浅析铁锂电池在通信电源工程设计中的应用

李巧玲，林礼明，林培桂

（北京中网华通设计咨询有限公司，北京100027）

0 引 言

在移动通信网络建设中，蓄电池组作为通信电源系统的关键组成部分，具有相当大的规模使用量。而近几年，磷酸铁锂（分子式LiFePO4，Lithium Iron Phosphate，简称“铁锂电池”）作为正极材料的锂离子电池，从生产规模到产品系列均有长足发展。在通信网络运营中已出现由试点向批量应用的发展趋势。本文针对铁锂电池的优良特性，与铅酸电池进行对比，分析电池容量计算、电池组单体数量、电池管理系统以及对相关配套设施的影响因素，明确铅酸电池与铁锂电池在工程设计中的差异，有助于铁锂电池在通信电源系统的合理运用。

1 电池性能指标

在通信电源系统的工程设计中，选择蓄电池时需要对其性能有比较清楚的认识。性能指标是评价电池优劣的依据，主要关注重量比能量、体积比能量、寿命、工作温度、经济性等方面。

（1）重量比能量：代表每千克质量的电池能够提供的能量，用Wh／kg表示，铁锂电池重量比能量是传统铅酸电池的4倍左右。其他各种类型电池重量比能量的对比见图1。

（2）体积比能量：代表每公升容积的蓄电池能够提供的能量，用 Wh／L表示，它标志着蓄电池占据空间的大小。铁锂电池体积比能量是传统铅酸电池的3倍左右。其他各种类型电池体积比能量的对比见图1。

图1 常用二次电池体系的体积比能量和质量比能量比较图

（3）循环寿命：电池寿命表示其能够正常工作的时间长短。通信用传统铅酸蓄电池的设计寿命习惯用“年限”表示，如：2 V铅酸电池10～20年，12 V铅酸电池10～12年。但是在网上实际使用的条件下，铅酸电池并未达到制造商承诺的使用年限，其中在环境温度25℃左右的室内型设备中寿命为6～7年；在室外型设备中由于环境温度较高，此时铅酸电池的寿命仅能实现2～3年；在频繁停电、高温高湿等恶劣条件的地区，铅酸电池甚至不到数月其容量就低于额定值的80%而无法满足设备正常备电时间的需要。

作为二次电池，由于使用条件具有较大差异，采用“循环次数”来评判电池寿命更科学。循环寿命是指电池组在特定性能失效之前所能进行的充放电循环次数。在25℃条件下，传统铅酸电池循环次数为400～600次，铁锂电池循环次数大于1 000次。

（4）工作温度：环境温度是影响电池工作状况的重要因素，将会直接影响电池使用容量和寿命。

YD／T799－2002《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》5.2：在环境温度－15 ℃～45 ℃条件下使用；YD／T 2344.1－2011《通信用磷酸铁锂电池组》（第1部部分：集成式电池组）5.1：在环境温度－10℃～55℃条件下使用；YDB032—2009《通信用后备式锂离子电池组》5.1：在环境温度－20℃～60℃条件下使用，充电环境温度：0～55℃、放电环境温度：－20℃～60℃。

（5）经济性：在工程设计中，选择蓄电池不仅仅考虑其本体的购买价格，更需要关注性价比。尤其对于蓄电池，其经济性分析的投入部分还需要包括因保证蓄电池的运行环境而投入的配套费用，如：空调购置费用、加固改造费用等。

2 铁锂电池优良特性

电池特性包括能量密度、温度、寿命、放电倍率、充电速度、安全、环保等多个方面，由于电池性能差异，在工程中将直接影响建设费用。

2.1 能量密度高、体积小、重量轻

在蓄电池的组成结构中，由于正极材料的不同，其能量密度具有很大差异。经过某电池厂家提供测试数据统计，铁锂电池与铅酸电池比较值（理论值）如图2所示。

图2 铁锂电池与铅酸电池能量密度对比图

从图2可以看出，铁锂电池比铅酸电池的体积减少1／3以上，重量减少1／2以上。电池重量和体积的小型化，在工程应用中具有非常重要的现实意义。

（1）电池体积减少使电池的安装更方便，尤其在室外小型基站的电源系统，可以装入机柜也可以采用挂墙式，大大节省了放置空间；

（2）由于电池重量减轻，对楼板承重的要求降低，对于有些楼顶机房则不需要再做承重加固，大大减少了机房建设的费用。

2.2 高温性能优异

电池容量随温度上升而增加、随温度下降而降低，锂电池的温度特性如图3所示。

图3 铁锂电池高温下放电特性

从图3看出，铁锂电池具有较好的高温特性，在环境温度55℃时能够正常工作。而铅酸电池对温度非常敏感，温度提高，所有化学反应都成指数上升。

铅酸电池在环境温度较高的情况下，有可能出现电池失效问题。

（1）当环境温度升高，由于内部的化学反应速度大大提高，电池易发生失水干涸而使电池失效；

（2）温度的升高，会造成电池失水率大大增加，从而导致氧复合电流进一步加大。电池内部温度进一步提升，如此恶性循环，导致电池内部温度不断累积，最终形成热失控，造成电池外壳鼓胀、变形、电解液干凅，电池容量下降而失效。

通过两种类型电池的对比，铁锂电池良好的高温特性，使电池环境适应性得到很大提高。在通信行业工程建设中，由于铅酸电池的温度容忍度低于通信主设备，因此需要增加空调等配套设备，增加耗能。所以，具有良好高温特性铁锂电池的应用，可降低工程建设费用，同时，使运行成本下降，具有较好“节能”效果。

2.3 铁锂电池寿命长

目前，许多电池厂家提供的铁锂电池在常温（25℃）条件下循环次数大于2 000次（1C放电电流），而相同条件下的铅酸电池循环次数约为800次。对于高温情况下，铁锂电池具有明显优势。某电池厂家提供的测试数据如图4所示。

图4 铁锂电池55℃高温下循环寿命

从图4中可以看出，55℃环境下循环寿命在1 400次以后还剩余额定容量的80%。相比之下，铅酸电池寿命受温度影响较大，如图5所示。

图5 铅酸电池循环寿命与温度的关系图

从图5可以看出，电池温度每升高10℃，电池浮充寿命减半。

目前，虽然铁锂电池的价格相对高一些，但结合循环寿命比较，常温下使用寿命相差两倍多，而高温下差异更大，所以综合比较铁锂电池具有较高的性价比。

2.4 高倍率放电

电池作为储能装置，其放电倍率直接影响可用容量的大小。传统铅酸电池放电容量系数见表1。

表1 铅酸电池放电容量系数表

从表1可以看出，放电电流1C时，阀控电池只能放出全部容量的55%。

铁锂电池具有高倍率放电特性，在3C以上放电依然能放出全部容量的90%以上，如图6所示。

图6 铁锂电池在不同放电倍率下的放电曲线

铁锂电池高功率、深度放电的优势能有效减小所选电池容量。相应电池容量的降低对机房空间及承重要求也会减少，可以有效降低工程建设难度。

2.5 其他特性

铁锂电池不但具有较好的工程优势，还具有不可估量的社会价值。主要体现在以下方面。

（1）能量转化效率高：铁锂电池能量转化率一般可以做到95%以上，工厂内测试可达到98%，而铅酸电池一般在75%左右。铁锂电池降低了能量转化损耗，提高了能量转化效率，可以实现快速充电。

（2）安全性强：磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定，电池不燃烧、不爆炸、安全性好。

（3）环保：所有原料无毒，整个生产过程清洁无污染，不会对环境造成危害。

3 工程设计注意事项

3.1 铁锂电池产品及应用场景

（1）通信用铁锂电池产品标准

随着YD／T2344.1－2011《通信用磷酸铁锂电池组第1部分：集成式电池组》标准的颁布，于2012年2月1日实施，使各电池生产厂家的产品参数有据可依。由于《通信用磷酸铁锂电池组 第2部分：分立式电池组》（YD／T2344.1－2011）正在编制之中，目前适用于通信电源的铁锂电池均是集成式电池组，电压等级48 V的常用容量（Ah）：5、10、20、30、40、50。

集成式电池组：铁锂电池单体标称电压为3.2 V，由单体电池串联或并联成电池模块，后由电池模块与BMS组成电池组。由N个电池组并联组成电压等级更高、容量更大的电池组。

通信用铁锂电池产品与传统铅酸电池不同。集成式电池组是由电池厂家把单体3.2 V电池配组为48 V电池组，以集成化程度较高的电池组呈现，从而保证单体电池的一致性。与由2 V单体铅酸电池所组成的48 V电池组相比，铁锂电池在体积和重量上均有较大优势。如某电池厂家的产品规格详见表2所示。

表2 某电池厂家48 V铁锂电池规格表

为了对铁锂电池产品有更直观的认识，图7为48 V系列50 Ah和10 Ah机架式的集成式电池组，不同容量电池对应标准化机柜的不同模数，安装方便。

图7 48 V系列集成式电池组

（2）铁锂电池应用场景

在移动通信基站中，通常使用48 V直流电源系统。那么，对应铁锂电池48 V系列产品，目前以单组小容量为主，其单组最大容量为50 Ah。

对于单组小容量铁锂电池，其体积小、重量轻，适用于室内分布、wlan、室外一体化基站等场景，支持壁挂、抱杆、落地安装方式。

对于大容量电池的需求采用多组并联方案，根据不同应用场景，分别有支架并联系统、机柜并联系统，如图8所示，300 Ah并联系统由6组50 Ah／48 V并联，其中，柜式为19 Inch标准机柜27U。

图8 多组并联方案

YD／T5040－2005《通信电源设备安装工程设计规范》4.3.1：直流供电系统的蓄电池一般设置两组，此条款基于传统铅酸蓄电池组特点而设定，二组电池具有容量备份功能。而在48 V铁锂电池组并联系统中，每组电池的产品化生产使48 V整组性能稳定性大大增加，当电池组并联以满足容量需求时，可以采用n＋1的方式配置电池组容量。

3.2 铁锂电池容量计算

蓄电池标称容量是在一定条件下测定的，受温度、放电率等因素影响。目前，因缺乏试验数据，暂无准确的铁锂电池容量计算公式。根据电池容量影响因子的相似性，可参考铅酸电池的容量计算公式。YD／T5040－2005《通信电源设备安装工程设计规范》4.3.3：铅酸电池总容量计算公式如下。

式中各参数的定义不再细述，详见设计规范。从式（1）中可以看出，影响总容量的主要因素为η（放电容量系数）和α（电池温度系数1／℃）。

对于铁锂电池容量的计算，在参照上述公式时，注意铁锂电池与铅酸电池的参数差异。如：放电容量系数见表3。

表3 铅酸电池与铁锂电池放电容量系数（η）对比表

从表3可以看出，铁锂电池放电倍率特性远好于铅酸电池，1C以内电流放电容量差异较大，如：铁锂电池0.95、铅酸电池0.5。所以，在后备时间短、大电流需求的场景，铁锂电池具有明显优势。

对于电池温度系数（α），从铁锂电池的温度特性曲线可以看出，其高温特性较好。铁锂电池和铅酸电池的温度系数应该有所不同，有待于日后试验数据确认。

3.3 与开关电源系统相匹配

传统铅酸蓄电池组的工作方式是在线浮充，选择铁锂电池后，不仅仅是简单替换，应根据铁锂电池特性，综合考虑与现有开关电源系统的兼容性。

（1）核实电池充电电压

在通信电源系统中，电池组的均充、浮充电压由开关电源控制，现有规范和标准都是基于铅酸蓄电池组参数设置的。而48 V铁锂电池组（或称：铁锂电池模块）有15芯和16芯两种型式，其电压参数详见表4。

表4 铁锂电池组与铅酸电池组参数对比

从表4可以看出，若采用16芯铁锂电池模块，则原开关电源系统对电池的均、浮充电压必须重新调整。铁锂电池对充电电压限值敏感：电压过低，容量不足；电压过高，引起永久损坏。

由于铁锂电池对充放截止电压要求严格，如某电池厂试验数据显示（对不同厂家，可能会有所变化，实际需要按不同厂家提供的资料进行调整），铁锂电池的充电电压合理范围为：3.55～3.7V之间，单体浮充电压不得低于3.4V，如需均充，则需确保单体电压不超过3.8V，否则将引起电池的彻底损坏。

对于目前铁锂电池模块的两种型式（15芯和16芯），其综合情况对比见表5。

从表5可以看出，15及16芯电池单体串联成48 V电池模块都可以正常应用；16芯比15芯电池模块低温特性较好，但增加一芯电池单体，成本略有上升，且需要调整现网开关电源充电参数。在工程设计中考虑现网开关电源参数与铁锂电池的适用性，保证铁锂电池的优良性能正常发挥。

（2）与组合电源低电压二级切断功能的配合

低电压二级切断功能是近几年在移动通信基站组合电源中广泛使用的技术，是鉴于移动通信传输网络结构的特殊性而采取的保障网络运行安全的措施，即当市电停电蓄电池放电过程中，当蓄电池电压达到一定数值后，自动切断基站无线负荷（一级切断），蓄电池优先供应传输负荷，当蓄电池达到终止电压时切断所有负荷（二级切断），保护蓄电池。

表5 铁锂电池模块不同型式对比表

现网组合电源管理模块基于铅酸电池的放电特性而设置一级、二级切断电压值，对于采用铁锂电池的移动通信基站，根据电池厂家提供铁锂电池放电特性，必须合理调整二级切断电压值。

（3）电池管理系统与电源监控模块功能整合

追溯铁锂电池的起源为循环使用的动力电池，具有独立完善的电池管理系统。那么，在通信电源系统中铁锂电池的应用就会存在两种思路。

一种是铁锂电池厂家提供电池管理系统BMS（battery management system），可以对电池逐只进行充电管理和检测，有利于提高电池的一致性，防止落后电池的发生。该系统采用间歇式充放电管理模式（详见YD／T2344.1－2011），有利于维护电池的寿命和性能，与开关电源的连接详见图9。

图9 铁锂电池与开关电源连接示意图

现网通信电源系统的电池管理由开关电源厂家的监控模块实施完成。从图9可以看出，电池管理将会处于“双重”管理状态，既有原电源系统浮充管理，又有电池厂家BMS系统。对于电池充放电管理，必须保证管理系统的兼容和统一，最大程度发挥铁锂电池功能。

另一种是取消电池管理系统的思路。铁锂电池采用和铅酸电池相同的浮充和均充参数，由开关电源对其进行充放电管理。这种状况相当于铁锂电池直接替换铅酸电池，但存在下列问题。

因铁锂电池先期主要应用在汽车行业，允许大电流快速充电是铁锂电池的基本特征，推荐的充电电流为0.5C。目前，有些厂家承诺铁锂电池可以用0.05～0.1C的小电流充电。而铁锂电池长期小电流浮充对铁锂电池性能的影响，仍缺少足够的实验数据支撑。除浮充方式以外，也可以要求开关电源厂家内置自动充放电功能，具体设定的充放电周期和电流应符合铁锂厂家的要求。

总之，铁锂电池在通信电源系统的应用处于实验阶段，建议采用有无电池管理系统（BMS）进行对比，以确认配套电池管理系统的必要性，促进开关电源监控模块的功能开发。在后期条件成熟后，确定是直接取消电池管理系统，还是划分给开关电源厂家负责集成，以完成铁锂电池管理系统和现网开关电源系统监控模块的功能整合。

4 结束语

铁锂电池具有优异的性能，已在通信电源中有所应用。目前，由于单体容量偏小，主要在小型化、分散化、环境恶劣的场景中应用较多，并逐步成为铅酸电池的有效补充。蓄电池作为通信电源系统组成部分，铁锂电池是优秀的，为保证铁锂电池在通信电源系统中很好地发挥优势，必需掌握对铁锂电池特性的合理运用，使整个电源系统各组成部分相互匹配，最大限度发挥通信电源系统的综合效能。

［1］YD／T5040－2005.通信电源设备安装工程设计规范［S］.工业与信息化部，2006.

［2］YD／T2344.1－2011.通信用磷酸铁锂电池组 第一部分：集成式电池组［S］.工业与信息化部，2011.

［3］中国移动通信集团.磷酸铁锂电池在移动通信网络应用的研究［Z］.2010.

［4］江苏双登电源有限公司产品资料［Z］.2010.