楊燕平，鄭發(fā)秀，湯志剛

（1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)浙江有限公司，杭州 310006；2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司浙江分公司，杭州 310020）

1 引言

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池對(duì)工作環(huán)境的需求高，已凸顯出其在通信基站特殊場(chǎng)景使用的局限性。各種新型儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用層出不窮，磷酸鐵鋰電池已廣泛應(yīng)用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而在通信系統(tǒng)的應(yīng)用情況，在行業(yè)里的驗(yàn)證已較為完善，得出結(jié)論也皆為類(lèi)同。當(dāng)前，磷酸鐵鋰電池在通信系統(tǒng)得不到較為廣泛的應(yīng)用，主要原因是其設(shè)備的價(jià)格相對(duì)略高；充放電受到BMS的控制不適應(yīng)通信系統(tǒng)要求。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的投入力度加大，行業(yè)應(yīng)用技術(shù)不斷研發(fā)，磷酸鐵鋰電池在不久將來(lái)會(huì)得到廣泛使用。針對(duì)現(xiàn)階段通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的特殊場(chǎng)景（高溫環(huán)境下），對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證在各種環(huán)境溫度的充放電性能情況。

2 鐵鋰電池工作原理

電池一般包括：正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、正極引線、負(fù)極引線、中心端子、絕緣材料、安全閥、密封圈、PTC（正溫度控制端子）、電池殼等。其中正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)以及隔膜的不同或者工藝的不同，對(duì)電池的性能和價(jià)格有著決定性的影響。

通常所稱(chēng)的鋰電池，是以各種含鋰材料為正極材料的電池，目前市場(chǎng)上的鋰離子電池正極材料主要是鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4），另外還有少數(shù)采用鎳酸鋰（LiNiO2）以及二元/三元聚合物作正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）材料作電池正極的鋰離子電池。

LiFePO4電池的工作原理是：電池充電時(shí)，正極材料中的鋰離子脫出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液，穿過(guò)隔膜進(jìn)入到負(fù)極材料中；電池放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極中脫出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液，穿過(guò)隔膜回到正極材料中（鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來(lái)回遷移而命名的，所以鋰離子電池又稱(chēng)“搖椅電池”）。

由于當(dāng)前正極材料和生產(chǎn)工藝水平限制，磷酸鐵鋰電池的單體電池之間尚不能達(dá)到性能的完成一致，在通過(guò)串并聯(lián)方式組成電池組后，個(gè)別單體存在著過(guò)充或過(guò)放，過(guò)大電流，溫度過(guò)高，短路或漏電等問(wèn)題，需在每組電池中配置電池管理系統(tǒng)（BMS），以避免問(wèn)題的出現(xiàn)。

3 鐵鋰電池測(cè)試研究

為了貼近磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)景，深入了解鐵鋰電池的充放電性能，在測(cè)試過(guò)程中，選用小容量（40 Ah/ 48 V）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，中容量（500 Ah/48 V）在試點(diǎn)站進(jìn)行測(cè)試。

3.1 小容量鐵鋰電池測(cè)試情況

3.1.1 測(cè)試選用設(shè)備

擇小容量40 Ah/48 V磷酸鐵鋰電池組在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，環(huán)境溫度分別設(shè)置在25℃和50℃，放電電流分別設(shè)置20 A/48 V和40 A/48 V，如圖1、圖2所示。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試情況

電池組在20℃和50℃環(huán)境下，分別以0.2 C恒流充電，當(dāng)單體電池的均充充電電壓為3.55～3.60 V，改為恒壓充電，直至電流小于或等于0.02 C結(jié)束。放在預(yù)先設(shè)定好的恒溫箱中25℃和50℃恒溫閑置2 h，然后按照表1規(guī)定電流大小放電，記錄放電時(shí)間。

從圖1和圖2電池的充放電曲線表明，磷酸鐵鋰電池可以適應(yīng)開(kāi)關(guān)電源的充放電系統(tǒng)，當(dāng)放電電壓下降至45.5 V時(shí)，蓄電池組可提供約85%左右的放電容量（因開(kāi)關(guān)電源設(shè)置一次下電門(mén)限，因此沒(méi)有完全放電）。

3.2 中容量鐵鋰電池測(cè)試情況

3.2.1 測(cè)試選用設(shè)備

選擇中容量500 Ah/48 V磷酸鐵鋰電池組在試點(diǎn)站市電停電的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，環(huán)境溫度約在35～45℃，放電電流分別設(shè)置5.5 A/48 V。

3.2.2 試點(diǎn)站測(cè)試情況

試點(diǎn)站設(shè)備的充放電情況分析如圖3、圖4所示。

圖1 40 Ah/48 V分別在25℃和50℃溫度、不同電流下放電端電壓變化情況

圖2 40 Ah/48 V分別在25℃和50℃溫度、不同電流下放電的容量變化情況

表1 40 Ah/48 V鐵鋰電池在不同溫度環(huán)境下測(cè)試結(jié)論

以上數(shù)據(jù)是試點(diǎn)站充放電曲線，市電停電約20h的實(shí)際數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)電池系統(tǒng)（BMS有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能）里面提取。從數(shù)據(jù)中可以看出蓄電池能夠適應(yīng)開(kāi)關(guān)電源的充電系統(tǒng)，并在市電停電的情況下正常供電，可保證通信設(shè)備不斷電正常運(yùn)行。

4 磷酸鐵鋰電池應(yīng)用場(chǎng)景

通過(guò)在試點(diǎn)站和實(shí)驗(yàn)室不同環(huán)境溫度下的測(cè)試情況，磷酸鐵鋰電池可在通信領(lǐng)域得到較廣泛推廣應(yīng)用，特別在環(huán)境惡劣的室外街道站、分布系統(tǒng)、戶(hù)外OUN接入等場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用。磷酸鐵電池可以充分發(fā)揮其工作溫度范圍寬、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，可有效代替了鉛酸蓄電池作為后備電源設(shè)備。

圖3 充電曲線

圖4 放電曲線

5 結(jié)論

經(jīng)上分析，磷酸鐵鋰電池在各種環(huán)境溫度下使用，可參考結(jié)論如下：

（1）磷酸鐵鋰電池可滿(mǎn)足較高環(huán)境溫度和大電流的場(chǎng)景使用。

（2）受到BMS管理控制，單體電芯出現(xiàn)放電欠壓保護(hù)時(shí)，出現(xiàn)了輸出的直接切斷，與傳統(tǒng)鉛酸電池相比較，有一定的差異。

（3）在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度較高（40℃以上），且放電電流較大時(shí)，存在著電池放電時(shí)長(zhǎng)的縮短，主要原因是BMS中的MOS管器件出現(xiàn)高溫保護(hù)而中止放電。

（4）磷酸鐵鋰電池如果推廣應(yīng)用，不僅需對(duì)電池原材料和生產(chǎn)工藝進(jìn)行提升，更需要對(duì)BMS的原器件進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

[1]高健，石偉宏，武亞波，等.談磷酸鐵鋰電池的工作原理及在高壓直流供電系統(tǒng)中的應(yīng)用.UPS應(yīng)用, 2011（9):35-40.

[2]磷酸鐵鋰電池廠家技術(shù)交流材料及測(cè)試所得數(shù)據(jù).