磷酸铁锂电池在通信行业的应用探讨

2014-01-01闫德生

通信电源技术 2014年6期

闫德生

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林长春130012）

磷酸铁锂电池具有明显的优点：使用安全、寿命超长、无污染、重量轻、电池体积小、自放电小，无记忆效应、工作温度范围广。移动通信、电动汽车、国家电网等行业正在对其研究和使用。本文结合磷酸铁锂电池现有应用案例，探讨了磷酸铁锂电池在通信行业中的应用，主要包括：太阳能电源、高压直流、UPS电源、开关电源、风力电源等方面。

1 磷酸铁锂电池概述

磷酸铁锂电池成组方案：

（1）集成式（BMS内置）：电芯串并联后与BMS组成一个电池组，由N个电池组并联组成电压等级更高，容量更大的电池组。

（2）分立式（BMS外置）：电芯并联成一个3．2 V的大容量电池模块，BMS为一独立模块，再由1个BMS与N个电池模块串联组成一个电池组。

（3）主从式（BMS主从结构）：电芯串并联后与BMU组成一个电池模块，BMS为一独立模块，再由1个BMS与N个电池模块串联组成较高电压的电池组。多个电池组可组成一个更大容量的电池方阵。（BMS是BMU的主控模块）。

多种成组方案及BMS方式的性能比较如表1所示。

电池管理系统与电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流、温度等进行时核检测，进行热管理、均衡管理、报警提示、计算剩余容量、放电功率、计算并报告SOC＆SOH状态等，防止电池出现过充电和过放电，出现电池安全风险时进行系统保护，以达到延长电池寿命、安全可靠应用的目的。

表1 磷酸铁锂电池成组方案性能比较

2 磷酸铁锂电池在通信行业的应用

2．1 试点、批量与行标

（1）试点应用：2009年起，三大运营商渐有将磷酸铁锂电池应用到通信行业中的案例。中讯邮电咨询设计院电源与节能研究中心会同工业与信息化部电源质检中心于2009年下半年进行实验室试验研究。2010年，中讯院与中国移动河南公司在移动基站进行试验，建成5个试验站，使用10组电池。

2012年中国移动内蒙古公司二枢纽四楼新数据机房工程中新增一套（1＋1）×2双总线方式的IGBT整流UPS及配套系统备电一小时的磷酸铁锂电池组；电池规格：480 V～300 kVA磷酸铁锂电池，F12200（12 V200 Ah／120节），含电池架、电池监控模块、监控通讯及信息显示等。

（2）批量应用：2011年中国移动河南公司建设200个试验站，用了4家不同企业的电池。同时，三大运营商由各省市牵头的铁锂电池招标不断出现，有的招标单笔金额达到1 000万RMB。2012年4月，中电信发起第一轮铁锂电池招标，目前资质预审已经完成并开始进入产品测试阶段。

（3）产品标准：YD／T2344．1－2011《通信用磷酸铁锂电池组第1部分：集成式电池组》2012年2月1日实施。YD／T2344．2－2011《通信用磷酸铁锂电池组第2部分：分立式电池组》在编。

2．2 应用领域

磷酸铁锂电池在通信行业中的应用：

（1）高频开关电源：小容量站点应用、室内有空调基站、室内无空调基站、室外无空调基站、IDC中心机房。

（2）不间断UPS：小容量未端供电、IDC中心机房。

（3）高压直流电源：240 V 高压直流、336 V 高压直流等电源。

2．3 应用中存在的问题

（1）磷酸铁锂电池必须配置BMS，因为电芯一致性较差；

（2）BMS对大容量电池的管理功能有限；

（3）高温浮充循环寿命差（3～5次高温浮充循环后容量降低20%～35% ）

（4）兼容性问题（UPS、SMR、主设备）；

（5）安全性问题（生产与使用，保护机制）；

（6）失效原因和失效模式缺乏相应的理论和实际分析；

（7）使用寿命目前未得到验证，没有做长时间的成组验证测试。

2．4 铁锂电池容量配置计算

铁锂电池容量计算如下：

式中，Q为蓄电池容量（Ah）；K为安全系数，取值范围1～1．25；I为平均－忙时全局平均放电电流；η为电池放电系数；t为实际电芯的最低温度；25为蓄电池额定容量时的电芯温度；0．006为容量温度系数（即电芯以25℃为标准时，每上升或下降1℃时所增加或减少的容量比值）。η系数如表2。

2．5 节能环保

磷酸铁锂电池具有：

（1）高充放电效率：95%～100%；

（2）低自放电率：＜2%；

（3）无有毒重金属；

（4）高温特性好。

据不完全统计，目前三大运营商的电费支出有45%是机房空调电费。2008年中国移动总耗电量93．3亿度，有约40亿度电为空调用电，如果都采用铁锂电池则可每年节约20亿度电（约20×1＝20亿RMB，电费以1 RMB／度计算）。

表2 η系数取值

2．6 安装、使用与维护方便

（1）便于搬运：体积小、重量轻；

（2）快速安装：集成式优于分立式，19英寸机架模块化，可采用快插阻燃端子；标准施工，无需现场诸多连接，施工品质可控；

（3）监控方便：通过铁锂电池通信接口，提供铁锂电池的实时监控数据，并支持历史数据查询；

（4）使用温度：建议在0～40℃条件下使用；－10℃～55℃下其工作寿命下降很快；

（5）电池替换：集成式优于分立式，快插阻燃端子提供在线插拔能力，便于替换；模块化设计，风险分担，系统安全；

（6）存储搁置：自放电及BMS用电量小，可长期存储，6个月～1年进行补充电；建议在25℃下存放。

3 中国移动对磷酸铁锂电池的初步应用

3．1 应用背景

阀控式密封铅酸蓄电池已经广泛应用在移动通信基站，对于市电稳定的供电基站，铅酸蓄电池仍是目前应用的主流。

但对于无法用市电供电，或市电极其不稳定的地区，以及太阳能、风能等新能源的应用场合，铅酸蓄电池存在循环寿命短及对环境温度敏感等诸多问题，磷酸铁锂蓄电池以其循环寿命高，充电速度快、高温性能优等，特别适合在较恶劣环境及新能源领域里应用。

3．2 与铅酸电池的对比

磷酸铁锂电池优势明显，如重量轻体积小、高倍率充放电性能好，循环寿命长、高温性能优、无污染、电压平台稳定、电源系统电压范围变化小。但带来电池管理难度稍大，不能单体过充过放、低温性能差、过充过放、低温过温引起的安全隐患大、需要特殊电池管理、自均衡特性差、材料与工艺要求高、维护要求高。

磷酸铁锂电池和铅酸电池的性能对比如表3。

表3 磷酸铁锂电池和铅酸电池的性能对比

3．3 影响磷酸铁锂电池安全性的因素

（1）过充过放电：普通锂电池的正负极是层状结构，过充或过放电时可能造成层间结构坍塌，让电池容量永久性的下降，如果继续充放电，后续的锂原子会堆积于正负极材料表面，逐渐长出树枝状结晶，使正负极短路，甚至可能在短路发生前电池爆炸。磷酸铁锂电池正极是菱形结构发生坍塌的几率低，这也是磷酸铁锂电池安全性较好的原因之一，但过充过放导致的安全风险一样不容忽视。

（2）充电电流过大：锂离子来不及进入层间，会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性。万一电池外壳破裂，就会爆炸。

（3）过温：锂电池的电解液主要成分是有机的碳酸酯，在高温下会分解出可燃气体，导致电池内部压力升高。

（4）外短路：当电芯外部发生短路，电子组件又未能切断回路时，电芯内部会产生高热，造成部分电解液分解，导致电池内部压力升高。