酸铁锂电池在移动通信系统中的应用研究

1、研发项目结题报告（上报集团版）项目名称及编号磷酸铁锂电池在移动通信系统中的应用研究主要研究单位及负责人（联系方式）中国移动通信集团河南有限公司网络管理中心、规划技术部康彩云 张乐他研究单位及负责人（联系方式）中讯邮电咨询设计院有限公司 董 雯讯邮电咨询设计院有限公司 陈燕昌是否集团重点(是/否)否是否联合项目（是/否）是项目经费（万元）项目起止时间2009年8月2010年10月专业类别通信电源研究类别超前研究关键词索引（35个）磷酸铁锂电池、电压均衡性、充放电特性、参数设置、容量测试该项目在

2、研究单位内部的评审结果通过该项目在研究单位内部的评审意见：描述评审专家组对该项目在技术先进性，创新性，取得的总体效益，可推广性等方面的评价。磷酸铁锂电池在体积、重量、宽温度范围、大电流充放电特性等方面优于现网阀控电池，通过实验室及试验站的研究试验，在总体经济效益等方面具有可推广价值。 项目的简介：简要描述该项目的目的和意义，解决的问题，取得的社会和经济效益等。在目前的通信领域，使用的基本上都是阀控式密封铅酸蓄电池，由于阀控式铅酸蓄电池重量、体积都比较大，普通民房很难满足承重要求，给基站的选址带来很大困难；另外由于阀控式铅酸蓄电池能够正常工作的温度范围较窄，在一些室外站中，由于温度变化范围大，阀

3、控式铅酸蓄电池的使用寿命大大降低，既影响了通信设备的运行可靠性，又大大增加了维护费用。基于上述问题，磷酸铁锂电池在能量重量比、能量体积比、循环寿命、高温性能、放电特性等方面比阀控式密封铅酸蓄电池要优越很多，能更好的适应在恶劣环境下应用。如果能在通信领域替代铅酸电池，可以在节约机房面积，节省楼板加固费用，节省空调设备投资，降低空调电费等方面降低成本。但是，磷酸铁锂电池仅在电动车等民用方面有一定经验，在通信领域的应用尚处于起步阶段。本项目对铁锂电池的性能参数、参数配置、对现有通信供电系统的适应性、安全可靠性等在试验室进行了大量试验，取得相应试验数据，并且在实际通信基站的使用过程中得到进一步证实、验

4、证，为以后的实施提供经验。对现有企业标准规范的符合度： 目前中国移动尚没有关于锂电池的标准规范。该项目的专利情况： 无该项目研发存在的主要问题及今后的设想：1、成组电池长期浮充状态下的均衡性问题从目前的试验室和试验站的应用情况来看，长期充电的均衡性问题并不突出，但试验运行时间毕竟都不到一年，随着运行时间的推移，是否会由于长期充电使其均衡性变差而引起安全性问题，还需进一步试验。当均衡性变差时，每组电池内部可能会有12只单体电池在均充后期电压到达安全电压上限，内部发热，压力增大，会导致电池爆炸等极端情况发生，为提高安全性，可以采取在磷酸铁锂电池的上盖安装压力安全阀，当电池内部压力增大到一定程度时，

5、安全阀将自动打开；另外可以考虑改变充电方式，减少浮充时间，来进一步提高电池的安全性，不过这种方式需要对开关电源进行改造。2、放电电压均衡性与终止电压设置的问题放电电压严重不均衡一般发生在放电末期，不会造成安全性问题，但多度放电会使电池损坏。目前，48v电源系统中的电池终止电压按总电压设置，如果在放电过程有个别电池的电压较快下降到终止电压（如2.0v），与其它电池的电压相差较大（如 3.1v左右），在这种情况下，如果按照系统终止电压设定，会对个别电池造成永久性损坏（铅酸电池也存在类似情况）。建议重新考虑电池放电终止电压的判定方法。3、低温20以下放电情况应用磷酸铁锂电池的高温充放电特性比铅酸电池

6、好很多，低温0的充放电特性也能够符合循环充放电连续性，但是在低温20时，放电没有问题，但放电后再充电时，只能充回放出电量的90%，所以在低温20以下应用于通信电源供电系统，磷酸铁锂电池应采取保温措施。 项目研究成果的主体内容（3000字以上，可附在表格后）：一、背景情况在目前的通信电源领域，使用的基本上都是阀控式密封铅酸蓄电池，在机房、基站建设及运行维护过程中，主要有以下两个问题比较突出：（1）大量基站位于人口比较密集城市中心区域，基站机房一般设在办公楼或居民楼中，由于阀控式铅酸蓄电池对于楼板承重和机房面积要求比较高，给基站的选址带来很大困难；（2）由于阀控式铅酸蓄电池能够正常工作的温度范围较

7、窄，在一些直放站等室外一体化基站中，由于环境恶劣，温度变化范围大，阀控式铅酸蓄电池的使用寿命大大降低，既影响了通信设备的运行可靠性，又大大增加了维护费用。基于上述问题，磷酸铁锂电池在能量重量比、能量体积比、循环寿命、高温性能、放电特性等方面比阀控式密封铅酸蓄电池要优越很多，能更好的适应在恶劣环境下应用（如高温、大电流充放电等）。但是，磷酸铁锂电池仅在电动车等民用方面有一定经验，在通信领域的应用尚处于起步阶段。铁锂电池的性能参数、参数配置、对现有通信供电系统的适应性、安全可靠性等需要在试验室进行试验，取得相应试验数据，并且在实际通信基站的使用过程中得到进一步证实、验证，同时为以后的实施提供经验。

8、本报告是对试验室及试验站进行测试情况的总结。二、内容及方法对磷酸铁锂电池的测试包括技术特性、性能参数、适用于通信电源系统的参数配置、应用的安全可靠性，并根据测试结果提出应用于通信电源系统存在的问题及解决方案。测试方法包括试验室测试和试验站测试两部分，具体内容如下：1、试验室测试（1）铁锂电池的技术特性和参数（2）适用于通信电源系统的关键技术指标：充电方式、充电电压、放电终止电压、充放电特性、温度特性、不同倍率不同电压充放电；（3）组成48v系统的电池组只数（4）电压均衡性测试（5）高低温放电特性（6）安全性方面，包括过充、大电流充放电、安全电压等级、阻燃性能（7）循环寿命及浮充寿命（9）与铁锂

9、电池配套的开关电源系统的适应性。（10）其它2、试验站测试在试验站需要测试48v系统成组（每组采用16只电池）磷酸铁锂电池在长期浮充状态下的性能，具体测试方案如下：选4个室内宏基站和1个室外站，每站选用300ah蓄电池组2组，采用均充电压56.8v（3.55v/只），浮充电压54.4v（3.4v/只）。同时采用监控系统记录和维护人员定期上站巡视两种方式进行测试，观察电池的运行状况，浮充运行时间从5月到10月份。试验结束后，测量蓄电池端电压变化情况并验证成组蓄电池的容量情况，进行阶段性评估；若性能完好可继续在线运行，在之后的12年内可继续进行跟踪测试及评估。三、试验基本情况1、试验室试验情况从2

10、009年8月第一批由浙江佳贝思送检60ah磷酸铁锂电池开始，到目前共有4个企业8种型号，容量范围10ah700ah的铁锂电池送样检测（目前仍有部分电池的试验正在进行），这8种型号的铁锂电池根据制作工艺不同分为以下三类：第一类、不含bms系统的单体电池，有两个企业6个型号铁锂电池属于此类型；第二类、用较小容量电池并联组成容量较大的电池（40ah），不含bms系统；第三类、将bms系统和多只电池封装在一起组成48v电池组。试验室试验情况表表31序号电池厂家电池型号样品数量试验情况说明 备注1浙江佳贝思60ah4+2+17只4只串联试验，2只作单只试验2100ah16+4+323只16只串联试验，4

11、只串联试验,3只作单只试验3200ah16+4+323只16只串联试验，4只串联试验,3只作单只试验4200ah4+3=7只4只串联试验,3只作单只试验新型号5深圳雷天300ah16+4+323只16只串联试验，4只串联试验,3只作单只试验6700ah4+2+17只4只串联试验，2只作单只试验7北方车辆所（201所）40ah4+3+916只4只一组串联试验，3只作单只试验第二类8南都电源10ah一组48v(15只成组)具有bms系统2、试验站测试情况与河南移动进行项目合作，在郑州移动现有基站建立磷酸铁锂电池试验站，目前共有5个站，10组电池，其中8组采用深圳雷天300ah电池，2组采用浙江佳贝

12、斯200ah电池。安装时间最早的2组电池已经在线运行了5个多月，目前10组电池全部运行正常。四、主要结论及技术特点分析1、参数的设置符合正常运行要求5个试验站一直运行正常，磷酸铁锂电池组在正常浮充状态下，以及市电发生断电后的充放电过程中，都没有产生异常情况，能够满足对通信设备的正常供电。说明各种充放电参数的设置符合实际正常运行要求。9月份进行的阶段性容量测试结果也表明每组电池的总体容量没有什么大的变化，个别电池有较小变化，具体情况详见以下章节。2、放电容量特性好以0.1c(a)、0.25c(a)、0.55c(a)、1c(a)电流放电时，其容量最大值和最小值相差约10%，而铅酸蓄电池0.1c(a

13、)、0.25c(a)、0.55c(a)电流放电时其容量最大值和最小值相差约45%。3、磷酸铁锂电池的高温充放电特性较好在高温40、60的充放情况正常，其充放电容量与25时的容量基本一致。4、磷酸铁锂电池的低温充放电特性0充放电特性（1）0以1c(a)充放电特性符合循环充放电连续性要求。（2）0以1c(a)放电，放出容量为25时约90%，放电情况正常。（3）0以1c(a)充电，充电容量为放电容量，充电情况正常。-20充放电特性（1）-20以1c(a)充放电特性不能符合循环充放电连续性要求。（2）-20以1c(a)放电，放电开始时电压降到终止电压（2.6v）以下，大约放出10%容量后电压回升到终止

14、电压（2.6v）以上，最高电压不超过3.0v，放出容量为25时约80%。（3）-20以1c(a)充电，充电容量为放电容量约90%，欠充10%，下一次放电只能放出充进去的容量。（4）-20以0.11c(a)放电，放出容量为25时约60%左右，放电情况正常。-30充放电特性在低温-30铁锂电池在没有采取任何保温措施情况下，采用0.1c(a)放电电流进行放电时已不能正常工作。5、磷酸铁锂电池的大电流放电特性较好在标准温度下，以1c(a)电流放电与0.1c(a)放电容量相差在10%之内，以0.55c(a)电流放电与0.1c(a)放电容量相差在5%左右，高倍率（大电流）条件下放电容量比铅酸蓄电池大。可以

15、用1c(a)电流甚至更大电流进行快速充电。6、均衡性特点还需要进一步完善目前在试验室和试验站测试的成组电池电压均衡性都在正常范围内，但是由于测试时间较短，还需要根据进一步的测试结果才能得出最终结论。五、发现的问题及技术发展趋势1、充电电压均衡性带来的安全性问题从目前的试验室和试验站的应用情况来看，长期充电的均衡性问题并不突出，但试验时间毕竟都不到一年，随着运行时间的推移，是否会由于长期充电使其均衡性变差而引起安全性问题，还需进一步试验。目前佳贝斯提供的100ah、200ah磷酸铁锂电池在上盖安装了压力安全阀，当电池内部发热压力增大到一定程度时，安全阀将自动打开以避免如电池爆炸等极端情况的发生。

16、这种方式基本上能解决在充电时由于电池电压不均衡而产生的安全问题，另外可以考虑改变充电方式，减少浮充时间，来进一步提高电池的安全性，不过这种方式需要对开关电源进行改造。2、放电电压均衡性与终止电压设置的问题放电电压严重不均衡一般发生在放电末期，不会造成安全性问题，但多度放电会使电池损坏。目前，48v电源系统中的电池终止电压按总电压设置，如果在放电过程有个别电池的电压较快下降到终止电压（如2.0v），与其它电池的电压相差较大（如 3.1v左右），在这种情况下，如果按照系统终止电压设定，即使个别电池的电压下降到2.0v，但电池组的总电压在45v以上，不能终止放电，继续放电后导致下降最快的电池电压很快

17、达到0v甚至反极，对该电池造成永久性损坏。铅酸电池也存在类似情况。建议重新考虑电池放电终止电压的判定方法。根据试验室测试情况，铅酸电池以0.1c(a)放电时，从终止电压1.8v到0v大约有5%左右容量，铁锂电池(200ah) 以0.1c(a)放电，从终止电压2.6v到0v大约有3%左右容量。说明磷酸铁锂电池与铅酸电池类似，在单体电池到达终止电压后的放电容量都很小。3、低温20以下放电情况应用在实验室30环境下，以0.1c(a)放电，终止电压为2.6v，电池不能正常放电。因此，如果在低温20以下应用于通信电源供电系统，磷酸铁锂电池应采取保温措施。 在-20环境下，以1c(a)放电，终止电压为2.

18、6v，充放电特性不能符合循环充放电连续性要求，如果在低温20应用于通信电源供电系统，磷酸铁锂电池应采取保温措施。4、引入策略分析性能比较重量体积比较48v-300ah磷酸铁锂电池组与阀控式铅酸电池组比较表表6-1电池类型重量（kg）体积（l×w×h）安装方式占地面积（m2）单位面积楼板承重（kg/m2）磷酸铁锂电池1541000×360×300单层单列立放0.36428阀控式铅酸电池6401800×320×550双层单列卧放0.5761111主要性能比较磷酸铁锂电池与阀控式铅酸电池主要性能比较表表6-2序号项目磷酸铁锂电池阀控式铅酸电

19、池备注1标称电压3.3v2.0v2能量体积比(160210)kwh/m3(7095)kwh/m33能量重量比(90120) wh/kg(3438) wh/kg410小时率容量c10c10c1053小时率容量c30.95c100.75c1061小时率容量c10.9c100.55c107大电流放电性能好（可1c、3c放电）一般8大电流充电好（可3c电流充电）一般（最大充电电流0.25c）9过充性能差较好10高温度充放电性能好（可60充放电）一般11循环寿命2000 3000次300500次铁锂电池有待验证经济评价磷酸铁锂电池在能量重量比、能量体积比、循环寿命、高温性能、放电特性等方面比阀控式密封铅

20、酸蓄电池要优越很多，以下对2个分别采用2组48v-300ah阀控式铅酸电池和2组48v-300ah磷酸铁锂电池的基站进行全面的经济比较：采用阀控式铅酸电池（1）2组电池购置费：2x24x300x2元/ah=57600元；（2）基站承重加固费：4000元6000元/站；（3）因其体积大导致机房面积加大，租金增加，在其5年使用期内增加的费用：100元/月x12x5=6000元；（4）基站空调1kw每天运行12小时，5年的空调电费： 1kwx12hx365x5x0.9元/度=19710元；（5）使用年限：5年；寿命期内总费用：88310元，年均费用：17662元/年。采用磷酸铁锂电池（1）2组电池购置费：2x16x300x15元/ah=144000元；（2）基站承重加固费：0元/站；（3）因其体积小，租用机房面积相对铅酸电池减少几平方，相对减少机房租金；（4）空调电费：采用磷酸铁锂电池后无需机房空调，基站可采用自然通风，能耗大大降低，节能效果明显；（5）使用年限15年；寿命期内总费用：144000元，年均费用：9600元/年。环保效益寿命终了后铅酸蓄电池回收费用较高，对环境的污染大，其在制造期间的酸气排放对员工及环境的危害大。磷酸铁锂电池的制造过程为绿色生产，后期回收原材料可循环利用。推广价值根据磷酸铁锂电池的