通信行業(yè)鋰離子電池技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景研究

1 概述

隨著5G移動(dòng)通信和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，新業(yè)務(wù)、新設(shè)備、新產(chǎn)品層出不窮，作為通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的最后一道防線，后備電源特別是電池技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通信領(lǐng)域采用的電池不僅包括傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，還有多種鋰離子電池等，鋰電池由于其高功率密度以及高溫特性好等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)鉛酸電池更適合與基帶處理單元、IT設(shè)備等就近擺放，甚至可進(jìn)一步分散放在IT設(shè)備內(nèi)部。

目前鋰電池主要應(yīng)用于各類(lèi)容量較小或者較輕便攜帶方便的場(chǎng)景，但已逐步從便攜式產(chǎn)品市場(chǎng)逐步向后備式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域延伸。在通信用后備式電源領(lǐng)域，隨著接入網(wǎng)的發(fā)展和通信機(jī)柜的小型化，國(guó)內(nèi)外多個(gè)通信設(shè)備制造商已推出一系列機(jī)架式通信用后備式鋰離子電池組，各大運(yùn)營(yíng)商也已開(kāi)始正式投入使用。目前比較成熟的鋰離子技術(shù)主要包括磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、鈦酸鋰電池等，其中，實(shí)際應(yīng)用相對(duì)更成熟廣泛的是磷酸鐵鋰電池。

2 磷酸鐵鋰電池技術(shù)特點(diǎn)

2.1 基本原理及特點(diǎn)

磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）在充電過(guò)程中，Li+在聚合物隔膜朝著負(fù)極方向遷移，放電過(guò)程中鋰離子Li+朝著正極遷移。鋰離子電池的電化學(xué)性能較為突出，充放電結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱(chēng)電壓為3.2 V。能量體積比可達(dá)到160 kWh/m3～210 kWh/m3。放電倍率遠(yuǎn)優(yōu)于鉛酸蓄電池，1h率容量C1為0.9C10，3h率容量C3為0.95C10，10h率容量為C10。大電流充電和放電性能良好，可以實(shí)現(xiàn)3C電流充放電，且受高溫影響較小。

通信用磷酸鐵鋰電池技術(shù)較成熟，已發(fā)布一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或研究報(bào)告：

（1）通信行業(yè)研究 報(bào)告《通信用后備式鋰離子電池組》（YDB032-2009）

（2）通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信用磷酸鐵鋰電池組》《第1部分集成式電池組》（YD/T 2344.1-2011）--集成式電池單體容量系列為100 Ah及以下[1]。

（3）通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信用磷酸鐵鋰電池組》《第2部分分立式電池組》（YD/T 2344.2-2015）--分立式電池單體容量系列：50、100 Ah及以上[2]。

2.2 與鉛酸電池主要性能對(duì)比

具體對(duì)比如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池對(duì)比

總體來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰電池較傳統(tǒng)鉛酸蓄電池具有體積小、重量輕、能量密度高、壽命長(zhǎng)、使用安全、大電流快速充電、耐高低溫、放電深度大、綠色環(huán)保和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。有助于改善傳統(tǒng)鉛酸蓄電池缺陷和不足所帶來(lái)的影響，更能滿(mǎn)足未來(lái)通信技術(shù)發(fā)展的要求，隨著其技術(shù)進(jìn)一步成熟、價(jià)格逐步降低，預(yù)計(jì)其市場(chǎng)份額將逐步增大。

2.3 磷酸鐵鋰電池目前主要應(yīng)用問(wèn)題

（1）BMS管理系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)電源的兼容問(wèn)題

當(dāng)前大部分BMS的保護(hù)功能是將鐵鋰電池進(jìn)行切斷，脫開(kāi)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)功能。鐵鋰電池深度放電之后，BMS對(duì)電池進(jìn)行斷路保護(hù)，采取保護(hù)措施后鐵鋰電池端電壓為0 V，而目前基站所使用的部分廠家的開(kāi)關(guān)電源采用了鉛酸蓄電池充電保護(hù)邏輯，即如果檢測(cè)到電池端為0 V，將認(rèn)為電源設(shè)備后端沒(méi)有蓄電池做保障，為了不對(duì)通信負(fù)載造成頻繁浪涌沖擊，因此電源設(shè)備暫不輸出電壓，結(jié)果無(wú)法對(duì)斷路保護(hù)后的鋰電池進(jìn)行再充電。

（2）-48 V電源系統(tǒng)采用15電芯和16電芯串聯(lián)的分歧

磷酸鐵鋰電池組模塊一般由單體電池電芯串聯(lián)組成，目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是16個(gè)單體電芯串聯(lián)的模塊，但在15或16串電芯的問(wèn)題上一直存在分歧。在通信領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)了使用16串電芯技術(shù)時(shí)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源對(duì)鐵鋰電池組系統(tǒng)充電不足的現(xiàn)象。

（3）鐵鋰電池充電管理和保護(hù)問(wèn)題

鐵鋰電池的BMS管理系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)電源的監(jiān)控系統(tǒng)能否合理兼容，對(duì)鐵鋰電池的使用管理和保護(hù)有很大影響。

（4）鐵鋰電池過(guò)放電

鐵鋰電池過(guò)放電，電池組模塊中落后的電池將率先放電到0V，此時(shí)存在出現(xiàn)電池極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的可能性，會(huì)對(duì)電池造成永久性損壞。

3 磷酸鐵鋰電池在通信基站的應(yīng)用

3.1 一體化基站應(yīng)用

在通信基站應(yīng)用鐵鋰電池的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)宏基站、微基站的重要程度、分布情況、建站條件等，制定有差別的使用原則：

（1）適合室外一體化基站：通信運(yùn)營(yíng)商在發(fā)展中，逐漸更多地采用更加便于快速部署的室外一體化基站。此時(shí)鋰電池和通信電源組成一體化電源，可以方便地掛在樓道墻壁上、安裝在樓頂上及固定在電線、燈桿上。

（2）適合室分系統(tǒng)、CBO/CBOE、MBO、WLAN、XPON等各種耗電較小的應(yīng)用場(chǎng)景。

（3）適合偏遠(yuǎn)農(nóng)村基站，停電頻繁，環(huán)境溫度高，鉛酸電池維護(hù)成本高，若改用鐵鋰電池，循環(huán)壽命長(zhǎng)，可深度充放電，安裝維護(hù)方便。

（4）適合機(jī)房面積狹窄、承重低的市中心基站，鐵鋰電池可更加靈活安裝。

（5）對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能、儲(chǔ)能站循環(huán)充放電頻率高的特點(diǎn)，磷酸鐵鋰電池具有優(yōu)勢(shì)。

（6）對(duì)于可靠性、通信安全性要求較高的宏基站，使用鐵鋰電池應(yīng)具有較完善保護(hù)告警功能，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

3.2 梯次電池應(yīng)用

3.2.1 梯次電池簡(jiǎn)介

梯次利用動(dòng)力鋰電池簡(jiǎn)稱(chēng)梯次電池，是指在電動(dòng)汽車(chē)上退役進(jìn)行二次處理后使用的動(dòng)力鋰電池，目前的梯次電池全部為磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰電池。現(xiàn)已在中國(guó)鐵塔公司的基站得到了廣泛應(yīng)用。梯次電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）動(dòng)力鋰電池梯次利用后仍能夠剩余6年的實(shí)際壽命和400～2 000次的實(shí)際循環(huán)次數(shù)，較傳統(tǒng)鉛酸電池的3～6年使用壽命、200次的實(shí)際循環(huán)次數(shù)有大幅的提高。

（2）耐高溫能力強(qiáng)，鋰電池滿(mǎn)足45℃以下極限工況的使用。

（3）放電特性好，大電流放電時(shí)容量利用率高。

（4）充放電轉(zhuǎn)換效率高，梯次電池的能量轉(zhuǎn)換效率較鉛酸電池高10-15%。

（5）占地小、重量輕、運(yùn)輸成本低，重量和體積為同容量鉛酸電池的1/2。

3.2.2 通信行業(yè)梯次電池目前主要有三種應(yīng)用方式

a、電池包直接應(yīng)用，b、利用模組進(jìn)行應(yīng)用，c、拆解單體成組應(yīng)用，如圖1所示，優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

圖1 梯次電池的三種應(yīng)用

表2 三種應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.3 梯次電池應(yīng)用注意事項(xiàng)

（1）外部短路對(duì)電池安全的影響：鋰離子電池在使用過(guò)程中，可能在電池運(yùn)輸過(guò)程中、電池組線路老化和振動(dòng)、碰撞等情況下發(fā)生外部短路的情況，可能造成電池失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池的熱失控。

（2）高低溫對(duì)電池安全的影響：在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量急劇降低，內(nèi)阻增大，在電池充放電時(shí)析出金屬單體鋰，有可能會(huì)刺穿電池內(nèi)部的正負(fù)極，使電池發(fā)生內(nèi)部短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電芯熔化，電池著火和爆炸等安全問(wèn)題。在高溫環(huán)境下，高于55℃時(shí)鋰離子電池的容量衰減速率加快，電池壽命減少。溫度高于90℃時(shí)，將導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生。

（3）過(guò)充電對(duì)電池安全的影響：鋰離子電池在過(guò)充電過(guò)程中，鋰從正極材料中脫離出來(lái)，電池的電壓和溫度在很短的時(shí)間內(nèi)快速升高，可能會(huì)發(fā)生熱失控現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生燃燒或爆炸的安全事故。

（4）過(guò)放電對(duì)電池安全的影響：電池過(guò)放電放電電壓超過(guò)電池額定放電截止電壓，可能會(huì)導(dǎo)致電池容量的衰減，電池發(fā)生內(nèi)短路，電池溫度出現(xiàn)異常出現(xiàn)熱失控等安全問(wèn)題。

（5）加強(qiáng)梯次電池安全管理：安全運(yùn)輸和儲(chǔ)運(yùn)；加強(qiáng)培訓(xùn)，規(guī)范建設(shè)和維護(hù)；合理使用溫度調(diào)節(jié)設(shè)備；做好限流控制，加強(qiáng)動(dòng)環(huán)監(jiān)控力度；增設(shè)一定的消防設(shè)施（如滅火沙包）。

4 磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

相對(duì)于鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池單體容量偏小，目前更多應(yīng)用于小型化、分散化、環(huán)境惡劣的場(chǎng)景。而數(shù)據(jù)中心的外電和油機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn)較高，因此在應(yīng)用磷酸鐵鋰電池時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)利用其能量密度較高和常溫倍率性能良好的特點(diǎn)，更適用于機(jī)房分布式供電模式或模塊化機(jī)房，在通信機(jī)房設(shè)備機(jī)架列端安裝供電系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池體積小、容量大、重量輕的特點(diǎn)，可以有效滿(mǎn)足通信設(shè)備需求。

4.1 鋰電池入列應(yīng)用方案（華為案例）

華為公司鋰電池入列方案簡(jiǎn)述：主體采用微模塊數(shù)據(jù)中心，不間斷電源采用模塊化UPS柜；蓄電池采用磷酸鐵鋰電池柜，詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 華為鋰電池入列應(yīng)用方案結(jié)構(gòu)圖

圖3 華為SmartLi鋰電柜結(jié)構(gòu)

該方案主要優(yōu)點(diǎn)：鋰電能量密度高，相對(duì)于鉛酸蓄電池占地減少70%；配合模塊化UPS，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜在線擴(kuò)容。

4.2 鋰電池入列應(yīng)用方案（聯(lián)方云天案例）

聯(lián)方云天公司數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)由分布式電源系統(tǒng)設(shè)備和能源管理平臺(tái)構(gòu)成，分布式電源系統(tǒng)設(shè)備對(duì)IT設(shè)備提供持續(xù)的供電，能源管理系統(tǒng)對(duì)分布式供電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行日常管理、監(jiān)控及能源調(diào)度。

分布式電源系統(tǒng)設(shè)備由電源模塊，控制模塊和鋰電池模塊組成，各模塊組合安裝在一個(gè)主機(jī)箱中，主機(jī)箱可以部署在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)柜中。采用軟件定義能源技術(shù)，電源模塊負(fù)責(zé)電力的穩(wěn)定輸入輸出；控制模塊負(fù)責(zé)各功能模塊的信息采集、設(shè)備狀態(tài)管理及能源調(diào)度；鋰電池模塊負(fù)責(zé)電力儲(chǔ)能，鋰電池模塊中的BMS(電池管理系統(tǒng))負(fù)責(zé)對(duì)電芯進(jìn)行監(jiān)控及均衡等管理，詳見(jiàn)圖4。

圖4 聯(lián)方云天鋰電池入架應(yīng)用方案（DPS）結(jié)構(gòu)圖

本方案主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）真正模塊化：DPS與微模塊數(shù)據(jù)中心完美整合，實(shí)現(xiàn)真正的模塊化；

（2）改造靈活：雙UPS改造、供電擴(kuò)容交換機(jī)房改造DC、承重受限機(jī)房改造DC

（3）節(jié)省空間：無(wú)需UPS和電池配置，同等面積下增加業(yè)務(wù)機(jī)柜部署；

（4）按需部署：客戶(hù)UPS和IT業(yè)務(wù)同步上線，根據(jù)預(yù)算及業(yè)務(wù)特點(diǎn)按需部署；

（5）集成化部署：集裝箱數(shù)據(jù)中心、一體化機(jī)柜。

4.3 在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用鋰電池的注意事項(xiàng)

UPS及其配套鉛酸蓄電池組經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，已形成了一整套較為完善的設(shè)計(jì)、運(yùn)維規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。而磷酸鐵鋰電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)電壓等級(jí)48 V，常用容量（Ah）：5、10、20、30、40、50的電池，并不適用于常規(guī)的交流供電UPS。因此仍需更為深入的研究和更為廣泛的測(cè)試，包括電池單體的串并聯(lián)方式和BMS管理功能等。

磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)于充放電截止電壓要求較傳統(tǒng)鉛酸電池有著更為嚴(yán)格的要求。一般情況下，鐵鋰電池的充電電壓為3.55～3.7 V，單體浮充電壓不得低于3.4 V；均充模式下，單體電壓不超過(guò)3.8 V，否則將引起電池的徹底損壞。因此，磷酸鐵鋰電池不可簡(jiǎn)單的對(duì)在用鉛酸電池進(jìn)行直接替換，需要單獨(dú)配置相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)（BMS）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電池充電過(guò)程、放電過(guò)程和相應(yīng)的保護(hù)措施等功能。

5 其他鋰離子電池技術(shù)及應(yīng)用簡(jiǎn)介

5.1 三元鋰電池[4]

三元鋰電池的正極材料以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料融成；負(fù)極材料為石墨或其它碳素材料，與電解液、隔膜等組成的鋰離子電池，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.6-3.8 V。從形狀上來(lái)分，可分為軟包電池、圓柱電池和方形硬殼電池。三元鋰電池技術(shù)發(fā)展較快，已和磷酸鐵鋰電池形成了較明顯的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

三元鋰電池能量密度比較高，振實(shí)密度高，續(xù)航里程長(zhǎng)，輸出功率較大，低溫性能優(yōu)異，但高溫穩(wěn)定性差，造價(jià)也比較高。在能量密度方面，三元鋰電池優(yōu)于磷酸鐵鋰電池；在循環(huán)壽命方面，二者相當(dāng)，單電芯的循環(huán)壽命都可達(dá)到3 000次以上。

三元鋰電池是電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)和其他電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的主要電池類(lèi)型之一。但其防起火安全性和高成本方面存在較大的負(fù)面的影響，業(yè)界正在研究改進(jìn)對(duì)策，以期提高其安全性和降低成本。目前磷酸鐵鋰電池能量密度已經(jīng)基本達(dá)到理論極限，而三元電池的能量密度還有較大提升空間。在新能源汽車(chē)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，當(dāng)三元鋰電池解決安全和成本問(wèn)題之后，很有可能會(huì)逐漸取代目前磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)地位。

5.2 錳酸鋰電池

錳酸鋰電池采用成本低、安全性和低溫性能好的正極材料，但是其材料本身并不太穩(wěn)定，容易分解產(chǎn)生氣體，因此多用于和其它材料混合使用，以降低電芯成本，純錳酸鋰電池大都在特殊情況下應(yīng)用。錳酸鋰電池標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V，耐熱沖擊和穿刺能力強(qiáng)，錳酸鋰電池的低電池內(nèi)阻可實(shí)現(xiàn)快速充電和大電流放電。但短路會(huì)引起防爆膜破裂，而過(guò)充則會(huì)發(fā)生起火、爆炸，高溫性能較差，電池溫度不能超過(guò)80℃。其循環(huán)壽命衰減較快、壽命相對(duì)短，錳酸鋰的容量大約比鈷酸鋰低三分之一。錳酸鋰主要用于大中型號(hào)電芯，多用于電動(dòng)工具，醫(yī)療器械，以及混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)。

5.3 鈷酸鋰電池

鈷酸鋰電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽(yáng)極組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比容量高、綜合性能突出。鈷酸鋰電池標(biāo)稱(chēng)電壓3.7 V，主要用于中小型號(hào)電芯。由于其電化學(xué)性能優(yōu)越、加工性能優(yōu)異、振實(shí)密度大、有助于提高電池體積比容量、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，其主要應(yīng)用于制造手機(jī)和筆記本電腦及其它便攜式電子設(shè)備的鋰離子電池，這方面的技術(shù)也很成熟，市場(chǎng)份額穩(wěn)定。但應(yīng)用的最大缺點(diǎn)是成本高，壽命相對(duì)較短，熱穩(wěn)定性低和負(fù)載能力有限，同時(shí)應(yīng)用于動(dòng)力電池方面也有一定的難度。

5.4 鈦酸鋰電池

鈦酸鋰電池具有高安全、快充放、長(zhǎng)壽面、耐溫寬等特點(diǎn)。但是鈦酸鋰電池在循環(huán)使用中會(huì)發(fā)生持續(xù)產(chǎn)氣導(dǎo)致電池包鼓脹，高溫時(shí)尤其嚴(yán)重，影響電池正負(fù)極的接觸，增加電池阻抗，影響電池性能的發(fā)揮，這些缺點(diǎn)限制了鈦酸鋰電池的廣泛應(yīng)用。其次，鈦酸鋰的能量密度也比其他鋰離子電池低，也不利其在新能源汽車(chē)上應(yīng)用。

鈦酸鋰電池儲(chǔ)能在供電側(cè)、發(fā)電側(cè)、用戶(hù)側(cè)多場(chǎng)景均有應(yīng)用。在發(fā)電側(cè)，鈦酸鋰電池快響應(yīng)特性針對(duì)風(fēng)電和光伏發(fā)電本身的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間隙性，其儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)可平滑間歇性電源功率波動(dòng)；供電側(cè)，鈦酸鋰電池及儲(chǔ)能系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命和高穩(wěn)定特性對(duì)電網(wǎng)可削峰填谷，高效率提高電能質(zhì)量；用戶(hù)側(cè)，憑借全生命周期低成本和快速充放電特性，鈦酸鋰技術(shù)充分被分布式系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)、家用儲(chǔ)能等場(chǎng)景采用。

6 鋰離子電池未來(lái)應(yīng)用展望

當(dāng)前制約鋰離子電池在通信等行業(yè)應(yīng)用的主要因素包括新的鋰離子電池系統(tǒng)以及高安全工作機(jī)理、高性能處理材料目前還沒(méi)有完全形成，新型處理材料及電解質(zhì)材料的研發(fā)應(yīng)用還處在初步探索階段。但隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科研工作者將會(huì)繼續(xù)研發(fā)能量密度更高、功率更大、循環(huán)使用壽命更長(zhǎng)的高效能鋰離子電池。

我們需要對(duì)不斷涌現(xiàn)的各類(lèi)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)行深入研究和分析，在實(shí)踐中檢驗(yàn)鋰電池的使用效果，使其更匹配通信基站或數(shù)據(jù)中心的實(shí)際需求，提高綜合效能和安全可靠性。預(yù)計(jì)隨著鋰電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，其優(yōu)勢(shì)將會(huì)體現(xiàn)的越來(lái)越明顯，從而逐步得到更廣泛的應(yīng)用。