磷酸铁锂电池在通信行业应用中的若干问题探讨

张红源

南京奥联信息技术有限公司 210019

摘要：本文通过对磷酸铁锂电池的技术特性分析，结合当前正在进行的磷酸铁锂电池测试、试点应用情况，主要对磷酸铁锂电池在通信行业应用中的一些主要问题进行探讨分析。

关键词：磷酸铁锂电池；充放电特性；充放电电压；BMS 容量计算

一、目前，在通信行业中所大量使用的阀控式密封铅酸蓄电池，经过数年的建设及运行维护经验总结，主要存在能量密度低、运行环境温度要求高、放电效率低、寿命短、铅污染严重等弱点。

随着业务的发展、节能减排的需要，在新形势下通信行业对蓄电池有了更好的要求，需要革命性的技术进步才可以解决上述问题，为了加快磷酸铁锂电池在通信行业的推广应用，中国移动正积极开展试点研究工作，探索中国移动引入磷酸铁锂电池的安全性、适用性和经济性。

本文通过对磷酸铁锂电池的技术特性分析，结合磷酸铁锂电池测试、应用情况，主要对磷酸铁锂电池在通信行业应用中的一些主要问题进行探讨分析。

二、磷酸铁锂蓄电池技术特性

二（一）磷酸铁锂蓄电池工作基本原理

磷酸铁锂电池工作基本原理与铅酸电池完成不同。电池充电时，Li+从磷酸铁锂材料中迁移到晶體表面，从正极板材料中脱出，在电场力的作用下，进入电解质，穿过隔膜，再经电解液迁移到负极石墨晶体的表面，然后嵌入负极石墨材料中。与此同时，电子流通过正极的铝箔，经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔电极，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。

电池放电时，Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解质，穿过隔膜，再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时，电子经导电体流向负极的铜箔电极，经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极，然后再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。

二（二）磷酸铁锂电池充放电特性

磷酸铁锂电池充电时，可分为恒流充电和限压充电两个过程，首先是恒流充电，当电池电压达到3.6V时电池转入3.6V恒压充电，直至电流减小至初始充电电流的10%或者为零。磷酸铁锂电池放电时，放电电压非常平稳，一般在3.2V左右，放电后期（主要指剩余的10%容量）的电压变化较快，放电的截止电压一般可以到2.5V左右。

二（三）磷酸铁锂电池温度特性

通过大量实验表明：环境温度对磷酸铁锂电池充、放电性能和循环寿命有一定的影响。

二（三）①环境温度对电池充电的影响

由于磷酸铁锂材料自身的电化学特性，该电池的低温充电性能稍差，充电温度要求在-10℃以上，否则电池的不可逆容量会随着温度的降低而升高。

二（三）②环境温度对电池放电的影响

环境温度对磷酸铁锂电池放电影响相对铅酸蓄电池要小很多，对同等规格的两种蓄电池进行温度特性测试，磷酸铁锂电池要比密封阀控铅酸电池容量高出20%左右。

二（三）③环境温度对电池循环寿命的影响

通过对50Ah/3.2V磷酸铁锂电池在不同环境温度下进行循环寿命测试发现：常温时（25℃左右），电池循环寿命约为2000次，60℃温度时，电池循环寿仅为25℃时的一半。

三、磷酸铁锂电池充、放电电压设置问题

三（一）磷酸铁锂电池充电电压设置

磷酸铁锂电池充电过程中，首先是恒流充电，电池电压初期有较大上升，之后趋向平缓，当电池电压上升到3.6V时表明电池已充满，此时电流迅速减小至初始充电电流的10%或者为零，电压迅速上升。如果此时不对充电电压进行限制，电池很快就发生过充电，其电池过充特性情况如图1-1所示：

图1-1：磷酸铁锂电池过充特性曲线

当电压达到约4.2V以上时电解液开始逐步分解产生气体（如CO2 CH4 C2H4等），导致电池发鼓；当电压达到10.0V时，电流开始下降，此时电解液基本分解完，电池温度升到70度左右后开始缓慢下降。

为了避免电池过充，必须将电池充电电压限制在4.2V以下，同时考虑到采用-48V供电的通信设备最大承受电压为-57～-60V，因此磷酸铁锂电池充电电压建议设置为3.6～3.7V。

三（二）磷酸铁锂电池放电截止电压设置

磷酸铁锂电池放电时，电池放电电压非常平稳，一般在3.2V左右，放电后期（主要指剩余的10%容量）的电压下降非常快。若不加以控制，电池很快就发生过放电。

为了避免电池过放，磷酸铁锂电池放电截止电压必须限制在2.0V以上，同时考虑到采用-48V供电的通信设备最小承受电压为-40V，因此磷酸铁锂电池放电截止电压建议设置为2.7V以上。

四、电池管理系统（BMS）选择问题

由于磷酸铁锂电池制造工艺复杂及锂离子的相对活跃性，所以电池组中的单体电池电压就存在不一致的现象，再加上铁锂电池充、放电曲线末端的比较陡，在蓄电池组充、放电过程中，微小的不一致就可能导致整组电池中某节电池达到过充或过放电压点，从而加剧落后电池的损坏。

从大量实验来看，目前还很难通过控制整组电池电压避免在蓄电池组充、放电过程中某节电池过充、过放的现象。

基于上述原因，为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，需配置BMS对单体电池进行合理有效的管理和控制。

BMS主要作用：在蓄电池组充、放电过程中，对单体电池进行过充、过放保护。

BMS工作原理：当单体电池充电电压超过允许值时，立即停止充电，断开充电设备与电池组的连接；当单体电池放电电压低于保护值时，立即停止放电，断开用电设备与电池组的连接，并伴有报警提示。

五、磷酸铁锂电池对开关电源充电管理功能的要求

目前开关电源电池充电管理功能都是根据铅酸电池充电特性设计的，铅酸电池主要采用恒压限流方式进行充电，而磷酸铁锂电池则采用先恒流后限压方式进行充电。由于现有的开关电源不具备恒流功能，如果用于磷酸铁锂电池充电，可借助开关电源的限流功能来实现。

通过实验发现，磷酸铁锂电池内阻非常小（如48V电池组约为10mΩ），初期充电电流非常大，如果开关电源来不及限流，将会引起整流模块过载损坏。为了避免此问题，与磷酸铁锂电池配合使用的开关电源限流调整精度要求达到1%，监控调整时间步长为2-5s，限流值设置为充电电流0.1C10。

结论

目前磷酸铁锂电池在通信行业中应用还处于基站试应用初期阶段，各电池厂产品结构、性能差别较大。本文相关内容属于阶段性实验、试点应用总结，仅供参考，相关数据还需要在实际应用中进行反复实验论证。