磷酸鐵鋰電池在東北通信基站的應用前景研究

張雨默，李德鋒，李 偉，金 婷

（1.中國移動通信集團吉林有限公司網絡管理中心，吉林 長春 130000；2.吉林省電力有限公司梨樹縣供電公司，吉林 四平 136500）

0 引 言

隨著國家對新基建的大力扶持，5G及相關產業得到大力發展，作為5G物理載體的通信基站將會爆發式增長。5G基站能耗將大幅增加，相關研究表明，5G基站主設備AAU功耗約為4G主設備RRU的3倍。另一方面，由于5G基站的頻率特性，覆蓋相同區域與4G相比將需要更多基站，此時大量的小、微基站將會建立用于城市商業區及樓宇內分布，這對基站的供電復雜性帶來了新的挑戰，傳統的鉛酸電池無法在小、微站有限的空間條件下使用，而磷酸鐵鋰電池卻可以使用，磷酸鐵鋰自身節能、節地、節材的特點使其能夠適應復雜的環境[1]。磷酸鐵鋰電池在環保、充放電次數等方面同樣具有巨大優勢。同時磷酸鐵鋰電池成本不斷下降，自2012年至今其成本下降80%，在與鉛酸電池的成本對比中已經占有優勢，這些原因綜合導致磷酸鐵鋰電池的需求爆發式增長。

1 磷酸鐵鋰電池在通信行業使用概況

中國鐵塔公司很早就將磷酸鐵鋰電池應用于通信基站。鐵塔公司將退役磷酸鐵鋰電池進行拆分重組，檢測合格后使用，截至目前中國鐵塔約替換鉛酸電池近20萬t，計劃2020年磷酸鐵鋰電池換鉛酸共替換102～112萬座基站[2]。

中國移動自2020年開始大規模采購磷酸鐵鋰電池，并降低鉛酸電池采購份額，根據相關資料顯示2020年中國移動集采鐵鋰電池6.1億A·h，采購需求滿足期為1年，預計未來采購數量將持續加大。

2 磷酸鐵鋰的特性分析

2.1 磷酸鐵鋰電池工作原理

磷酸鐵鋰電池由正、負極板，隔膜、電解液、鋁塑膜等組成，磷酸鐵鋰作為正極材料，鋁箔與正極相連，中間是聚合物隔膜，將正負極分開，鋰離子可以通過，電子不能通過[3]。

由圖1可知，鋰離子電池反應的實質為Li+濃差電池：充電時，Li+從正極化合物中脫離并嵌入負極晶格；放電時，Li+從負極脫離并回歸正極。為保持電荷的平衡，充、放電過程中應有相同數量的電子經外電路傳遞，與 Li+一起在正負極間遷移，保持電位平衡。工作電位與構成電極的插入化合物的化學性質、Li+的濃度有關，為了增加系統導電性，在電池中加入黏合劑，加速電池反應[4]。在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于正極→負極→正極的運動狀態，方程式如下：

圖1 鐵鋰電池結構示意

2.2 磷酸鐵鋰電池組結構

磷酸鐵鋰電池組目前主要應用于基站及核心機樓開關電源系統中，通常以16支為一組，系統主架構包括鐵鋰電池組、電池保護以及電池均衡單元，并且具有監控模塊和充放電管理模塊。結構如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池組結構

電池組主要由電芯、連接系統、保護系統、電池管理系統（Battery Management System，BMS）封裝在電池外包裝內，如圖3所示。

圖3 電池組組成單元

2.3 磷酸鐵鋰電池的優點

2.3.1 高能量比、高容量比

同等條件下，鐵鋰電池的能量密度約為鉛酸電池的3～5倍，容量密度約為鉛酸電池的3倍，如圖4所示。

圖4 電池能量密度比較

在成組安裝的情況下，提供相同后備時長，磷酸鐵鋰電池所需重量約為鉛酸電池的50%，占地面積一般為鉛酸電池的30%～50%。

2.3.2 放電性能優異、使用壽命長

磷酸鐵鋰電池在放電性能方面，具有較大優勢，放電電流對放電容量影響在5%以內，循環壽命達到2 000次以上，同等條件下鉛酸電池僅為300次左右 ，如圖5所示。

圖5 鉛酸電池與鐵鋰電池放電壽命對比

2.3.3 無記憶效應

通信基站電池在實際使用中，經常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現象稱為記憶效應。而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處于什么狀態，可隨充隨用，且充、放電效率達95%以上。鉛酸電池不僅有記憶性，而且需要經?；罨?，即平時需要定期的小容量充放電，帶來浮充損耗。

2.3.4 耐高溫、綠色環保

磷酸鐵鋰電池工作范圍-20℃～75℃，鉛酸電池可在-20℃～45℃時工作，穩定工作范圍25℃～28℃；同時與鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池環保無污染[5]。

2.4 低溫狀態下磷酸鐵鋰電池特性

相關研究表明，低溫對磷酸鐵鋰電池的正負極、電解液、導電劑等都存在影響，低溫狀態下，鋰離子活性降低，電池正極本身電子導電性較差，低溫環境容易產生極化，導致活性鋰沉積及產生固態電解質界面，影響電解質中鋰離子的導電性能并降低鋰電子的遷移速率[6]；同時，低溫影響石墨嵌鋰速率，容易在負極形成鋰枝晶，穿刺隔膜，形成內部短路，造成嚴重安全隱患[7]。

低溫對磷酸鐵鋰電池的充放電均產生一定的影響，常規磷酸鐵鋰電池工作溫度為-20～60 ℃，不同溫度狀態下電池的放電曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度下電池放電曲線

當溫度降低到0℃以下時，電池性能迅速下降，-10℃與0℃對比，在2.7 V時釋放容量降低20%，-20 ℃時僅能釋放全容量的60%。因此0 ℃ 是磷酸鐵鋰電池容量的一個重要節點溫度[8]。

低溫對于磷酸鐵鋰電池的充電狀態影響更為嚴重，在低溫狀態下，電池內部容易形成鋰結晶，造成電池內部短路，此時充電極易產生電池內部熱失控，造成嚴重后果[8]。

3 磷酸鐵鋰電池在東北地區通信基站應用分析

3.1 東北地區冬季基站環境情況

我國東北地區由于冬季溫度較低，夜間溫度甚至達到-30 ℃以下，如圖7所示。

圖7 吉林省、黑龍江省冬季日均最低溫度

環境溫度的降低將極大程度影響基站內溫度，環境溫度與基站自身環境綜合決定基站內最終溫度，東北地區通信基站土建構造主要分為3類：磚混結構、彩鋼板房結構、一體化機柜，各類型基站冬季溫度情況如表1所示。

表1 不同類型基站冬季溫度情況

通過上面分析可知，部分基站在冬季處于0 ℃以下，這對磷酸鐵鋰電池的工作狀態造成極大影響，將導致電池性能下降，甚至報廢。

3.2 磷酸鐵鋰電池在東北地區使用及維護要點

目前基站針對磷酸鐵鋰電池的保暖主要有兩種方法。

（1）電池本身加裝熱膜

由于磷酸鐵鋰電池多為成組封裝，電池組自身配備BMS，只需要在電池組內部加裝熱膜裝置，如圖8所示。

圖8 電池組加熱膜裝置

加熱膜通過電池組自帶BMS進行邏輯控制，在交流電正常的條件下，當單體電芯表面溫度在0 ℃以下時， BMS控制加熱膜加熱，當溫度達到設定溫度時，BMS控制加熱膜停止加熱，此方法能夠有效克服了磷酸鐵鋰電池低溫性能差的弱點，保證在低溫條件下能正常發揮磷酸鐵鋰電池的應有容量。

除了對電池組加熱以外，還需要考慮電池組的保溫，有效的保溫措施可以保障電池組在加熱到正常工作所需的溫度后，能夠起到隔熱的作用，減少熱量的散發。通信用磷酸鐵鋰電池組內部的保溫系統設計通常采用保溫材料或者保溫層噴塑來實現。在電芯方面，鋁殼電芯外層采用麥拉膠帶包裹，對于電池組中電芯起到保溫作用；在電池組箱體方面，外部殼體采用噴塑的方式達到保溫的效果。

（2）通過基站內部溫度調節保證電池工作溫度

通信基站內大多裝有空調，同時通信設備在運行過程中也會產生大量熱量，根據負載大小，每月消耗電能約為2 000 kW·h左右，負載較大的基站甚至達到8 000～9 000 kW·h，這些電能80%以上轉化為熱量，通過空調與設備熱量綜合調節，通過動環監控系統進行溫度測量與調節，能夠有效保證冬季機房內溫度，保證磷酸鐵鋰電池正常工作。

4 磷酸鐵鋰電池全生命周期成本分析

4.1 采購成本分析

以兩組48 V、300 A·h電池為例綜合比較電池采購成本、基站電費支出、電池回收、全生命周期。

（1）采購成本：鐵鋰電池采購成本約為鉛酸電池的2～3倍；

（2）電費支出：由于鐵鋰電池耐高溫性能遠遠高于鉛酸電池，基站空調每年可節約電費10%～15%；

（3）電池回收：鉛酸電池回收價格約為5 000元/t，磷酸鐵鋰電池尚無此方面價格；

（4）生命周期：鉛酸電池生命周期一般為4～6年，磷酸鐵鋰電池生命周期為10～15年。

綜合以上信息可知鐵鋰電池與鉛酸電池成本分析如表2所示。

表2 鐵鋰電池與鉛酸電池成本分析

4.2 其他成本分析

隨著網絡設備的功耗與數量不斷增加，基站空間資源日趨緊張，同時基站所處地理環境較為惡劣，施工難度有所不同。磷酸鐵鋰電池在體積、重量方面優勢明顯 ，同鉛酸電池相比，鐵鋰電池具有占地面積更小、單組重量更小、搬運數量更少、可預留空間模塊化擴容等諸多優勢，從工程建設方面進一步降低使用成本，同時可以為機房節約寶貴的空間。

從成本角度全生命周期分析，磷酸鐵鋰電池的高能量比、優異的倍率放電性能、寬泛的溫度使用范圍及長壽命等特性使其完全具備在東北高寒地區大面積使用。

4.3 風險分析

4.3.1 爆炸和火災風險

根據磷酸鐵鋰的技術原理和產品特性，在實際中主要存在火災和爆炸的風險，從結構方面主要分為內因和外因，詳見表3。

表3 磷酸鐵鋰電池的風險分析

磷酸鐵鋰電池的火災特性主要是火災荷載大（電能轉換為化學能和熱能）、燃燒位置深、釋放熱量大、蔓延速度快；電池一旦出現短路，放電及發熱現象就不會完全終止，直至儲存的電能消耗殆盡[9]。電池局部或整體出現非正常發熱時，電解液因溫度升高發生分解或汽化，一旦遇到高溫或明火，可能發生劇烈燃燒或爆炸。個別電芯起火，會導致貼近的電芯同時受熱、起火，發生連鎖反應[10]。

4.3.2 磷酸鐵鋰電池的防護措施

根據目前的研究結果，蓄電池室設置的氣體滅火系統或細水霧滅火系統，不能有效撲滅磷酸鐵鋰電池火災。七氟丙烷、熱氣溶膠等常用滅火抑制劑也不具備撲救磷酸鐵鋰電池火災的能力[11]。

因此針對磷酸鐵鋰電池的火災及爆炸主要從3個方面入手：

（1）提高采購工作中的安全性檢測標準，對必選的安全性能及BMS要求、電磁兼容性等關鍵指標進行產品測試，并提供合格的檢測報告；

（2）采取物理隔離的防火措施并設置火災報警裝置，確保有效監控。電池架（柜）每層底部應配置電解液阻燃吸附盤并采用阻燃裝置及材料對電池組進行相應的物理隔離；

（3）加強磷酸鐵鋰電池的維護管理，完善磷酸鐵鋰電池維護規程，增加必要的安全性維護要求；確保電池機柜做好保護接地；維護部門應做好電池運行狀態的監測；加強維護作業人員的日常巡查，及時發現和排除電池運行故障，及時處置安全意外事件。

5 結 論

本文從原理、結構、低溫性能等方面對磷酸鐵鋰電池進行詳細分析，同時著重講解磷酸鐵鋰電池在低溫環境使用下的維護要點，并通過使用成本對比分析了磷酸鐵鋰電池在東北地區通信基站大面積使用的可行性，對使用磷酸鐵鋰電池帶來的風險進行了分析并給出相應防護建議。

在磷酸鐵鋰電池使用需求的推動下，磷酸鐵鋰電池的成本將不斷下降，電池組容量也將不斷增加。隨著環保要求及機房建設成本的不斷壓降，磷酸鐵鋰電池必將在通信行業得到廣泛應用，并逐漸替換鉛酸電池。