磷酸鐵鋰電池在通信領域的應用淺析

王 平

（中國鐵通集團有限公司）

1 概 述

通信行業主用的－48 V直流電源以及交流不間斷UPS供電系統的蓄電池組絕大多數都是使用閥控式密封鉛酸蓄電池。目前三大電信運營企業在網運行的蓄電池已達200余萬組，以通信樞紐機房蓄電池組使用壽命6至8年，基站蓄電池組的使用壽命3至5年計算的話，每年就有幾十萬組蓄電池要進行更新改造，幾十萬組的廢舊蓄電池需要運走處理，幾十萬組蓄電池需要重新安裝。這需要巨大的人力物力支持，如果蓄電池的使用壽命能夠延長一倍的話，每年就將減少幾十萬組蓄電池的更新工作，也將減少幾十萬組報廢的蓄電池。隨著國家對環保工作的重視以及運營企業自身環保理念的提高，人們越來越希望在生產、運輸、存儲、使用、報廢等各個環節減少對環境的污染以及對能源的消耗，特別是去年國家出臺一系列針對鉛酸蓄電池生產環節的法規，使得閥控式密封鉛酸蓄電池產量受到了較大影響，進一步促進了磷酸鐵鋰鋰離子電池（以下簡稱磷酸鐵鋰電池）的生產與應用。為此，有必要討論分析其在通信領域應用的可行性、存在不足以及其他相關問題，增加通信行業蓄電池組使用選擇范圍，推動運營企業健康發展。

2 磷酸鐵鋰電池技術特點

磷酸鐵鋰電池是一個能量密度比與功率密度比都較大、低溫性能好、循環壽命長、自放電小、無記憶效應、安全性能較高且具有環保性能的新型電池。實驗表明在－20℃時，40 Ah電池以0.2C的放電率放電約能放出86%的額定容量；常溫時以1C放電率仍能放出96%以上的額定容量；常溫1C循環100%DOD放電測試目前已達3000余次。磷酸鐵鋰電池的正極為橄欖石晶體結構的磷酸鐵鋰材料通過粘結劑附著在鋁箔上，負極是石墨材料通過粘結劑附著在銅箔上，電解質是六氟磷酸鋰，正負極間的隔膜采用聚乙烯或者是聚丙烯和聚乙烯復合隔膜或者是陶瓷隔膜，這些材料對人體無害，屬于環保型電池。

3 磷酸鐵鋰電池應用現狀

由于通信行業用蓄電池大多均采用200 Ah以上的容量，目前磷酸鐵鋰電池單芯容量大多小于50 Ah，相對通信行業應用而言容量較小。因此，磷酸鐵鋰電池目前較多應用在動力行業，如電動汽車、電動工具、電動自行車等。在動力行業的較為廣泛應用，使得磷酸鐵鋰電池生產企業研發的蓄電池管理與保護系統（BMS）更適應于大電流充放制循環使用，而通信行業應用蓄電池的特點普遍是長期浮充制；并且為了適用動力行業蓄電池惡劣的使用環境，采取了許多保護電池的措施，比如溫度過高限制過充電、過放電特性，溫度過低限制充電特性等。所有這些安全保護與蓄電池管理系統，很好地適應了動力行業的電池應用，但能不能原封不動照搬應用到通信行業則需要認真的分析研究。

4 通信行業現有蓄電池應用狀況

通信行業目前應用于－48 V直流供電系統的蓄電池一般采用2 V容量大于等于200 Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池，大多為2至3組并聯使用。用于交流UPS供電系統的大多是2 V、6 V、12 V閥控式密封鉛酸蓄電池，一般由2至4組并聯組成。盡管兩種供電系統采用的蓄電池單體電壓不盡相同，但閥控式密封鉛酸蓄電池成熟的技術、良好的性價比、從幾十安時到三千安時的大范圍單體容量在現階段依然是不可替代的主流產品。

5 通信行業現有蓄電池使用中存在的問題

5.1 使用壽命降低的問題

閥控式密封鉛酸蓄電池雖然在通信行業已經有十幾年的運行歷史了，但由于有些通信機房環境溫度控制的不利，維護人員缺失、維護不到位以及生產成本控制等多種因素，出現了閥控式密封鉛酸蓄電池使用壽命在降低的趨勢。尤其是基站用蓄電池大多使用壽命為3至5年，遠未達到設計使用壽命8年的標準。這就使蓄電池組更新周期幾乎縮短了一倍，不但增加了運營企業運行成本，也增加了設備更換成本。與此同時大量報廢舊電池的處理也是對環境保護極為不利的事情。

5.2 低溫放電容量過小問題

閥控式密封鉛酸蓄電池有其自身的特點，其容量隨著電池溫度和放電率的不同而變化比較顯著。比如購買1 000 Ah的蓄電池組，25℃時一小時放電率能夠放出550 Ah的容量。當蓄電池組溫度為0℃時，就只能放出410 Ah左右的容量了，這一點對使用者來說很不利。因為對于同樣的負載，由于蓄電池組容量的變化其放電時間也放生了變化，特別是對于蓄電池后備時間只設計為半小時的UPS供電系統而言，當蓄電池組運行幾年后容量下降，再加上某些機房冬天沒有暖氣、溫度很低，使得蓄電池組容量進一步下降，很可能由于市電停電后發電機啟動稍晚就會發生負載供電中斷的事故。

5.3 維護困難、實測現存容量費時費力問題

現網運行的閥控式密封鉛酸蓄電池維護起來很困難，除了能夠測量端電壓、內阻（電導）、蓄電池外表溫度等數據進行分析判斷其是否落后外，就是進行核對性放電試驗和容量試驗兩種方式進行檢測判斷。早期發現落后電池可以通過更換單只來解決，否則只能更換全組。由于維護人員的缺失很少有對單只蓄電池進行單獨小電流充放電整治的，對于整組蓄電池容量測試工作一般需要20多小時連續工作才能完成，不但費時費力還存在一定的安全風險。

6 磷酸鐵鋰電池在通信行業應用分析

正是因為閥控式密封鉛酸蓄電池存在上述不足，人們才越來越多的關注新型節能環保型電池的技術進步與應用現狀。磷酸鐵鋰電池是現階段安全性能好、能量體積比較高且應用較廣的鋰離子電池，在動力行業的應用已經凸顯出許多優勢，能否通過生產企業的技術改進逐漸應用到通信行業里來呢，答案是肯定的。

首先可以應用到功率較小基站等的電源系統中。因為這類機房所需蓄電池組容量較小，機房內設備運行環境比較惡劣，交流市電不穩定且停電次數多、時間長，維護人員維護設備或者停電后發電很不方便，這些特點決定了應選用溫度適應范圍寬、具有快速充電性能且使用壽命長的電池。磷酸鐵鋰電池正好具有這些優點。

由于通信行業蓄電池組的應用是長期浮充制，完全不同于動力行業的充放電制，因此，如果將現有動力用磷酸鐵鋰電池直接用于通信行業還應解決以下主要問題：

（1）關于組成－48 V供電系統的磷酸鐵鋰電池多少只串聯更合適問題

磷酸鐵鋰電池靜態開路電壓約為3.2 V，若應用在通信的－48 V直流供電系統中（48 V／3.2 V＝15只）似乎15只串聯即可，但考慮到磷酸鐵鋰電池放電終止時電壓約為2.5 V，15只的放電終止電壓為37.5 V，已經不能滿足通信負載的使用需求了。因此用16只串聯組成－48 V供電系統的后備電池比較合適。

（2）通信用磷酸鐵鋰電池放電終止電壓的保護值問題

由于磷酸鐵鋰電池放電到2.5 V電壓時容量基本為零，并且其開路電壓（OCV）曲線相對錳酸鋰電池初始階段更加陡峭（見圖1）。為了保護電池建議磷酸鐵鋰電池的BMS系統設置的放電終止保護電壓為2.7 V，這樣16只串聯的放電終止電壓為43.2 V，既符合通信行業現有使用習慣，更有利于磷酸鐵鋰電池的容量恢復。

圖1 錳酸鋰和磷酸鐵鋰的OCV－SOC曲線

（3）如何滿足通信用較大容量蓄電池組問題

目前單芯容量小于等于40 Ah的磷酸鐵鋰電池技術成熟、動力行業應用廣泛，如果在通信行業中使用，假如用于－48 V直流供電系統，要想達到400 Ah容量，需要將10只單芯容量為40 Ah的并聯然后再將16只已經并聯成400 Ah的電池單元串聯在一起，或者先將16只串聯組成40 Ah、48 V一組后，再將這樣的10組電池進行并聯使用。這里首先應確定一個問題，就是先把單只電池并聯成所需容量然后再串聯成48 V（簡稱先并后串型單元），還是先將單只電池串成48 V再把48 V電池單元并聯成所需容量（簡稱先串后并型單元）來使用呢？目前的答案顯然是選擇后一種，即“先串后并型單元”來使用較為合理。主要原因是磷酸鐵鋰電池目前都配備有電池管理系統（BMS），當生產企業將16只電池串聯成一個單元時，這個單元的BMS就管理與保護著16只單體電池，當發現故障時，可以自動切斷這個單元與供電系統的聯系而脫離出來，供電系統中的其他電池組依然能夠繼續正常工作。如果選用“先并后串型單元”，就會發生某個電池單元出現問題，這個單元的BMS不可能切斷本單元與供電系統的聯系的情況。因為每個電池單元都是串聯在一起為供電系統服務的，任何一個單元脫離系統都會中斷整組蓄電池與供電系統的聯系。

（4）通信行業如何使用磷酸鐵鋰電池問題

應用于通信行業的磷酸鐵鋰電池，首先應滿足通信行業現有高頻開關電源系統（－48 V或240 V）或UPS供電系統對蓄電池組管理的相關要求，即在不改變高頻開關電源或UPS供電系統現有功能的前提下使用。因此就需要鋰電池生產企業依據通信行業的特點制造出適用通信行業的產品。首先應將成熟的單芯容量為40 Ah的電池16只串聯成一組，成為一個“基本銷售單元”（40 Ah／51.2 V），然后針對這個單元開發出特有的電池管理系統（BMS），這個BMS應包括對每只電池的充放電管理以及對本單元的各種保護功能，但不可完全照搬動力行業用的保護功能，特別是中斷放電的保護功能要慎之又慎。通信行業用蓄電池長期處于浮充狀態，電池溫度很少在0℃以下，基本不存在無法充電問題；通信行業的整流系統都有蓄電池組過充電電流限制功能（一般≤0.25C10），而磷酸鐵鋰電池過充電電流值遠大于閥控式密封鉛酸蓄電池，因此無需單獨再限制鋰電池過流值。但當基本銷售單元（40 Ah／51.2 V）中有一只電池的電壓達到3.8 V時，應立即終止本單元的充電；為了保護磷酸鐵鋰電池過放電，BMS必須檢測基本銷售單元（40 Ah／51.2 V）中每一只電池的電壓，當任一只電壓為2.7 V時，應立即終止本單元的放電，因為鋰電池放電電壓由2.7 V到達2.5 V時間很短，設定為2.7 V可能更好。

磷酸鐵鋰電池現階段不應以單只電池的形式出售，而應該以具備完善BMS管理功能的基本銷售單元（如40 Ah／51.2 V）形式出售給通信行業，這樣通信企業就可以方便地將各個基本銷售單元并接成所需容量來使用。由于現階段的開關電源系統一般只具備兩個蓄電池組接入保險（開關），因此建議接入的基本銷售單元應為雙數（比如4組、6組等）分別均衡配置在兩個保險（開關）下面。

另外一套高頻開關電源系統下面最多能夠并接多少組基本銷售單元，還需要鋰電池生產企業通過大量的試驗數據得出可靠的結論。由于每組基本銷售單元都具有BMS管理系統，如果對每個單芯電池管理完善的話，做到6并、8并甚至10并都將可能。

基于磷酸鐵鋰電池的特點，配備磷酸鐵鋰電池的－48 V系統參數設置也應與使用傳統蓄電池不同。首先是電池充電限流值的設置，在經常停電地區，為了及時快速恢復電池組容量，建議電池充電限流值上限設為0.5 C10A。其次是－48 V系統平時浮充電壓的設置，建議設為57.6 V（也即為原來的均充電壓值），同時取消均充的設置。這樣相當于單只鋰電池一直處于3.6 V的充滿狀態，用基本銷售單元內的BMS管理內部電池的不均衡以及過電壓保護等；對于通信負載而言，承受57.6 V的電壓既可以正常工作，又可以減少用電電流、降低線路損耗與發熱。由于磷酸鐵鋰電池放電電壓曲線較為平直，不適宜依據放電電壓設定“一級下電”、“二級下電”的數值，建議取消設置。為了保護鋰電池組不會因為過放電而報廢，建議啟動高頻開關電源系統的低電壓保護功能。

7 總 結

雖然磷酸鐵鋰電池現階段單芯容量較小，但通過并聯以及BMS的科學管理，首先應用在FTTB和FTTH以及小功率基站上是可行的。本文以磷酸鐵鋰電池在－48 V直流供電系統中應用為例，分析了通信行業與動力行業的不同應用特點以及不同的關注側重點，提出磷酸鐵鋰電池銷售給通信行業，應以“基本銷售單元”為基本單位，基本銷售單元的BMS功能設計應結合高頻開關電源系統現有功能，希望為磷酸鐵鋰電池生產和使用者提供幫助。