磷酸鐵鋰電池在通信領(lǐng)域的應(yīng)用淺析

王 平

（中國鐵通集團(tuán)有限公司）

1 概 述

通信行業(yè)主用的－48 V直流電源以及交流不間斷UPS供電系統(tǒng)的蓄電池組絕大多數(shù)都是使用閥控式密封鉛酸蓄電池。目前三大電信運(yùn)營企業(yè)在網(wǎng)運(yùn)行的蓄電池已達(dá)200余萬組，以通信樞紐機(jī)房蓄電池組使用壽命6至8年，基站蓄電池組的使用壽命3至5年計算的話，每年就有幾十萬組蓄電池要進(jìn)行更新改造，幾十萬組的廢舊蓄電池需要運(yùn)走處理，幾十萬組蓄電池需要重新安裝。這需要巨大的人力物力支持，如果蓄電池的使用壽命能夠延長一倍的話，每年就將減少幾十萬組蓄電池的更新工作，也將減少幾十萬組報廢的蓄電池。隨著國家對環(huán)保工作的重視以及運(yùn)營企業(yè)自身環(huán)保理念的提高，人們越來越希望在生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲、使用、報廢等各個環(huán)節(jié)減少對環(huán)境的污染以及對能源的消耗，特別是去年國家出臺一系列針對鉛酸蓄電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的法規(guī)，使得閥控式密封鉛酸蓄電池產(chǎn)量受到了較大影響，進(jìn)一步促進(jìn)了磷酸鐵鋰鋰離子電池（以下簡稱磷酸鐵鋰電池）的生產(chǎn)與應(yīng)用。為此，有必要討論分析其在通信領(lǐng)域應(yīng)用的可行性、存在不足以及其他相關(guān)問題，增加通信行業(yè)蓄電池組使用選擇范圍，推動運(yùn)營企業(yè)健康發(fā)展。

2 磷酸鐵鋰電池技術(shù)特點(diǎn)

磷酸鐵鋰電池是一個能量密度比與功率密度比都較大、低溫性能好、循環(huán)壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)、安全性能較高且具有環(huán)保性能的新型電池。實驗表明在－20℃時，40 Ah電池以0.2C的放電率放電約能放出86%的額定容量；常溫時以1C放電率仍能放出96%以上的額定容量；常溫1C循環(huán)100%DOD放電測試目前已達(dá)3000余次。磷酸鐵鋰電池的正極為橄欖石晶體結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰材料通過粘結(jié)劑附著在鋁箔上，負(fù)極是石墨材料通過粘結(jié)劑附著在銅箔上，電解質(zhì)是六氟磷酸鋰，正負(fù)極間的隔膜采用聚乙烯或者是聚丙烯和聚乙烯復(fù)合隔膜或者是陶瓷隔膜，這些材料對人體無害，屬于環(huán)保型電池。

3 磷酸鐵鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀

由于通信行業(yè)用蓄電池大多均采用200 Ah以上的容量，目前磷酸鐵鋰電池單芯容量大多小于50 Ah，相對通信行業(yè)應(yīng)用而言容量較小。因此，磷酸鐵鋰電池目前較多應(yīng)用在動力行業(yè)，如電動汽車、電動工具、電動自行車等。在動力行業(yè)的較為廣泛應(yīng)用，使得磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)的蓄電池管理與保護(hù)系統(tǒng)（BMS）更適應(yīng)于大電流充放制循環(huán)使用，而通信行業(yè)應(yīng)用蓄電池的特點(diǎn)普遍是長期浮充制；并且為了適用動力行業(yè)蓄電池惡劣的使用環(huán)境，采取了許多保護(hù)電池的措施，比如溫度過高限制過充電、過放電特性，溫度過低限制充電特性等。所有這些安全保護(hù)與蓄電池管理系統(tǒng)，很好地適應(yīng)了動力行業(yè)的電池應(yīng)用，但能不能原封不動照搬應(yīng)用到通信行業(yè)則需要認(rèn)真的分析研究。

4 通信行業(yè)現(xiàn)有蓄電池應(yīng)用狀況

通信行業(yè)目前應(yīng)用于－48 V直流供電系統(tǒng)的蓄電池一般采用2 V容量大于等于200 Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池，大多為2至3組并聯(lián)使用。用于交流UPS供電系統(tǒng)的大多是2 V、6 V、12 V閥控式密封鉛酸蓄電池，一般由2至4組并聯(lián)組成。盡管兩種供電系統(tǒng)采用的蓄電池單體電壓不盡相同，但閥控式密封鉛酸蓄電池成熟的技術(shù)、良好的性價比、從幾十安時到三千安時的大范圍單體容量在現(xiàn)階段依然是不可替代的主流產(chǎn)品。

5 通信行業(yè)現(xiàn)有蓄電池使用中存在的問題

5.1 使用壽命降低的問題

閥控式密封鉛酸蓄電池雖然在通信行業(yè)已經(jīng)有十幾年的運(yùn)行歷史了，但由于有些通信機(jī)房環(huán)境溫度控制的不利，維護(hù)人員缺失、維護(hù)不到位以及生產(chǎn)成本控制等多種因素，出現(xiàn)了閥控式密封鉛酸蓄電池使用壽命在降低的趨勢。尤其是基站用蓄電池大多使用壽命為3至5年，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計使用壽命8年的標(biāo)準(zhǔn)。這就使蓄電池組更新周期幾乎縮短了一倍，不但增加了運(yùn)營企業(yè)運(yùn)行成本，也增加了設(shè)備更換成本。與此同時大量報廢舊電池的處理也是對環(huán)境保護(hù)極為不利的事情。

5.2 低溫放電容量過小問題

閥控式密封鉛酸蓄電池有其自身的特點(diǎn)，其容量隨著電池溫度和放電率的不同而變化比較顯著。比如購買1 000 Ah的蓄電池組，25℃時一小時放電率能夠放出550 Ah的容量。當(dāng)蓄電池組溫度為0℃時，就只能放出410 Ah左右的容量了，這一點(diǎn)對使用者來說很不利。因為對于同樣的負(fù)載，由于蓄電池組容量的變化其放電時間也放生了變化，特別是對于蓄電池后備時間只設(shè)計為半小時的UPS供電系統(tǒng)而言，當(dāng)蓄電池組運(yùn)行幾年后容量下降，再加上某些機(jī)房冬天沒有暖氣、溫度很低，使得蓄電池組容量進(jìn)一步下降，很可能由于市電停電后發(fā)電機(jī)啟動稍晚就會發(fā)生負(fù)載供電中斷的事故。

5.3 維護(hù)困難、實測現(xiàn)存容量費(fèi)時費(fèi)力問題

現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的閥控式密封鉛酸蓄電池維護(hù)起來很困難，除了能夠測量端電壓、內(nèi)阻（電導(dǎo)）、蓄電池外表溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷其是否落后外，就是進(jìn)行核對性放電試驗和容量試驗兩種方式進(jìn)行檢測判斷。早期發(fā)現(xiàn)落后電池可以通過更換單只來解決，否則只能更換全組。由于維護(hù)人員的缺失很少有對單只蓄電池進(jìn)行單獨(dú)小電流充放電整治的，對于整組蓄電池容量測試工作一般需要20多小時連續(xù)工作才能完成，不但費(fèi)時費(fèi)力還存在一定的安全風(fēng)險。

6 磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)應(yīng)用分析

正是因為閥控式密封鉛酸蓄電池存在上述不足，人們才越來越多的關(guān)注新型節(jié)能環(huán)保型電池的技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用現(xiàn)狀。磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段安全性能好、能量體積比較高且應(yīng)用較廣的鋰離子電池，在動力行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)凸顯出許多優(yōu)勢，能否通過生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)改進(jìn)逐漸應(yīng)用到通信行業(yè)里來呢，答案是肯定的。

首先可以應(yīng)用到功率較小基站等的電源系統(tǒng)中。因為這類機(jī)房所需蓄電池組容量較小，機(jī)房內(nèi)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，交流市電不穩(wěn)定且停電次數(shù)多、時間長，維護(hù)人員維護(hù)設(shè)備或者停電后發(fā)電很不方便，這些特點(diǎn)決定了應(yīng)選用溫度適應(yīng)范圍寬、具有快速充電性能且使用壽命長的電池。磷酸鐵鋰電池正好具有這些優(yōu)點(diǎn)。

由于通信行業(yè)蓄電池組的應(yīng)用是長期浮充制，完全不同于動力行業(yè)的充放電制，因此，如果將現(xiàn)有動力用磷酸鐵鋰電池直接用于通信行業(yè)還應(yīng)解決以下主要問題：

（1）關(guān)于組成－48 V供電系統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池多少只串聯(lián)更合適問題

磷酸鐵鋰電池靜態(tài)開路電壓約為3.2 V，若應(yīng)用在通信的－48 V直流供電系統(tǒng)中（48 V／3.2 V＝15只）似乎15只串聯(lián)即可，但考慮到磷酸鐵鋰電池放電終止時電壓約為2.5 V，15只的放電終止電壓為37.5 V，已經(jīng)不能滿足通信負(fù)載的使用需求了。因此用16只串聯(lián)組成－48 V供電系統(tǒng)的后備電池比較合適。

（2）通信用磷酸鐵鋰電池放電終止電壓的保護(hù)值問題

由于磷酸鐵鋰電池放電到2.5 V電壓時容量基本為零，并且其開路電壓（OCV）曲線相對錳酸鋰電池初始階段更加陡峭（見圖1）。為了保護(hù)電池建議磷酸鐵鋰電池的BMS系統(tǒng)設(shè)置的放電終止保護(hù)電壓為2.7 V，這樣16只串聯(lián)的放電終止電壓為43.2 V，既符合通信行業(yè)現(xiàn)有使用習(xí)慣，更有利于磷酸鐵鋰電池的容量恢復(fù)。

圖1 錳酸鋰和磷酸鐵鋰的OCV－SOC曲線

（3）如何滿足通信用較大容量蓄電池組問題

目前單芯容量小于等于40 Ah的磷酸鐵鋰電池技術(shù)成熟、動力行業(yè)應(yīng)用廣泛，如果在通信行業(yè)中使用，假如用于－48 V直流供電系統(tǒng)，要想達(dá)到400 Ah容量，需要將10只單芯容量為40 Ah的并聯(lián)然后再將16只已經(jīng)并聯(lián)成400 Ah的電池單元串聯(lián)在一起，或者先將16只串聯(lián)組成40 Ah、48 V一組后，再將這樣的10組電池進(jìn)行并聯(lián)使用。這里首先應(yīng)確定一個問題，就是先把單只電池并聯(lián)成所需容量然后再串聯(lián)成48 V（簡稱先并后串型單元），還是先將單只電池串成48 V再把48 V電池單元并聯(lián)成所需容量（簡稱先串后并型單元）來使用呢？目前的答案顯然是選擇后一種，即“先串后并型單元”來使用較為合理。主要原因是磷酸鐵鋰電池目前都配備有電池管理系統(tǒng)（BMS），當(dāng)生產(chǎn)企業(yè)將16只電池串聯(lián)成一個單元時，這個單元的BMS就管理與保護(hù)著16只單體電池，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時，可以自動切斷這個單元與供電系統(tǒng)的聯(lián)系而脫離出來，供電系統(tǒng)中的其他電池組依然能夠繼續(xù)正常工作。如果選用“先并后串型單元”，就會發(fā)生某個電池單元出現(xiàn)問題，這個單元的BMS不可能切斷本單元與供電系統(tǒng)的聯(lián)系的情況。因為每個電池單元都是串聯(lián)在一起為供電系統(tǒng)服務(wù)的，任何一個單元脫離系統(tǒng)都會中斷整組蓄電池與供電系統(tǒng)的聯(lián)系。

（4）通信行業(yè)如何使用磷酸鐵鋰電池問題

應(yīng)用于通信行業(yè)的磷酸鐵鋰電池，首先應(yīng)滿足通信行業(yè)現(xiàn)有高頻開關(guān)電源系統(tǒng)（－48 V或240 V）或UPS供電系統(tǒng)對蓄電池組管理的相關(guān)要求，即在不改變高頻開關(guān)電源或UPS供電系統(tǒng)現(xiàn)有功能的前提下使用。因此就需要鋰電池生產(chǎn)企業(yè)依據(jù)通信行業(yè)的特點(diǎn)制造出適用通信行業(yè)的產(chǎn)品。首先應(yīng)將成熟的單芯容量為40 Ah的電池16只串聯(lián)成一組，成為一個“基本銷售單元”（40 Ah／51.2 V），然后針對這個單元開發(fā)出特有的電池管理系統(tǒng)（BMS），這個BMS應(yīng)包括對每只電池的充放電管理以及對本單元的各種保護(hù)功能，但不可完全照搬動力行業(yè)用的保護(hù)功能，特別是中斷放電的保護(hù)功能要慎之又慎。通信行業(yè)用蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，電池溫度很少在0℃以下，基本不存在無法充電問題；通信行業(yè)的整流系統(tǒng)都有蓄電池組過充電電流限制功能（一般≤0.25C10），而磷酸鐵鋰電池過充電電流值遠(yuǎn)大于閥控式密封鉛酸蓄電池，因此無需單獨(dú)再限制鋰電池過流值。但當(dāng)基本銷售單元（40 Ah／51.2 V）中有一只電池的電壓達(dá)到3.8 V時，應(yīng)立即終止本單元的充電；為了保護(hù)磷酸鐵鋰電池過放電，BMS必須檢測基本銷售單元（40 Ah／51.2 V）中每一只電池的電壓，當(dāng)任一只電壓為2.7 V時，應(yīng)立即終止本單元的放電，因為鋰電池放電電壓由2.7 V到達(dá)2.5 V時間很短，設(shè)定為2.7 V可能更好。

磷酸鐵鋰電池現(xiàn)階段不應(yīng)以單只電池的形式出售，而應(yīng)該以具備完善BMS管理功能的基本銷售單元（如40 Ah／51.2 V）形式出售給通信行業(yè)，這樣通信企業(yè)就可以方便地將各個基本銷售單元并接成所需容量來使用。由于現(xiàn)階段的開關(guān)電源系統(tǒng)一般只具備兩個蓄電池組接入保險（開關(guān)），因此建議接入的基本銷售單元應(yīng)為雙數(shù)（比如4組、6組等）分別均衡配置在兩個保險（開關(guān)）下面。

另外一套高頻開關(guān)電源系統(tǒng)下面最多能夠并接多少組基本銷售單元，還需要鋰電池生產(chǎn)企業(yè)通過大量的試驗數(shù)據(jù)得出可靠的結(jié)論。由于每組基本銷售單元都具有BMS管理系統(tǒng)，如果對每個單芯電池管理完善的話，做到6并、8并甚至10并都將可能。

基于磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)，配備磷酸鐵鋰電池的－48 V系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置也應(yīng)與使用傳統(tǒng)蓄電池不同。首先是電池充電限流值的設(shè)置，在經(jīng)常停電地區(qū)，為了及時快速恢復(fù)電池組容量，建議電池充電限流值上限設(shè)為0.5 C10A。其次是－48 V系統(tǒng)平時浮充電壓的設(shè)置，建議設(shè)為57.6 V（也即為原來的均充電壓值），同時取消均充的設(shè)置。這樣相當(dāng)于單只鋰電池一直處于3.6 V的充滿狀態(tài)，用基本銷售單元內(nèi)的BMS管理內(nèi)部電池的不均衡以及過電壓保護(hù)等；對于通信負(fù)載而言，承受57.6 V的電壓既可以正常工作，又可以減少用電電流、降低線路損耗與發(fā)熱。由于磷酸鐵鋰電池放電電壓曲線較為平直，不適宜依據(jù)放電電壓設(shè)定“一級下電”、“二級下電”的數(shù)值，建議取消設(shè)置。為了保護(hù)鋰電池組不會因為過放電而報廢，建議啟動高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的低電壓保護(hù)功能。

7 總 結(jié)

雖然磷酸鐵鋰電池現(xiàn)階段單芯容量較小，但通過并聯(lián)以及BMS的科學(xué)管理，首先應(yīng)用在FTTB和FTTH以及小功率基站上是可行的。本文以磷酸鐵鋰電池在－48 V直流供電系統(tǒng)中應(yīng)用為例，分析了通信行業(yè)與動力行業(yè)的不同應(yīng)用特點(diǎn)以及不同的關(guān)注側(cè)重點(diǎn)，提出磷酸鐵鋰電池銷售給通信行業(yè)，應(yīng)以“基本銷售單元”為基本單位，基本銷售單元的BMS功能設(shè)計應(yīng)結(jié)合高頻開關(guān)電源系統(tǒng)現(xiàn)有功能，希望為磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)和使用者提供幫助。