放電電壓下降至45.5 V時，蓄電池組可提供約85%左右的放電容量（因開關電源設置一次下電門限，因此沒有完全放電）。

3.2 中容量鐵鋰電池測試情況

3.2.1 測試選用設備

選擇中容量500 Ah/48 V磷酸鐵鋰電池組在試點站市電停電的狀態下進行測試，環境溫度約在35～45℃，放電電流分別設置5.5 A/48 V。

3.2.2 試點站測試情況

試點站設備的充放電情況分析如圖3、圖4所示。

圖1 40 Ah/48 V分別在25℃和50℃溫度、不同電流下放電端電壓變化情況

圖2 40 Ah/48 V分別在25℃和50℃溫度、不同電流下放電的容量變化情況

表1 40 Ah/48 V鐵鋰電池在不同溫度環境下測試結論

以上數據是試點站充放電曲線，市電停電約20h的實際數據，數據通過電池系統（BMS有數據存儲功能）里面提取。從數據中可以看出蓄電池能夠適應開關電源的充電系統，并在市電停電的情況下正常供電，可保證通信設備不斷電正常運行。

4 磷酸鐵鋰電池應用場景

通過在試點站和實驗室不同環境溫度下的測試情況，磷酸鐵鋰電池可在通信領域得到較廣泛推廣應用，特別在環境惡劣的室外街道站、分布系統、戶外OUN接入等場景進行應用。磷酸鐵電池可以充分發揮其工作溫度范圍寬、體積小、重量輕等優勢，可有效代替了鉛酸蓄電池作為后備電源設備。

圖3 充電曲線

圖4 放電曲線

5 結論

經上分析，磷酸鐵鋰電池在各種環境溫度下使用，可參考結論如下：

（1）磷酸鐵鋰電池可滿足較高環境溫度和大電流的場景使用。

（2）受到BMS管理控制，單體電芯出現放電欠壓保護時，出現了輸出的直接切斷，與傳統鉛酸電池相比較，有一定的差異。

（3）在實驗室測試過程中發現，當環境溫度較高（40℃以上），且放電電流較大時，存在著電池放電時長的縮短，主要原因是BMS中的MOS管器件出現高溫保護而中止放電。

（4）磷酸鐵鋰電池如果推廣應用，不僅需對電池原材料和生產工藝進行提升，更需要對BMS的原器件進行技術改進。

[1]高健，石偉宏，武亞波，等.談磷酸鐵鋰電池的工作原理及在高壓直流供電系統中的應用.UPS應用, 2011（9):35-40.

[2]磷酸鐵鋰電池廠家技術交流材料及測試所得數據.