通信用磷酸铁锂电池维护心得

2012-09-25梁润康

通信电源技术 2012年1期

梁润康

（中国电信股份有限公司佛山分公司）

0 引言

随着电信运营商通信设备不断趋于集成化、密集化、小型化，在有限的空间内，传统的铅酸电池因占地面积大、环境温度要求高等原因，难以满足小型机房或机柜的要求，而磷酸铁锂电池由于体积小、高温性能好正好解决了问题。在锂电池中，传统锂离子电池正极材料由于高温性能差、循环寿命短等原因已不能满足现代社会对电池的高指标要求，1997年发现的橄榄石型Li Fe PO4等不仅兼顾了现有正极材料（Layered Li－Co O2、Layered Li（Ni Co Mn）1O2、Spinel Li Mn2O4）的优点，而且无毒、对环境友好、原材料来源丰富、容量高，特别是热稳定性好、安全性能优越、循环性能突出，是最具发展潜力的锂离子电池正极材料。磷酸铁锂正极材料的突出优势，可望成为中／大容量、中／高功率锂离子电池首选的正极材料。国家“十二五”战略规划中，新能源所属的磷酸铁锂锂离子电池已经被列为国家重点科技战略项目，在其产业化和普及后，利于降低锂离子电池成本，提高电池安全性，同时具有宽泛的使用温度范围、良好的深循环寿命、较高的能量密度、环保无污染等优点，均使磷酸铁锂电池成为小型机房的理想后备电源。

1 磷酸铁锂电池工作原理

（1）磷酸铁锂电池正极材料性能见表1。

表1 锂离子电池主要正极材料性能比较

（2）一般铁锂电池结构图见图1。

铁锂离子电池结构主要包括以下部件：正极、负极、电解质、隔膜、电池壳。

图1 铁锂电池结构图

（3）磷酸铁锂锂离子电池的工作原理图见图2。

图2 铁锂电池宏观结构图

磷酸铁锂聚合物锂离子电池采用凝胶态电解液，以橄榄石型磷酸亚铁锂和石墨为正、负极活性物质，经涂布、电芯制作、注液、化成等工序制作而成。由于采用凝胶态电解质，加以橄榄石型磷酸亚铁锂材料本身的的安全性能，使得磷酸铁锂聚合物电池具有高安全性、超长寿命和良好的高温稳定性等特点。

磷酸铁锂锂离子电池在充电时，正极中的锂离子Li＋从正极脱出，通过电解质与聚合物隔膜向负极迁移，嵌入到负极中；反之在放电过程中，负极中的锂离子Li＋从负极脱出，通过电解质和隔膜向正极迁移，重新嵌入到正极中。反应方程式如下：

（4）电池组管理系统（BMS）工作图见图3。

图3 BMS系统工作图

铁锂电池组：铁锂电池，蓄能及供电部件。

保护系统：对铁锂电池组可能出现的过充、过放、过流、过温、短路等进行保护，并带有均衡及静置状态无延时供电等功能。

充电管理：充电限流与放电回路管理，管理电池组快速充电、间歇式补充充电。

监控模块：支撑系统的集中监控，具有遥测、遥控等功能，实现计算机管理。

对于铁锂电池内部的BMS（电池管理系统），一般不同厂家对充电限流的设置不同，有的充电限流值为0.2C，有的为0.1C，确保在开关电源不具备限流功能或已损坏的情况下，电池仍能保证充电电流不超过设定值。

不同于铅酸电池，铁锂电池在充满电之后并不会持续处于浮充状态，而是立即停止充电，当电量降低到90%左右时，再重新开始充电。铁锂电池的这种间歇性充电特性主要是考虑到电池使用寿命的因素。因此铁锂电池的正常荷电范围为90%～100%，在需要做电池容量核对性实验时，最好能先做一次充放电，待电池充满之后，再去做实验，以便真实反应电池的满荷电容量，参见图4。

图4 磷酸铁锂电池BMS系统间歇式充放电示意图

其中：T1和T3为充电过程，T1为恒流－恒压充电阶段，T3为间歇式补充充电阶段；T2为电池组开路静置阶段；T4为电池组放电过程。

2 电池的选型问题

与铅酸电池不同，锂电具有高倍率放电性能优异、单体容量小等特点，因此在选型时需要根据锂电的特点进行选择。

（1）铁锂电池高倍率放电特性

阀控密封铅酸蓄电池在高倍率放电时，可放出的实际容量会随着放电电流的增大而减少，但铁锂电池在高倍率放电时，其实际容量并不会受影响，参见表2。

表2 铅酸电池与磷酸铁锂电池放电时长对比

因此当放电电流大于0.1 C10时，在相同的备电时间要求下，若选用铁锂电池，其容量可比铅酸电池小。可按照如下公式进行容量的选择：

电池容量＝设备功率×备电时间÷安全系数

其安全系数一般选择为80%。

由于铁锂电池放电电流在0.1C10时与铅酸电池相同，所以本次测试以0.1C10作为对比测试电流。

（2）容量范围

目前锂电产品最大可提供50 Ah的单体，最小为10 Ah的锂电系统。本次测试以大容量的50 Ah电池组作为测试对象。

3 放电测试

本次测试从两组48 V50 Ah铁锂电池组成的电池系统展开，电池组安装在室外一体化机柜内，机柜内温度与室外温度相同，通过在较大温差及不同放出容量的放电测试，对比铁锂电池的放电曲线，了解BMS电池管理系统对铁锂电池的作用。

（1）用相同容量的铅酸电池组与铁锂电池以约50%左右的容量放电测试对比，铅酸电池在25℃环境下的放电数据见表3、表4和图5、图6。

表3 铅酸电池放电电压表

表4 磷酸铁锂电池放电记录表（第一次）

图5 铅酸电池放电曲线图

图6 磷酸铁锂电池放电曲线（第一次）

通过小容量的放电数据对比，铁锂电池与铅酸电池容量相当；从放电曲线对比，铁锂电池放电效能更优。为了解放电后铁锂电池的容量变化情况及不同环境温度对容量的影响，分别在17℃及5℃的环境下进行深放电测试。我们在第三次放电测试前3天，先做了一次小容量的放电（1小时）。在第二测试中，铁锂电池容量与第一次放电相比，出现较大的差异。是磷酸铁锂电池的电池管理模块（BMS）由于两组电池并联充放电影响电池组充电效果，还是由于两次放电时的气温温差较大，低温影响了容量输出，均需通过再次测试才能评估出产生差异的真正原因。第二、三次测试结果见表5、表6和图7～图9。

表5 磷酸铁锂电池放电记录表（第二次）

图7 磷酸铁锂电池放电曲线（第二次）

图8 放电后段曲线变化

表6 磷酸铁锂电池放电记录表（第三次）

图9 磷酸铁锂电池放电曲线（第三次）

图10 放电后段曲线变化

根据第二、三次的放电曲线分析，铁锂电池组的容量并未受到温度变化的影响，其电压下降到45 V时，容量出现快速衰减，并在43.5 V时作出系统保护而断开电池组输出，表明电池组的BMS系统能起到过放性保护作用，而电池组容量在短时间内出现下降，需再检验BMS管理系统在电池组充满电后间歇式充电对电池组的影响及浮充电压的理想设定值。