磷酸铁锂电池在通信领域的应用浅析

王 平

（中国铁通集团有限公司）

1 概 述

通信行业主用的－48 V直流电源以及交流不间断UPS供电系统的蓄电池组绝大多数都是使用阀控式密封铅酸蓄电池。目前三大电信运营企业在网运行的蓄电池已达200余万组，以通信枢纽机房蓄电池组使用寿命6至8年，基站蓄电池组的使用寿命3至5年计算的话，每年就有几十万组蓄电池要进行更新改造，几十万组的废旧蓄电池需要运走处理，几十万组蓄电池需要重新安装。这需要巨大的人力物力支持，如果蓄电池的使用寿命能够延长一倍的话，每年就将减少几十万组蓄电池的更新工作，也将减少几十万组报废的蓄电池。随着国家对环保工作的重视以及运营企业自身环保理念的提高，人们越来越希望在生产、运输、存储、使用、报废等各个环节减少对环境的污染以及对能源的消耗，特别是去年国家出台一系列针对铅酸蓄电池生产环节的法规，使得阀控式密封铅酸蓄电池产量受到了较大影响，进一步促进了磷酸铁锂锂离子电池（以下简称磷酸铁锂电池）的生产与应用。为此，有必要讨论分析其在通信领域应用的可行性、存在不足以及其他相关问题，增加通信行业蓄电池组使用选择范围，推动运营企业健康发展。

2 磷酸铁锂电池技术特点

磷酸铁锂电池是一个能量密度比与功率密度比都较大、低温性能好、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、安全性能较高且具有环保性能的新型电池。实验表明在－20℃时，40 Ah电池以0.2C的放电率放电约能放出86%的额定容量；常温时以1C放电率仍能放出96%以上的额定容量；常温1C循环100%DOD放电测试目前已达3000余次。磷酸铁锂电池的正极为橄榄石晶体结构的磷酸铁锂材料通过粘结剂附着在铝箔上，负极是石墨材料通过粘结剂附着在铜箔上，电解质是六氟磷酸锂，正负极间的隔膜采用聚乙烯或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜或者是陶瓷隔膜，这些材料对人体无害，属于环保型电池。

3 磷酸铁锂电池应用现状

由于通信行业用蓄电池大多均采用200 Ah以上的容量，目前磷酸铁锂电池单芯容量大多小于50 Ah，相对通信行业应用而言容量较小。因此，磷酸铁锂电池目前较多应用在动力行业，如电动汽车、电动工具、电动自行车等。在动力行业的较为广泛应用，使得磷酸铁锂电池生产企业研发的蓄电池管理与保护系统（BMS）更适应于大电流充放制循环使用，而通信行业应用蓄电池的特点普遍是长期浮充制；并且为了适用动力行业蓄电池恶劣的使用环境，采取了许多保护电池的措施，比如温度过高限制过充电、过放电特性，温度过低限制充电特性等。所有这些安全保护与蓄电池管理系统，很好地适应了动力行业的电池应用，但能不能原封不动照搬应用到通信行业则需要认真的分析研究。

4 通信行业现有蓄电池应用状况

通信行业目前应用于－48 V直流供电系统的蓄电池一般采用2 V容量大于等于200 Ah的阀控式密封铅酸蓄电池，大多为2至3组并联使用。用于交流UPS供电系统的大多是2 V、6 V、12 V阀控式密封铅酸蓄电池，一般由2至4组并联组成。尽管两种供电系统采用的蓄电池单体电压不尽相同，但阀控式密封铅酸蓄电池成熟的技术、良好的性价比、从几十安时到三千安时的大范围单体容量在现阶段依然是不可替代的主流产品。

5 通信行业现有蓄电池使用中存在的问题

5.1 使用寿命降低的问题

阀控式密封铅酸蓄电池虽然在通信行业已经有十几年的运行历史了，但由于有些通信机房环境温度控制的不利，维护人员缺失、维护不到位以及生产成本控制等多种因素，出现了阀控式密封铅酸蓄电池使用寿命在降低的趋势。尤其是基站用蓄电池大多使用寿命为3至5年，远未达到设计使用寿命8年的标准。这就使蓄电池组更新周期几乎缩短了一倍，不但增加了运营企业运行成本，也增加了设备更换成本。与此同时大量报废旧电池的处理也是对环境保护极为不利的事情。

5.2 低温放电容量过小问题

阀控式密封铅酸蓄电池有其自身的特点，其容量随着电池温度和放电率的不同而变化比较显著。比如购买1 000 Ah的蓄电池组，25℃时一小时放电率能够放出550 Ah的容量。当蓄电池组温度为0℃时，就只能放出410 Ah左右的容量了，这一点对使用者来说很不利。因为对于同样的负载，由于蓄电池组容量的变化其放电时间也放生了变化，特别是对于蓄电池后备时间只设计为半小时的UPS供电系统而言，当蓄电池组运行几年后容量下降，再加上某些机房冬天没有暖气、温度很低，使得蓄电池组容量进一步下降，很可能由于市电停电后发电机启动稍晚就会发生负载供电中断的事故。

5.3 维护困难、实测现存容量费时费力问题

现网运行的阀控式密封铅酸蓄电池维护起来很困难，除了能够测量端电压、内阻（电导）、蓄电池外表温度等数据进行分析判断其是否落后外，就是进行核对性放电试验和容量试验两种方式进行检测判断。早期发现落后电池可以通过更换单只来解决，否则只能更换全组。由于维护人员的缺失很少有对单只蓄电池进行单独小电流充放电整治的，对于整组蓄电池容量测试工作一般需要20多小时连续工作才能完成，不但费时费力还存在一定的安全风险。

6 磷酸铁锂电池在通信行业应用分析

正是因为阀控式密封铅酸蓄电池存在上述不足，人们才越来越多的关注新型节能环保型电池的技术进步与应用现状。磷酸铁锂电池是现阶段安全性能好、能量体积比较高且应用较广的锂离子电池，在动力行业的应用已经凸显出许多优势，能否通过生产企业的技术改进逐渐应用到通信行业里来呢，答案是肯定的。

首先可以应用到功率较小基站等的电源系统中。因为这类机房所需蓄电池组容量较小，机房内设备运行环境比较恶劣，交流市电不稳定且停电次数多、时间长，维护人员维护设备或者停电后发电很不方便，这些特点决定了应选用温度适应范围宽、具有快速充电性能且使用寿命长的电池。磷酸铁锂电池正好具有这些优点。

由于通信行业蓄电池组的应用是长期浮充制，完全不同于动力行业的充放电制，因此，如果将现有动力用磷酸铁锂电池直接用于通信行业还应解决以下主要问题：

（1）关于组成－48 V供电系统的磷酸铁锂电池多少只串联更合适问题

磷酸铁锂电池静态开路电压约为3.2 V，若应用在通信的－48 V直流供电系统中（48 V／3.2 V＝15只）似乎15只串联即可，但考虑到磷酸铁锂电池放电终止时电压约为2.5 V，15只的放电终止电压为37.5 V，已经不能满足通信负载的使用需求了。因此用16只串联组成－48 V供电系统的后备电池比较合适。

（2）通信用磷酸铁锂电池放电终止电压的保护值问题

由于磷酸铁锂电池放电到2.5 V电压时容量基本为零，并且其开路电压（OCV）曲线相对锰酸锂电池初始阶段更加陡峭（见图1）。为了保护电池建议磷酸铁锂电池的BMS系统设置的放电终止保护电压为2.7 V，这样16只串联的放电终止电压为43.2 V，既符合通信行业现有使用习惯，更有利于磷酸铁锂电池的容量恢复。

图1 锰酸锂和磷酸铁锂的OCV－SOC曲线

（3）如何满足通信用较大容量蓄电池组问题

目前单芯容量小于等于40 Ah的磷酸铁锂电池技术成熟、动力行业应用广泛，如果在通信行业中使用，假如用于－48 V直流供电系统，要想达到400 Ah容量，需要将10只单芯容量为40 Ah的并联然后再将16只已经并联成400 Ah的电池单元串联在一起，或者先将16只串联组成40 Ah、48 V一组后，再将这样的10组电池进行并联使用。这里首先应确定一个问题，就是先把单只电池并联成所需容量然后再串联成48 V（简称先并后串型单元），还是先将单只电池串成48 V再把48 V电池单元并联成所需容量（简称先串后并型单元）来使用呢？目前的答案显然是选择后一种，即“先串后并型单元”来使用较为合理。主要原因是磷酸铁锂电池目前都配备有电池管理系统（BMS），当生产企业将16只电池串联成一个单元时，这个单元的BMS就管理与保护着16只单体电池，当发现故障时，可以自动切断这个单元与供电系统的联系而脱离出来，供电系统中的其他电池组依然能够继续正常工作。如果选用“先并后串型单元”，就会发生某个电池单元出现问题，这个单元的BMS不可能切断本单元与供电系统的联系的情况。因为每个电池单元都是串联在一起为供电系统服务的，任何一个单元脱离系统都会中断整组蓄电池与供电系统的联系。

（4）通信行业如何使用磷酸铁锂电池问题

应用于通信行业的磷酸铁锂电池，首先应满足通信行业现有高频开关电源系统（－48 V或240 V）或UPS供电系统对蓄电池组管理的相关要求，即在不改变高频开关电源或UPS供电系统现有功能的前提下使用。因此就需要锂电池生产企业依据通信行业的特点制造出适用通信行业的产品。首先应将成熟的单芯容量为40 Ah的电池16只串联成一组，成为一个“基本销售单元”（40 Ah／51.2 V），然后针对这个单元开发出特有的电池管理系统（BMS），这个BMS应包括对每只电池的充放电管理以及对本单元的各种保护功能，但不可完全照搬动力行业用的保护功能，特别是中断放电的保护功能要慎之又慎。通信行业用蓄电池长期处于浮充状态，电池温度很少在0℃以下，基本不存在无法充电问题；通信行业的整流系统都有蓄电池组过充电电流限制功能（一般≤0.25C10），而磷酸铁锂电池过充电电流值远大于阀控式密封铅酸蓄电池，因此无需单独再限制锂电池过流值。但当基本销售单元（40 Ah／51.2 V）中有一只电池的电压达到3.8 V时，应立即终止本单元的充电；为了保护磷酸铁锂电池过放电，BMS必须检测基本销售单元（40 Ah／51.2 V）中每一只电池的电压，当任一只电压为2.7 V时，应立即终止本单元的放电，因为锂电池放电电压由2.7 V到达2.5 V时间很短，设定为2.7 V可能更好。

磷酸铁锂电池现阶段不应以单只电池的形式出售，而应该以具备完善BMS管理功能的基本销售单元（如40 Ah／51.2 V）形式出售给通信行业，这样通信企业就可以方便地将各个基本销售单元并接成所需容量来使用。由于现阶段的开关电源系统一般只具备两个蓄电池组接入保险（开关），因此建议接入的基本销售单元应为双数（比如4组、6组等）分别均衡配置在两个保险（开关）下面。

另外一套高频开关电源系统下面最多能够并接多少组基本销售单元，还需要锂电池生产企业通过大量的试验数据得出可靠的结论。由于每组基本销售单元都具有BMS管理系统，如果对每个单芯电池管理完善的话，做到6并、8并甚至10并都将可能。

基于磷酸铁锂电池的特点，配备磷酸铁锂电池的－48 V系统参数设置也应与使用传统蓄电池不同。首先是电池充电限流值的设置，在经常停电地区，为了及时快速恢复电池组容量，建议电池充电限流值上限设为0.5 C10A。其次是－48 V系统平时浮充电压的设置，建议设为57.6 V（也即为原来的均充电压值），同时取消均充的设置。这样相当于单只锂电池一直处于3.6 V的充满状态，用基本销售单元内的BMS管理内部电池的不均衡以及过电压保护等；对于通信负载而言，承受57.6 V的电压既可以正常工作，又可以减少用电电流、降低线路损耗与发热。由于磷酸铁锂电池放电电压曲线较为平直，不适宜依据放电电压设定“一级下电”、“二级下电”的数值，建议取消设置。为了保护锂电池组不会因为过放电而报废，建议启动高频开关电源系统的低电压保护功能。

7 总 结

虽然磷酸铁锂电池现阶段单芯容量较小，但通过并联以及BMS的科学管理，首先应用在FTTB和FTTH以及小功率基站上是可行的。本文以磷酸铁锂电池在－48 V直流供电系统中应用为例，分析了通信行业与动力行业的不同应用特点以及不同的关注侧重点，提出磷酸铁锂电池销售给通信行业，应以“基本销售单元”为基本单位，基本销售单元的BMS功能设计应结合高频开关电源系统现有功能，希望为磷酸铁锂电池生产和使用者提供帮助。