淺析鐵鋰電池在通信電源工程設(shè)計中的應(yīng)用

李巧玲，林禮明，林培桂

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計咨詢有限公司，北京100027）

0 引 言

在移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，蓄電池組作為通信電源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，具有相當(dāng)大的規(guī)模使用量。而近幾年，磷酸鐵鋰（分子式LiFePO4，Lithium Iron Phosphate，簡稱“鐵鋰電池”）作為正極材料的鋰離子電池，從生產(chǎn)規(guī)模到產(chǎn)品系列均有長足發(fā)展。在通信網(wǎng)絡(luò)運營中已出現(xiàn)由試點向批量應(yīng)用的發(fā)展趨勢。本文針對鐵鋰電池的優(yōu)良特性，與鉛酸電池進行對比，分析電池容量計算、電池組單體數(shù)量、電池管理系統(tǒng)以及對相關(guān)配套設(shè)施的影響因素，明確鉛酸電池與鐵鋰電池在工程設(shè)計中的差異，有助于鐵鋰電池在通信電源系統(tǒng)的合理運用。

1 電池性能指標(biāo)

在通信電源系統(tǒng)的工程設(shè)計中，選擇蓄電池時需要對其性能有比較清楚的認(rèn)識。性能指標(biāo)是評價電池優(yōu)劣的依據(jù)，主要關(guān)注重量比能量、體積比能量、壽命、工作溫度、經(jīng)濟性等方面。

（1）重量比能量：代表每千克質(zhì)量的電池能夠提供的能量，用Wh／kg表示，鐵鋰電池重量比能量是傳統(tǒng)鉛酸電池的4倍左右。其他各種類型電池重量比能量的對比見圖1。

（2）體積比能量：代表每公升容積的蓄電池能夠提供的能量，用 Wh／L表示，它標(biāo)志著蓄電池占據(jù)空間的大小。鐵鋰電池體積比能量是傳統(tǒng)鉛酸電池的3倍左右。其他各種類型電池體積比能量的對比見圖1。

圖1 常用二次電池體系的體積比能量和質(zhì)量比能量比較圖

（3）循環(huán)壽命：電池壽命表示其能夠正常工作的時間長短。通信用傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的設(shè)計壽命習(xí)慣用“年限”表示，如：2 V鉛酸電池10～20年，12 V鉛酸電池10～12年。但是在網(wǎng)上實際使用的條件下，鉛酸電池并未達到制造商承諾的使用年限，其中在環(huán)境溫度25℃左右的室內(nèi)型設(shè)備中壽命為6～7年；在室外型設(shè)備中由于環(huán)境溫度較高，此時鉛酸電池的壽命僅能實現(xiàn)2～3年；在頻繁停電、高溫高濕等惡劣條件的地區(qū)，鉛酸電池甚至不到數(shù)月其容量就低于額定值的80%而無法滿足設(shè)備正常備電時間的需要。

作為二次電池，由于使用條件具有較大差異，采用“循環(huán)次數(shù)”來評判電池壽命更科學(xué)。循環(huán)壽命是指電池組在特定性能失效之前所能進行的充放電循環(huán)次數(shù)。在25℃條件下，傳統(tǒng)鉛酸電池循環(huán)次數(shù)為400～600次，鐵鋰電池循環(huán)次數(shù)大于1 000次。

（4）工作溫度：環(huán)境溫度是影響電池工作狀況的重要因素，將會直接影響電池使用容量和壽命。

YD／T799－2002《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》5.2：在環(huán)境溫度－15 ℃～45 ℃條件下使用；YD／T 2344.1－2011《通信用磷酸鐵鋰電池組》（第1部部分：集成式電池組）5.1：在環(huán)境溫度－10℃～55℃條件下使用；YDB032—2009《通信用后備式鋰離子電池組》5.1：在環(huán)境溫度－20℃～60℃條件下使用，充電環(huán)境溫度：0～55℃、放電環(huán)境溫度：－20℃～60℃。

（5）經(jīng)濟性：在工程設(shè)計中，選擇蓄電池不僅僅考慮其本體的購買價格，更需要關(guān)注性價比。尤其對于蓄電池，其經(jīng)濟性分析的投入部分還需要包括因保證蓄電池的運行環(huán)境而投入的配套費用，如：空調(diào)購置費用、加固改造費用等。

2 鐵鋰電池優(yōu)良特性

電池特性包括能量密度、溫度、壽命、放電倍率、充電速度、安全、環(huán)保等多個方面，由于電池性能差異，在工程中將直接影響建設(shè)費用。

2.1 能量密度高、體積小、重量輕

在蓄電池的組成結(jié)構(gòu)中，由于正極材料的不同，其能量密度具有很大差異。經(jīng)過某電池廠家提供測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鐵鋰電池與鉛酸電池比較值（理論值）如圖2所示。

圖2 鐵鋰電池與鉛酸電池能量密度對比圖

從圖2可以看出，鐵鋰電池比鉛酸電池的體積減少1／3以上，重量減少1／2以上。電池重量和體積的小型化，在工程應(yīng)用中具有非常重要的現(xiàn)實意義。

（1）電池體積減少使電池的安裝更方便，尤其在室外小型基站的電源系統(tǒng)，可以裝入機柜也可以采用掛墻式，大大節(jié)省了放置空間；

（2）由于電池重量減輕，對樓板承重的要求降低，對于有些樓頂機房則不需要再做承重加固，大大減少了機房建設(shè)的費用。

2.2 高溫性能優(yōu)異

電池容量隨溫度上升而增加、隨溫度下降而降低，鋰電池的溫度特性如圖3所示。

圖3 鐵鋰電池高溫下放電特性

從圖3看出，鐵鋰電池具有較好的高溫特性，在環(huán)境溫度55℃時能夠正常工作。而鉛酸電池對溫度非常敏感，溫度提高，所有化學(xué)反應(yīng)都成指數(shù)上升。

鉛酸電池在環(huán)境溫度較高的情況下，有可能出現(xiàn)電池失效問題。

（1）當(dāng)環(huán)境溫度升高，由于內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度大大提高，電池易發(fā)生失水干涸而使電池失效；

（2）溫度的升高，會造成電池失水率大大增加，從而導(dǎo)致氧復(fù)合電流進一步加大。電池內(nèi)部溫度進一步提升，如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度不斷累積，最終形成熱失控，造成電池外殼鼓脹、變形、電解液干凅，電池容量下降而失效。

通過兩種類型電池的對比，鐵鋰電池良好的高溫特性，使電池環(huán)境適應(yīng)性得到很大提高。在通信行業(yè)工程建設(shè)中，由于鉛酸電池的溫度容忍度低于通信主設(shè)備，因此需要增加空調(diào)等配套設(shè)備，增加耗能。所以，具有良好高溫特性鐵鋰電池的應(yīng)用，可降低工程建設(shè)費用，同時，使運行成本下降，具有較好“節(jié)能”效果。

2.3 鐵鋰電池壽命長

目前，許多電池廠家提供的鐵鋰電池在常溫（25℃）條件下循環(huán)次數(shù)大于2 000次（1C放電電流），而相同條件下的鉛酸電池循環(huán)次數(shù)約為800次。對于高溫情況下，鐵鋰電池具有明顯優(yōu)勢。某電池廠家提供的測試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 鐵鋰電池55℃高溫下循環(huán)壽命

從圖4中可以看出，55℃環(huán)境下循環(huán)壽命在1 400次以后還剩余額定容量的80%。相比之下，鉛酸電池壽命受溫度影響較大，如圖5所示。

圖5 鉛酸電池循環(huán)壽命與溫度的關(guān)系圖

從圖5可以看出，電池溫度每升高10℃，電池浮充壽命減半。

目前，雖然鐵鋰電池的價格相對高一些，但結(jié)合循環(huán)壽命比較，常溫下使用壽命相差兩倍多，而高溫下差異更大，所以綜合比較鐵鋰電池具有較高的性價比。

2.4 高倍率放電

電池作為儲能裝置，其放電倍率直接影響可用容量的大小。傳統(tǒng)鉛酸電池放電容量系數(shù)見表1。

表1 鉛酸電池放電容量系數(shù)表

從表1可以看出，放電電流1C時，閥控電池只能放出全部容量的55%。

鐵鋰電池具有高倍率放電特性，在3C以上放電依然能放出全部容量的90%以上，如圖6所示。

圖6 鐵鋰電池在不同放電倍率下的放電曲線

鐵鋰電池高功率、深度放電的優(yōu)勢能有效減小所選電池容量。相應(yīng)電池容量的降低對機房空間及承重要求也會減少，可以有效降低工程建設(shè)難度。

2.5 其他特性

鐵鋰電池不但具有較好的工程優(yōu)勢，還具有不可估量的社會價值。主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）能量轉(zhuǎn)化效率高：鐵鋰電池能量轉(zhuǎn)化率一般可以做到95%以上，工廠內(nèi)測試可達到98%，而鉛酸電池一般在75%左右。鐵鋰電池降低了能量轉(zhuǎn)化損耗，提高了能量轉(zhuǎn)化效率，可以實現(xiàn)快速充電。

（2）安全性強：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電池不燃燒、不爆炸、安全性好。

（3）環(huán)保：所有原料無毒，整個生產(chǎn)過程清潔無污染，不會對環(huán)境造成危害。

3 工程設(shè)計注意事項

3.1 鐵鋰電池產(chǎn)品及應(yīng)用場景

（1）通信用鐵鋰電池產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

隨著YD／T2344.1－2011《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分：集成式電池組》標(biāo)準(zhǔn)的頒布，于2012年2月1日實施，使各電池生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品參數(shù)有據(jù)可依。由于《通信用磷酸鐵鋰電池組 第2部分：分立式電池組》（YD／T2344.1－2011）正在編制之中，目前適用于通信電源的鐵鋰電池均是集成式電池組，電壓等級48 V的常用容量（Ah）：5、10、20、30、40、50。

集成式電池組：鐵鋰電池單體標(biāo)稱電壓為3.2 V，由單體電池串聯(lián)或并聯(lián)成電池模塊，后由電池模塊與BMS組成電池組。由N個電池組并聯(lián)組成電壓等級更高、容量更大的電池組。

通信用鐵鋰電池產(chǎn)品與傳統(tǒng)鉛酸電池不同。集成式電池組是由電池廠家把單體3.2 V電池配組為48 V電池組，以集成化程度較高的電池組呈現(xiàn)，從而保證單體電池的一致性。與由2 V單體鉛酸電池所組成的48 V電池組相比，鐵鋰電池在體積和重量上均有較大優(yōu)勢。如某電池廠家的產(chǎn)品規(guī)格詳見表2所示。

表2 某電池廠家48 V鐵鋰電池規(guī)格表

為了對鐵鋰電池產(chǎn)品有更直觀的認(rèn)識，圖7為48 V系列50 Ah和10 Ah機架式的集成式電池組，不同容量電池對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化機柜的不同模數(shù)，安裝方便。

圖7 48 V系列集成式電池組

（2）鐵鋰電池應(yīng)用場景

在移動通信基站中，通常使用48 V直流電源系統(tǒng)。那么，對應(yīng)鐵鋰電池48 V系列產(chǎn)品，目前以單組小容量為主，其單組最大容量為50 Ah。

對于單組小容量鐵鋰電池，其體積小、重量輕，適用于室內(nèi)分布、wlan、室外一體化基站等場景，支持壁掛、抱桿、落地安裝方式。

對于大容量電池的需求采用多組并聯(lián)方案，根據(jù)不同應(yīng)用場景，分別有支架并聯(lián)系統(tǒng)、機柜并聯(lián)系統(tǒng)，如圖8所示，300 Ah并聯(lián)系統(tǒng)由6組50 Ah／48 V并聯(lián)，其中，柜式為19 Inch標(biāo)準(zhǔn)機柜27U。

圖8 多組并聯(lián)方案

YD／T5040－2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》4.3.1：直流供電系統(tǒng)的蓄電池一般設(shè)置兩組，此條款基于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池組特點而設(shè)定，二組電池具有容量備份功能。而在48 V鐵鋰電池組并聯(lián)系統(tǒng)中，每組電池的產(chǎn)品化生產(chǎn)使48 V整組性能穩(wěn)定性大大增加，當(dāng)電池組并聯(lián)以滿足容量需求時，可以采用n＋1的方式配置電池組容量。

3.2 鐵鋰電池容量計算

蓄電池標(biāo)稱容量是在一定條件下測定的，受溫度、放電率等因素影響。目前，因缺乏試驗數(shù)據(jù)，暫無準(zhǔn)確的鐵鋰電池容量計算公式。根據(jù)電池容量影響因子的相似性，可參考鉛酸電池的容量計算公式。YD／T5040－2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》4.3.3：鉛酸電池總?cè)萘坑嬎愎饺缦隆?/p>

式中各參數(shù)的定義不再細(xì)述，詳見設(shè)計規(guī)范。從式（1）中可以看出，影響總?cè)萘康闹饕蛩貫棣牵ǚ烹娙萘肯禂?shù)）和α（電池溫度系數(shù)1／℃）。

對于鐵鋰電池容量的計算，在參照上述公式時，注意鐵鋰電池與鉛酸電池的參數(shù)差異。如：放電容量系數(shù)見表3。

表3 鉛酸電池與鐵鋰電池放電容量系數(shù)（η）對比表

從表3可以看出，鐵鋰電池放電倍率特性遠(yuǎn)好于鉛酸電池，1C以內(nèi)電流放電容量差異較大，如：鐵鋰電池0.95、鉛酸電池0.5。所以，在后備時間短、大電流需求的場景，鐵鋰電池具有明顯優(yōu)勢。

對于電池溫度系數(shù)（α），從鐵鋰電池的溫度特性曲線可以看出，其高溫特性較好。鐵鋰電池和鉛酸電池的溫度系數(shù)應(yīng)該有所不同，有待于日后試驗數(shù)據(jù)確認(rèn)。

3.3 與開關(guān)電源系統(tǒng)相匹配

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池組的工作方式是在線浮充，選擇鐵鋰電池后，不僅僅是簡單替換，應(yīng)根據(jù)鐵鋰電池特性，綜合考慮與現(xiàn)有開關(guān)電源系統(tǒng)的兼容性。

（1）核實電池充電電壓

在通信電源系統(tǒng)中，電池組的均充、浮充電壓由開關(guān)電源控制，現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都是基于鉛酸蓄電池組參數(shù)設(shè)置的。而48 V鐵鋰電池組（或稱：鐵鋰電池模塊）有15芯和16芯兩種型式，其電壓參數(shù)詳見表4。

表4 鐵鋰電池組與鉛酸電池組參數(shù)對比

從表4可以看出，若采用16芯鐵鋰電池模塊，則原開關(guān)電源系統(tǒng)對電池的均、浮充電壓必須重新調(diào)整。鐵鋰電池對充電電壓限值敏感：電壓過低，容量不足；電壓過高，引起永久損壞。

由于鐵鋰電池對充放截止電壓要求嚴(yán)格，如某電池廠試驗數(shù)據(jù)顯示（對不同廠家，可能會有所變化，實際需要按不同廠家提供的資料進行調(diào)整），鐵鋰電池的充電電壓合理范圍為：3.55～3.7V之間，單體浮充電壓不得低于3.4V，如需均充，則需確保單體電壓不超過3.8V，否則將引起電池的徹底損壞。

對于目前鐵鋰電池模塊的兩種型式（15芯和16芯），其綜合情況對比見表5。

從表5可以看出，15及16芯電池單體串聯(lián)成48 V電池模塊都可以正常應(yīng)用；16芯比15芯電池模塊低溫特性較好，但增加一芯電池單體，成本略有上升，且需要調(diào)整現(xiàn)網(wǎng)開關(guān)電源充電參數(shù)。在工程設(shè)計中考慮現(xiàn)網(wǎng)開關(guān)電源參數(shù)與鐵鋰電池的適用性，保證鐵鋰電池的優(yōu)良性能正常發(fā)揮。

（2）與組合電源低電壓二級切斷功能的配合

低電壓二級切斷功能是近幾年在移動通信基站組合電源中廣泛使用的技術(shù)，是鑒于移動通信傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特殊性而采取的保障網(wǎng)絡(luò)運行安全的措施，即當(dāng)市電停電蓄電池放電過程中，當(dāng)蓄電池電壓達到一定數(shù)值后，自動切斷基站無線負(fù)荷（一級切斷），蓄電池優(yōu)先供應(yīng)傳輸負(fù)荷，當(dāng)蓄電池達到終止電壓時切斷所有負(fù)荷（二級切斷），保護蓄電池。

表5 鐵鋰電池模塊不同型式對比表

現(xiàn)網(wǎng)組合電源管理模塊基于鉛酸電池的放電特性而設(shè)置一級、二級切斷電壓值，對于采用鐵鋰電池的移動通信基站，根據(jù)電池廠家提供鐵鋰電池放電特性，必須合理調(diào)整二級切斷電壓值。

（3）電池管理系統(tǒng)與電源監(jiān)控模塊功能整合

追溯鐵鋰電池的起源為循環(huán)使用的動力電池，具有獨立完善的電池管理系統(tǒng)。那么，在通信電源系統(tǒng)中鐵鋰電池的應(yīng)用就會存在兩種思路。

一種是鐵鋰電池廠家提供電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system），可以對電池逐只進行充電管理和檢測，有利于提高電池的一致性，防止落后電池的發(fā)生。該系統(tǒng)采用間歇式充放電管理模式（詳見YD／T2344.1－2011），有利于維護電池的壽命和性能，與開關(guān)電源的連接詳見圖9。

圖9 鐵鋰電池與開關(guān)電源連接示意圖

現(xiàn)網(wǎng)通信電源系統(tǒng)的電池管理由開關(guān)電源廠家的監(jiān)控模塊實施完成。從圖9可以看出，電池管理將會處于“雙重”管理狀態(tài)，既有原電源系統(tǒng)浮充管理，又有電池廠家BMS系統(tǒng)。對于電池充放電管理，必須保證管理系統(tǒng)的兼容和統(tǒng)一，最大程度發(fā)揮鐵鋰電池功能。

另一種是取消電池管理系統(tǒng)的思路。鐵鋰電池采用和鉛酸電池相同的浮充和均充參數(shù)，由開關(guān)電源對其進行充放電管理。這種狀況相當(dāng)于鐵鋰電池直接替換鉛酸電池，但存在下列問題。

因鐵鋰電池先期主要應(yīng)用在汽車行業(yè)，允許大電流快速充電是鐵鋰電池的基本特征，推薦的充電電流為0.5C。目前，有些廠家承諾鐵鋰電池可以用0.05～0.1C的小電流充電。而鐵鋰電池長期小電流浮充對鐵鋰電池性能的影響，仍缺少足夠的實驗數(shù)據(jù)支撐。除浮充方式以外，也可以要求開關(guān)電源廠家內(nèi)置自動充放電功能，具體設(shè)定的充放電周期和電流應(yīng)符合鐵鋰廠家的要求。

總之，鐵鋰電池在通信電源系統(tǒng)的應(yīng)用處于實驗階段，建議采用有無電池管理系統(tǒng)（BMS）進行對比，以確認(rèn)配套電池管理系統(tǒng)的必要性，促進開關(guān)電源監(jiān)控模塊的功能開發(fā)。在后期條件成熟后，確定是直接取消電池管理系統(tǒng)，還是劃分給開關(guān)電源廠家負(fù)責(zé)集成，以完成鐵鋰電池管理系統(tǒng)和現(xiàn)網(wǎng)開關(guān)電源系統(tǒng)監(jiān)控模塊的功能整合。

4 結(jié)束語

鐵鋰電池具有優(yōu)異的性能，已在通信電源中有所應(yīng)用。目前，由于單體容量偏小，主要在小型化、分散化、環(huán)境惡劣的場景中應(yīng)用較多，并逐步成為鉛酸電池的有效補充。蓄電池作為通信電源系統(tǒng)組成部分，鐵鋰電池是優(yōu)秀的，為保證鐵鋰電池在通信電源系統(tǒng)中很好地發(fā)揮優(yōu)勢，必需掌握對鐵鋰電池特性的合理運用，使整個電源系統(tǒng)各組成部分相互匹配，最大限度發(fā)揮通信電源系統(tǒng)的綜合效能。

［1］YD／T5040－2005.通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范［S］.工業(yè)與信息化部，2006.

［2］YD／T2344.1－2011.通信用磷酸鐵鋰電池組 第一部分：集成式電池組［S］.工業(yè)與信息化部，2011.

［3］中國移動通信集團.磷酸鐵鋰電池在移動通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的研究［Z］.2010.

［4］江蘇雙登電源有限公司產(chǎn)品資料［Z］.2010.