磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)應(yīng)用中的若干問題探討

張紅源

南京奧聯(lián)信息技術(shù)有限公司 210019

摘要：本文通過對磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特性分析，結(jié)合當(dāng)前正在進(jìn)行的磷酸鐵鋰電池測試、試點應(yīng)用情況，主要對磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)應(yīng)用中的一些主要問題進(jìn)行探討分析。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；充放電特性；充放電電壓；BMS 容量計算

一、目前，在通信行業(yè)中所大量使用的閥控式密封鉛酸蓄電池，經(jīng)過數(shù)年的建設(shè)及運行維護(hù)經(jīng)驗總結(jié)，主要存在能量密度低、運行環(huán)境溫度要求高、放電效率低、壽命短、鉛污染嚴(yán)重等弱點。

隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展、節(jié)能減排的需要，在新形勢下通信行業(yè)對蓄電池有了更好的要求，需要革命性的技術(shù)進(jìn)步才可以解決上述問題，為了加快磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的推廣應(yīng)用，中國移動正積極開展試點研究工作，探索中國移動引入磷酸鐵鋰電池的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。

本文通過對磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特性分析，結(jié)合磷酸鐵鋰電池測試、應(yīng)用情況，主要對磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)應(yīng)用中的一些主要問題進(jìn)行探討分析。

二、磷酸鐵鋰蓄電池技術(shù)特性

二（一）磷酸鐵鋰蓄電池工作基本原理

磷酸鐵鋰電池工作基本原理與鉛酸電池完成不同。電池充電時，Li+從磷酸鐵鋰材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場力的作用下，進(jìn)入電解質(zhì)，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到負(fù)極石墨晶體的表面，然后嵌入負(fù)極石墨材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箔，經(jīng)極耳、電池極柱、負(fù)載、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的銅箔電極，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。

電池放電時，Li+從石墨晶體中脫嵌出來，進(jìn)入電解質(zhì)，穿過隔膜，再經(jīng)電解質(zhì)遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的材料中。與此同時，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、負(fù)載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。

二（二）磷酸鐵鋰電池充放電特性

磷酸鐵鋰電池充電時，可分為恒流充電和限壓充電兩個過程，首先是恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到3.6V時電池轉(zhuǎn)入3.6V恒壓充電，直至電流減小至初始充電電流的10%或者為零。磷酸鐵鋰電池放電時，放電電壓非常平穩(wěn)，一般在3.2V左右，放電后期（主要指剩余的10%容量）的電壓變化較快，放電的截止電壓一般可以到2.5V左右。

二（三）磷酸鐵鋰電池溫度特性

通過大量實驗表明：環(huán)境溫度對磷酸鐵鋰電池充、放電性能和循環(huán)壽命有一定的影響。

二（三）①環(huán)境溫度對電池充電的影響

由于磷酸鐵鋰材料自身的電化學(xué)特性，該電池的低溫充電性能稍差，充電溫度要求在-10℃以上，否則電池的不可逆容量會隨著溫度的降低而升高。

二（三）②環(huán)境溫度對電池放電的影響

環(huán)境溫度對磷酸鐵鋰電池放電影響相對鉛酸蓄電池要小很多，對同等規(guī)格的兩種蓄電池進(jìn)行溫度特性測試，磷酸鐵鋰電池要比密封閥控鉛酸電池容量高出20%左右。

二（三）③環(huán)境溫度對電池循環(huán)壽命的影響

通過對50Ah/3.2V磷酸鐵鋰電池在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行循環(huán)壽命測試發(fā)現(xiàn)：常溫時（25℃左右），電池循環(huán)壽命約為2000次，60℃溫度時，電池循環(huán)壽僅為25℃時的一半。

三、磷酸鐵鋰電池充、放電電壓設(shè)置問題

三（一）磷酸鐵鋰電池充電電壓設(shè)置

磷酸鐵鋰電池充電過程中，首先是恒流充電，電池電壓初期有較大上升，之后趨向平緩，當(dāng)電池電壓上升到3.6V時表明電池已充滿，此時電流迅速減小至初始充電電流的10%或者為零，電壓迅速上升。如果此時不對充電電壓進(jìn)行限制，電池很快就發(fā)生過充電，其電池過充特性情況如圖1-1所示：

圖1-1：磷酸鐵鋰電池過充特性曲線

當(dāng)電壓達(dá)到約4.2V以上時電解液開始逐步分解產(chǎn)生氣體（如CO2 CH4 C2H4等），導(dǎo)致電池發(fā)鼓；當(dāng)電壓達(dá)到10.0V時，電流開始下降，此時電解液基本分解完，電池溫度升到70度左右后開始緩慢下降。

為了避免電池過充，必須將電池充電電壓限制在4.2V以下，同時考慮到采用-48V供電的通信設(shè)備最大承受電壓為-57～-60V，因此磷酸鐵鋰電池充電電壓建議設(shè)置為3.6～3.7V。

三（二）磷酸鐵鋰電池放電截止電壓設(shè)置

磷酸鐵鋰電池放電時，電池放電電壓非常平穩(wěn)，一般在3.2V左右，放電后期（主要指剩余的10%容量）的電壓下降非?？?。若不加以控制，電池很快就發(fā)生過放電。

為了避免電池過放，磷酸鐵鋰電池放電截止電壓必須限制在2.0V以上，同時考慮到采用-48V供電的通信設(shè)備最小承受電壓為-40V，因此磷酸鐵鋰電池放電截止電壓建議設(shè)置為2.7V以上。

四、電池管理系統(tǒng)（BMS）選擇問題

由于磷酸鐵鋰電池制造工藝復(fù)雜及鋰離子的相對活躍性，所以電池組中的單體電池電壓就存在不一致的現(xiàn)象，再加上鐵鋰電池充、放電曲線末端的比較陡，在蓄電池組充、放電過程中，微小的不一致就可能導(dǎo)致整組電池中某節(jié)電池達(dá)到過充或過放電壓點，從而加劇落后電池的損壞。

從大量實驗來看，目前還很難通過控制整組電池電壓避免在蓄電池組充、放電過程中某節(jié)電池過充、過放的現(xiàn)象。

基于上述原因，為確保電池性能良好，延長電池使用壽命，需配置BMS對單體電池進(jìn)行合理有效的管理和控制。

BMS主要作用：在蓄電池組充、放電過程中，對單體電池進(jìn)行過充、過放保護(hù)。

BMS工作原理：當(dāng)單體電池充電電壓超過允許值時，立即停止充電，斷開充電設(shè)備與電池組的連接；當(dāng)單體電池放電電壓低于保護(hù)值時，立即停止放電，斷開用電設(shè)備與電池組的連接，并伴有報警提示。

五、磷酸鐵鋰電池對開關(guān)電源充電管理功能的要求

目前開關(guān)電源電池充電管理功能都是根據(jù)鉛酸電池充電特性設(shè)計的，鉛酸電池主要采用恒壓限流方式進(jìn)行充電，而磷酸鐵鋰電池則采用先恒流后限壓方式進(jìn)行充電。由于現(xiàn)有的開關(guān)電源不具備恒流功能，如果用于磷酸鐵鋰電池充電，可借助開關(guān)電源的限流功能來實現(xiàn)。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻非常小（如48V電池組約為10mΩ），初期充電電流非常大，如果開關(guān)電源來不及限流，將會引起整流模塊過載損壞。為了避免此問題，與磷酸鐵鋰電池配合使用的開關(guān)電源限流調(diào)整精度要求達(dá)到1%，監(jiān)控調(diào)整時間步長為2-5s，限流值設(shè)置為充電電流0.1C10。

結(jié)論

目前磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)中應(yīng)用還處于基站試應(yīng)用初期階段，各電池廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能差別較大。本文相關(guān)內(nèi)容屬于階段性實驗、試點應(yīng)用總結(jié)，僅供參考，相關(guān)數(shù)據(jù)還需要在實際應(yīng)用中進(jìn)行反復(fù)實驗論證。