磷酸鐵鋰電池在通信電源中的應用分析

魏 敏

（云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 引 言

通信備用電源對通信行業來說非常重要，主要以電池箱的形式安裝在各個基站的機房內，在基站市電出現故障時提供電源，保證基站的正常運行和通信暢通[1,2]。據了解，目前大部分運營商仍在使用鉛酸電池。鉛酸電池在通信行業應用時間較長，其缺點也越來越明顯，尤其是在機房環境和后期維護等方面[3]。經過多年發展，目前通信領域的電池技術不僅包括傳統的鉛酸電池技術，還包括鋰離子電池、燃料電池以及液流電池等新技術，磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡稱LFP）是其中之一[4,5]。

通信電源領域，LFP 電池勢必替代鉛酸電池。通信電源領域用LFP 電池與傳統的鉛酸蓄電池相比：具有單電芯，電壓可達3.2 V；電池組容量小于等于2 000 Ah；占地面積小；系統應用48 V 模塊并聯，模組不可直接串聯；模組最大放電電流小于等于1C；0 ℃以下不能充電，需要保溫措施；溫度超過65 ℃時需要采用電池管理系統（Battery Management System，BMS）保護；模組使用壽命長；保護環境[6,7]。在通信領域推廣使用LFP 電池，電池體積變小，重量變輕，能夠解決運營商機房空間和承重的問題[8]。

1 LFP 電池工作原理

LFP 電池采用橄欖石型磷酸鹽嵌鋰材料，晶體結構穩定，在充放電過程中不易變形破損。同樣，鋰離子的重復嵌入和脫嵌可以引起負極材料層間距離的變化，而不會破壞材料的晶體結構。LEP 電池主要由正極、負極、電解液以及隔膜組成，還包括殼體、安全閥以及連接器等，其結構如圖1 所示[9,10]。

圖1 LFP 電池結構

LFP 電池充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜轉移到負極；放電時，鋰離子Li+通過隔膜從負極轉移到正極。LFP 電池充電時，Li+從LFP 晶體的010 面移動到晶面，在電場力的作用下進入電解液，穿過隔膜，再移動到膜面。電解石墨烯后將其嵌入石墨烯晶格，電子通過導體從正極流向鋁箔電極，再通過負極銅箔集流體的極耳、電池端子、外電路、負極端子以及負極板，最后通過導體到達石墨負極以平衡負電荷。LFP 嵌入鋰離子后，LFP 變成磷酸鐵。LFP電池放電時，Li+從石墨晶體中釋放出來，進入電解液，穿過隔膜，然后通過電解液移動到LFP 晶體表面，再嵌入晶格，LFP 通過010 表面的內部。同時，電池通過導體流向負極銅箔集電體，通過極耳流向正極銅箔集電體、電池負極、外電路、正極端子以及正極耳，然后通過導體流到磷酸鐵鋰正極以平衡正極上的電荷。化學反應方程式如下。

正極化學反應方程為

負極化學反應方程為

總反應化學反應方程為

2 LFP 電池主要特性

2.1 LFP 電池常溫倍率的特征

變化倍率特性反映了電池容量在不同電流下的穩定性，是衡量電池性能的指標之一。LFP 電池樣品的變化倍率測試步驟如下。

第1 步，按照廠家推薦的充電方法將電池樣品充滿電，靜置2 h。

第2 步，以1/3 C 的變化倍率將電流放電至規定的截止電壓，測量放電過程中的累積放電容量，并將此放電容量作為電池的額定容量。

第3 步，按照廠家推薦的充電方法給電池樣品充滿電，靜置2 h。

第4 步，電池充滿電后，以不同的速率放電至一定的截止電壓，在放電過程中測量累積容量和電壓等參數。

第5 步，重復第3 步和第4 步的操作，得到不同放電電流下電池樣本電壓與放電容量的百分比，如圖2 所示。

圖2 LFP 電池常溫倍率性能曲線

不考慮電池制造技術和溫度因素影響，電池恒流放電滿足Peukert 方程

式中：I為放電電流；t為放電總時間；C為電池時間常數。

標準放電電流下的放電容量，Peukert 方程可表示為

電池常數C越接近1，放電容量越受放電電流影響，放電容量穩定性越好。從圖2 可知，LFP 電池1 C 放電容量為1/3 C 放電容量的96.3%，具有高放電效率，1 C 內的放電容量的穩定性良好。

2.2 LFP 電池高溫容量性能

在45 ℃的環境下，對LFP電池進行高溫性能試驗，試驗方案如下：將電池放入45 ℃溫箱，放置5 h，按照電池制造商推薦的充電制度充電，電池放電1/3C。測試結果如圖3 所示。

圖3 LFP 電池高溫容量性能曲線

一般來說，在高溫環境下，電池的放電電壓比常溫高，放電容量增加。因為高溫下反應物活性高，電池反應充分，但電池在高溫下的副反應也隨之增加，對電池性能會產生不可逆的影響，大大縮短電池壽命，所以為了保持電池良好的性能，需要在使用過程中將環境溫度控制在一定范圍內。從圖3 可以看出，45 ℃時LFP 電池的放電效率更高，電壓平臺升高。

傳統的鉛酸電池對環境溫度要求一般較高，《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174—2008）要求電池室內溫度控制范圍為15 ～25 ℃。根據維護經驗，鉛電池在環境溫度高的情況下，發生電池故障問題的可能性較高。

2.3 LFP 電池低溫容量性能

在0 ℃的環境下，對LFP電池進行低溫性能試驗，試驗方案如下：按照電池制造商建議的充電制度對電池充電，充滿電后放入 0℃溫箱中，靜置16 h 后對電池進行不同倍率的放電實驗，當電池電壓降至放電斷電電壓時停止放電。測試結果如圖4 所示。

圖4 LFP 電池低溫容量性能曲線

由4 圖可知，低溫條件下LFP 電池放電容量明顯減少，與常溫相比，放電容量減少22%。

2.4 LFP 電池能量密度情況

參考某型號LFP 電池，其重量能量密度為120（kW·h）/kg，體積能量密度為310 （kW·h）/L，而一般鉛酸電池重量能量密度為35 （kW·h）/kg，體積能量密度為80 （kW·h）/L。2 者對比發現，LFP電池比鉛酸電池的體積減小1/3 以上，重量減少1/2以上。

3 LFP 電池在通信電源中的應用

綜合實驗結果和LFP 電池相關參數及電池使用的具體數據，概述LFP 電池在通信電源中的應用。

3.1 LFP 電池的合理選擇

數據中心使用的蓄電池一般只有在市電中斷、市電閃爍以及進行測試時才會放電，因此不能充分反映LFP 電池優越的充放電循環性能。此外，數據不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）室或電池間通常裝有空調等制冷或加熱設備，磷酸鋰電池的高溫穩定特性不占優勢。因此，在應用LFP 電池時，應重點利用能量密度高和常溫倍率性能好的特點。

3.2 機房分布式電源模式或模塊化機房

分布式或模塊化電源室的單個UPS 功率較小，因此需要的電池容量較少。此外，分布式電源或模塊化房間都必須接近IT 設備或安裝在與IT 設備相同的機柜中，因此會產生負載和空間等限制，使磷酸鋰電池可以進一步發揮能源密度高的優勢。

3.3 應用于現有UPS 系統需要更深入的研究和更廣泛的測試。

UPS 和配套蓄電池組經過多年發展，形成了更加完善的設計、運營和維護規范以及標準。LFP 電池只有中華人民共和國工業和信息化部頒布的《通信用LFP 電池組第1 部分：集成式電池組》（YD/T 2344.1—2011）對集成電池組有參數要求。但是，此部分僅限于電壓級別48 V、常用容量5 ～50 Ah 的電池，不適用于常規交流電源UPS。

如果在此標準下使用LFP 電池，則必須使用48 V集成電池以多種連接方式配置可用于UPS 設備的電池組。這種方法需要向現有集成BMS 添加管理系統或調整現有BMS。

3.4 LFP 電池不能直接更換鉛酸電池

LFP 電池結構充電放電截止電壓要求比傳統鉛酸電池更嚴格。一般來說，鋰鐵電池的充電電壓為3.55 ～3.70 V，單浮充電壓低于3.4 V。充電模式下單體電壓不超過3.8 V，否則電池可能會完全損壞。

LFP 電池與鉛酸電池不同，不需要單獨配置相應的管理系統，需要BMS 來實現電池充電過程、放電過程以及適當的保護措施等功能。目前，鉛酸電池需要依靠UPS 設備進行充放電管理。因此，如果直接用LFP 電池代替鉛酸電池，容易導致電池充放電出現管理邏輯錯誤。

4 結 論

通過對LFP 電池基本性能的實驗測試和分析，其電化學特性比傳統的鉛酸電池更加顯著。LFP 電池單體容量小，可用于小型化、分散化和惡劣環境，逐漸成為鉛酸蓄電池的有效補充。因此，通信行業需要對LFP 電池的特性和合理應用進行深入研究，測試LFP 電池在實際應用中的應用效果，使數據中心配電系統的各個組成部分可以相互匹配，提供綜合效率。