通信用磷酸鐵鋰電池維護心得

梁潤康

（中國電信股份有限公司佛山分公司）

0 引 言

隨著電信運營商通信設備不斷趨于集成化、密集化、小型化，在有限的空間內，傳統的鉛酸電池因占地面積大、環境溫度要求高等原因，難以滿足小型機房或機柜的要求，而磷酸鐵鋰電池由于體積小、高溫性能好正好解決了問題。在鋰電池中，傳統鋰離子電池正極材料由于高溫性能差、循環壽命短等原因已不能滿足現代社會對電池的高指標要求，1997年發現的橄欖石型Li Fe PO4等不僅兼顧了現有正極材料（Layered Li－Co O2、Layered Li（Ni Co Mn）1O2、Spinel Li Mn2O4）的優點，而且無毒、對環境友好、原材料來源豐富、容量高，特別是熱穩定性好、安全性能優越、循環性能突出，是最具發展潛力的鋰離子電池正極材料。磷酸鐵鋰正極材料的突出優勢，可望成為中／大容量、中／高功率鋰離子電池首選的正極材料。國家“十二五”戰略規劃中，新能源所屬的磷酸鐵鋰鋰離子電池已經被列為國家重點科技戰略項目，在其產業化和普及后，利于降低鋰離子電池成本，提高電池安全性，同時具有寬泛的使用溫度范圍、良好的深循環壽命、較高的能量密度、環保無污染等優點，均使磷酸鐵鋰電池成為小型機房的理想后備電源。

1 磷酸鐵鋰電池工作原理

（1）磷酸鐵鋰電池正極材料性能見表1。

表1 鋰離子電池主要正極材料性能比較

（2）一般鐵鋰電池結構圖見圖1。

鐵鋰離子電池結構主要包括以下部件：正極、負極、電解質、隔膜、電池殼。

圖1 鐵鋰電池結構圖

（3）磷酸鐵鋰鋰離子電池的工作原理圖見圖2。

圖2 鐵鋰電池宏觀結構圖

磷酸鐵鋰聚合物鋰離子電池采用凝膠態電解液，以橄欖石型磷酸亞鐵鋰和石墨為正、負極活性物質，經涂布、電芯制作、注液、化成等工序制作而成。由于采用凝膠態電解質，加以橄欖石型磷酸亞鐵鋰材料本身的的安全性能，使得磷酸鐵鋰聚合物電池具有高安全性、超長壽命和良好的高溫穩定性等特點。

磷酸鐵鋰鋰離子電池在充電時，正極中的鋰離子Li＋從正極脫出，通過電解質與聚合物隔膜向負極遷移，嵌入到負極中；反之在放電過程中，負極中的鋰離子Li＋從負極脫出，通過電解質和隔膜向正極遷移，重新嵌入到正極中。反應方程式如下：

（4）電池組管理系統（BMS）工作圖見圖3。

圖3 BMS系統工作圖

鐵鋰電池組：鐵鋰電池，蓄能及供電部件。

保護系統：對鐵鋰電池組可能出現的過充、過放、過流、過溫、短路等進行保護，并帶有均衡及靜置狀態無延時供電等功能。

充電管理：充電限流與放電回路管理，管理電池組快速充電、間歇式補充充電。

監控模塊：支撐系統的集中監控，具有遙測、遙控等功能，實現計算機管理。

對于鐵鋰電池內部的BMS（電池管理系統），一般不同廠家對充電限流的設置不同，有的充電限流值為0.2C，有的為0.1C，確保在開關電源不具備限流功能或已損壞的情況下，電池仍能保證充電電流不超過設定值。

不同于鉛酸電池，鐵鋰電池在充滿電之后并不會持續處于浮充狀態，而是立即停止充電，當電量降低到90%左右時，再重新開始充電。鐵鋰電池的這種間歇性充電特性主要是考慮到電池使用壽命的因素。因此鐵鋰電池的正常荷電范圍為90%～100%，在需要做電池容量核對性實驗時，最好能先做一次充放電，待電池充滿之后，再去做實驗，以便真實反應電池的滿荷電容量，參見圖4。

圖4 磷酸鐵鋰電池BMS系統間歇式充放電示意圖

其中：T1和T3為充電過程，T1為恒流－恒壓充電階段，T3為間歇式補充充電階段；T2為電池組開路靜置階段；T4為電池組放電過程。

2 電池的選型問題

與鉛酸電池不同，鋰電具有高倍率放電性能優異、單體容量小等特點，因此在選型時需要根據鋰電的特點進行選擇。

（1）鐵鋰電池高倍率放電特性

閥控密封鉛酸蓄電池在高倍率放電時，可放出的實際容量會隨著放電電流的增大而減少，但鐵鋰電池在高倍率放電時，其實際容量并不會受影響，參見表2。

表2 鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池放電時長對比

因此當放電電流大于0.1 C10時，在相同的備電時間要求下，若選用鐵鋰電池，其容量可比鉛酸電池小。可按照如下公式進行容量的選擇：

電池容量＝設備功率×備電時間÷安全系數

其安全系數一般選擇為80%。

由于鐵鋰電池放電電流在0.1C10時與鉛酸電池相同，所以本次測試以0.1C10作為對比測試電流。

（2）容量范圍

目前鋰電產品最大可提供50 Ah的單體，最小為10 Ah的鋰電系統。本次測試以大容量的50 Ah電池組作為測試對象。

3 放電測試

本次測試從兩組48 V50 Ah鐵鋰電池組成的電池系統展開，電池組安裝在室外一體化機柜內，機柜內溫度與室外溫度相同，通過在較大溫差及不同放出容量的放電測試，對比鐵鋰電池的放電曲線，了解BMS電池管理系統對鐵鋰電池的作用。

（1）用相同容量的鉛酸電池組與鐵鋰電池以約50%左右的容量放電測試對比，鉛酸電池在25℃環境下的放電數據見表3、表4和圖5、圖6。

表3 鉛酸電池放電電壓表

表4 磷酸鐵鋰電池放電記錄表（第一次）

圖5 鉛酸電池放電曲線圖

圖6 磷酸鐵鋰電池放電曲線（第一次）

通過小容量的放電數據對比，鐵鋰電池與鉛酸電池容量相當；從放電曲線對比，鐵鋰電池放電效能更優。為了解放電后鐵鋰電池的容量變化情況及不同環境溫度對容量的影響，分別在17℃及5℃的環境下進行深放電測試。我們在第三次放電測試前3天，先做了一次小容量的放電（1小時）。在第二測試中，鐵鋰電池容量與第一次放電相比，出現較大的差異。是磷酸鐵鋰電池的電池管理模塊（BMS）由于兩組電池并聯充放電影響電池組充電效果，還是由于兩次放電時的氣溫溫差較大，低溫影響了容量輸出，均需通過再次測試才能評估出產生差異的真正原因。第二、三次測試結果見表5、表6和圖7～圖9。

表5 磷酸鐵鋰電池放電記錄表（第二次）

圖7 磷酸鐵鋰電池放電曲線（第二次）

圖8 放電后段曲線變化

表6 磷酸鐵鋰電池放電記錄表（第三次）

圖9 磷酸鐵鋰電池放電曲線（第三次）

圖10 放電后段曲線變化

根據第二、三次的放電曲線分析，鐵鋰電池組的容量并未受到溫度變化的影響，其電壓下降到45 V時，容量出現快速衰減，并在43.5 V時作出系統保護而斷開電池組輸出，表明電池組的BMS系統能起到過放性保護作用，而電池組容量在短時間內出現下降，需再檢驗BMS管理系統在電池組充滿電后間歇式充電對電池組的影響及浮充電壓的理想設定值。

4 總 結

磷酸鐵鋰電池近年才在通信系統內試用，其安全性、穩定性及使用壽命還需進一步驗證，通過測試得出維護方面的一些體會：

（1）電池管理系統（BMS）對電池使用壽命影響極大，需要生產廠家不斷提高BMS模塊的質量及控制程序。

（2）電池組建設時，最好能同步接入動力環境監控系統，以便第一時間掌握電池組的運行狀態，進一步了解電池的充放電特性。

（3）鐵鋰電池組對溫度的適應范圍廣，一般可滿足工作溫度為－20℃～＋60℃。

（4）由于鐵鋰電池組自帶有電池管理系統（BMS）及監控接口，一定程度上減少了日常維護的工作量。

（5）多組電池并聯使用其優點在于系統穩定性更高一些，當某個模塊需要更換或者維修時，可在不斷開整體后備電源的情況下進行更換，故障風險較低，而在充放電性能上單只使用與多組并聯使用沒有多少差異。

（6）電池組放電后段下降較快，需關注其容量變化趨勢，及時做好通信設備應急供電。

（7）鐵鋰電池體積小，安裝簡單方便。

（8）隨著負荷提升，單體電池的負載功率最好不超過1 000 W，當負載功率大于1 000 W時，建議采用傳統的鉛酸電池，所以現階段鐵鋰電池更適合在小型機房、基站中使用。

［1］ YDB 032－2009.通信用后備式鋰離子電池組［S］.中國通信標準后協會，2009.