磷酸铁锂电池在25℃以上环境温度测试研究

杨燕平，郑发秀，汤志刚

（1 中国移动通信集团浙江有限公司，杭州 310006；2 中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，杭州 310020）

1 引言

传统铅酸蓄电池对工作环境的需求高，已凸显出其在通信基站特殊场景使用的局限性。各种新型储能设备的应用层出不穷，磷酸铁锂电池已广泛应用到计算机系统，而在通信系统的应用情况，在行业里的验证已较为完善，得出结论也皆为类同。当前，磷酸铁锂电池在通信系统得不到较为广泛的应用，主要原因是其设备的价格相对略高；充放电受到BMS的控制不适应通信系统要求。随着国家对环保的投入力度加大，行业应用技术不断研发，磷酸铁锂电池在不久将来会得到广泛使用。针对现阶段通信网络建设的特殊场景（高温环境下），对磷酸铁锂电池进行测试，进一步验证在各种环境温度的充放电性能情况。

2 铁锂电池工作原理

电池一般包括：正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、密封圈、PTC（正温度控制端子）、电池壳等。其中正极材料、负极材料、电解质以及隔膜的不同或者工艺的不同，对电池的性能和价格有着决定性的影响。

通常所称的锂电池，是以各种含锂材料为正极材料的电池，目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4），另外还有少数采用镍酸锂（LiNiO2）以及二元/三元聚合物作正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂（LiFePO4，LFP）材料作电池正极的锂离子电池。

LiFePO4电池的工作原理是：电池充电时，正极材料中的锂离子脱出来，经过电解液，穿过隔膜进入到负极材料中；电池放电时，锂离子又从负极中脱出来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中（锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的，所以锂离子电池又称“摇椅电池”）。

由于当前正极材料和生产工艺水平限制，磷酸铁锂电池的单体电池之间尚不能达到性能的完成一致，在通过串并联方式组成电池组后，个别单体存在着过充或过放，过大电流，温度过高，短路或漏电等问题，需在每组电池中配置电池管理系统（BMS），以避免问题的出现。

3 铁锂电池测试研究

为了贴近磷酸铁锂电池的应用场景，深入了解铁锂电池的充放电性能，在测试过程中，选用小容量（40 Ah/ 48 V）在实验室进行测试，中容量（500 Ah/48 V）在试点站进行测试。

3.1 小容量铁锂电池测试情况

3.1.1 测试选用设备

择小容量40 Ah/48 V磷酸铁锂电池组在实验室进行测试，环境温度分别设置在25℃和50℃，放电电流分别设置20 A/48 V和40 A/48 V，如图1、图2所示。

3.1.2 实验室测试情况

电池组在20℃和50℃环境下，分别以0.2 C恒流充电，当单体电池的均充充电电压为3.55～3.60 V，改为恒压充电，直至电流小于或等于0.02 C结束。放在预先设定好的恒温箱中25℃和50℃恒温闲置2 h，然后按照表1规定电流大小放电，记录放电时间。

从图1和图2电池的充放电曲线表明，磷酸铁锂电池可以适应开关电源的充放电系统，当放电电压下降至45.5 V时，蓄电池组可提供约85%左右的放电容量（因开关电源设置一次下电门限，因此没有完全放电）。

3.2 中容量铁锂电池测试情况

3.2.1 测试选用设备

选择中容量500 Ah/48 V磷酸铁锂电池组在试点站市电停电的状态下进行测试，环境温度约在35～45℃，放电电流分别设置5.5 A/48 V。

3.2.2 试点站测试情况

试点站设备的充放电情况分析如图3、图4所示。

图1 40 Ah/48 V分别在25℃和50℃温度、不同电流下放电端电压变化情况

图2 40 Ah/48 V分别在25℃和50℃温度、不同电流下放电的容量变化情况

表1 40 Ah/48 V铁锂电池在不同温度环境下测试结论

以上数据是试点站充放电曲线，市电停电约20h的实际数据，数据通过电池系统（BMS有数据存储功能）里面提取。从数据中可以看出蓄电池能够适应开关电源的充电系统，并在市电停电的情况下正常供电，可保证通信设备不断电正常运行。

4 磷酸铁锂电池应用场景

通过在试点站和实验室不同环境温度下的测试情况，磷酸铁锂电池可在通信领域得到较广泛推广应用，特别在环境恶劣的室外街道站、分布系统、户外OUN接入等场景进行应用。磷酸铁电池可以充分发挥其工作温度范围宽、体积小、重量轻等优势，可有效代替了铅酸蓄电池作为后备电源设备。

图3 充电曲线

图4 放电曲线

5 结论

经上分析，磷酸铁锂电池在各种环境温度下使用，可参考结论如下：

（1）磷酸铁锂电池可满足较高环境温度和大电流的场景使用。

（2）受到BMS管理控制，单体电芯出现放电欠压保护时，出现了输出的直接切断，与传统铅酸电池相比较，有一定的差异。

（3）在实验室测试过程中发现，当环境温度较高（40℃以上），且放电电流较大时，存在着电池放电时长的缩短，主要原因是BMS中的MOS管器件出现高温保护而中止放电。

（4）磷酸铁锂电池如果推广应用，不仅需对电池原材料和生产工艺进行提升，更需要对BMS的原器件进行技术改进。

[1]高健，石伟宏，武亚波，等.谈磷酸铁锂电池的工作原理及在高压直流供电系统中的应用.UPS应用, 2011（9):35-40.

[2]磷酸铁锂电池厂家技术交流材料及测试所得数据.