磷酸鐵鋰電池在通信行業應用中的若干問題探討

張紅源

南京奧聯信息技術有限公司 210019

摘要：本文通過對磷酸鐵鋰電池的技術特性分析，結合當前正在進行的磷酸鐵鋰電池測試、試點應用情況，主要對磷酸鐵鋰電池在通信行業應用中的一些主要問題進行探討分析。

關鍵詞：磷酸鐵鋰電池；充放電特性；充放電電壓；BMS 容量計算

一、目前，在通信行業中所大量使用的閥控式密封鉛酸蓄電池，經過數年的建設及運行維護經驗總結，主要存在能量密度低、運行環境溫度要求高、放電效率低、壽命短、鉛污染嚴重等弱點。

隨著業務的發展、節能減排的需要，在新形勢下通信行業對蓄電池有了更好的要求，需要革命性的技術進步才可以解決上述問題，為了加快磷酸鐵鋰電池在通信行業的推廣應用，中國移動正積極開展試點研究工作，探索中國移動引入磷酸鐵鋰電池的安全性、適用性和經濟性。

本文通過對磷酸鐵鋰電池的技術特性分析，結合磷酸鐵鋰電池測試、應用情況，主要對磷酸鐵鋰電池在通信行業應用中的一些主要問題進行探討分析。

二、磷酸鐵鋰蓄電池技術特性

二（一）磷酸鐵鋰蓄電池工作基本原理

磷酸鐵鋰電池工作基本原理與鉛酸電池完成不同。電池充電時，Li+從磷酸鐵鋰材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場力的作用下，進入電解質，穿過隔膜，再經電解液遷移到負極石墨晶體的表面，然后嵌入負極石墨材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箔，經極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔電極，再經導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。

電池放電時，Li+從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解質，穿過隔膜，再經電解質遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的材料中。與此同時，電子經導電體流向負極的銅箔電極，經極耳、電池負極柱、負載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。

二（二）磷酸鐵鋰電池充放電特性

磷酸鐵鋰電池充電時，可分為恒流充電和限壓充電兩個過程，首先是恒流充電，當電池電壓達到3.6V時電池轉入3.6V恒壓充電，直至電流減小至初始充電電流的10%或者為零。磷酸鐵鋰電池放電時，放電電壓非常平穩，一般在3.2V左右，放電后期（主要指剩余的10%容量）的電壓變化較快，放電的截止電壓一般可以到2.5V左右。

二（三）磷酸鐵鋰電池溫度特性

通過大量實驗表明：環境溫度對磷酸鐵鋰電池充、放電性能和循環壽命有一定的影響。

二（三）①環境溫度對電池充電的影響

由于磷酸鐵鋰材料自身的電化學特性，該電池的低溫充電性能稍差，充電溫度要求在-10℃以上，否則電池的不可逆容量會隨著溫度的降低而升高。

二（三）②環境溫度對電池放電的影響

環境溫度對磷酸鐵鋰電池放電影響相對鉛酸蓄電池要小很多，對同等規格的兩種蓄電池進行溫度特性測試，磷酸鐵鋰電池要比密封閥控鉛酸電池容量高出20%左右。

二（三）③環境溫度對電池循環壽命的影響

通過對50Ah/3.2V磷酸鐵鋰電池在不同環境溫度下進行循環壽命測試發現：常溫時（25℃左右），電池循環壽命約為2000次，60℃溫度時，電池循環壽僅為25℃時的一半。

三、磷酸鐵鋰電池充、放電電壓設置問題

三（一）磷酸鐵鋰電池充電電壓設置

磷酸鐵鋰電池充電過程中，首先是恒流充電，電池電壓初期有較大上升，之后趨向平緩，當電池電壓上升到3.6V時表明電池已充滿，此時電流迅速減小至初始充電電流的10%或者為零，電壓迅速上升。如果此時不對充電電壓進行限制，電池很快就發生過充電，其電池過充特性情況如圖1-1所示：

圖1-1：磷酸鐵鋰電池過充特性曲線

當電壓達到約4.2V以上時電解液開始逐步分解產生氣體（如CO2 CH4 C2H4等），導致電池發鼓；當電壓達到10.0V時，電流開始下降，此時電解液基本分解完，電池溫度升到70度左右后開始緩慢下降。

為了避免電池過充，必須將電池充電電壓限制在4.2V以下，同時考慮到采用-48V供電的通信設備最大承受電壓為-57～-60V，因此磷酸鐵鋰電池充電電壓建議設置為3.6～3.7V。

三（二）磷酸鐵鋰電池放電截止電壓設置

磷酸鐵鋰電池放電時，電池放電電壓非常平穩，一般在3.2V左右，放電后期（主要指剩余的10%容量）的電壓下降非常快。若不加以控制，電池很快就發生過放電。

為了避免電池過放，磷酸鐵鋰電池放電截止電壓必須限制在2.0V以上，同時考慮到采用-48V供電的通信設備最小承受電壓為-40V，因此磷酸鐵鋰電池放電截止電壓建議設置為2.7V以上。

四、電池管理系統（BMS）選擇問題

由于磷酸鐵鋰電池制造工藝復雜及鋰離子的相對活躍性，所以電池組中的單體電池電壓就存在不一致的現象，再加上鐵鋰電池充、放電曲線末端的比較陡，在蓄電池組充、放電過程中，微小的不一致就可能導致整組電池中某節電池達到過充或過放電壓點，從而加劇落后電池的損壞。

從大量實驗來看，目前還很難通過控制整組電池電壓避免在蓄電池組充、放電過程中某節電池過充、過放的現象。

基于上述原因，為確保電池性能良好，延長電池使用壽命，需配置BMS對單體電池進行合理有效的管理和控制。

BMS主要作用：在蓄電池組充、放電過程中，對單體電池進行過充、過放保護。

BMS工作原理：當單體電池充電電壓超過允許值時，立即停止充電，斷開充電設備與電池組的連接；當單體電池放電電壓低于保護值時，立即停止放電，斷開用電設備與電池組的連接，并伴有報警提示。

五、磷酸鐵鋰電池對開關電源充電管理功能的要求

目前開關電源電池充電管理功能都是根據鉛酸電池充電特性設計的，鉛酸電池主要采用恒壓限流方式進行充電，而磷酸鐵鋰電池則采用先恒流后限壓方式進行充電。由于現有的開關電源不具備恒流功能，如果用于磷酸鐵鋰電池充電，可借助開關電源的限流功能來實現。

通過實驗發現，磷酸鐵鋰電池內阻非常小（如48V電池組約為10mΩ），初期充電電流非常大，如果開關電源來不及限流，將會引起整流模塊過載損壞。為了避免此問題，與磷酸鐵鋰電池配合使用的開關電源限流調整精度要求達到1%，監控調整時間步長為2-5s，限流值設置為充電電流0.1C10。

結論

目前磷酸鐵鋰電池在通信行業中應用還處于基站試應用初期階段，各電池廠產品結構、性能差別較大。本文相關內容屬于階段性實驗、試點應用總結，僅供參考，相關數據還需要在實際應用中進行反復實驗論證。