磷酸铁锂电池在通信行业的应用研究报告

-.z磷酸铁锂电池在通信行业的应用研究磷酸铁锂电池在通信行业的应用研究ResearchofLithiumironphosphatebatteryinteleindustry衣斌

高磊电信规划****摘要：随着新技术、新材料的应用，生产工艺的日趋成熟，新型磷酸铁锂蓄电池在通信行业的应用也越来越受到人们的关注。本文在研究新型磷酸铁锂电池工作原理及产品性能的根底上，分析了磷酸铁锂电池在通信行业应用的可行性及系统工作方式，阐述了当前磷酸铁锂电池在应用中存在的问题，并介绍了其适用的场景，为今后通信行业后备式蓄电池的应用提供了新思路。Abstract:Withtheapplicationofnewtechnologiesandnewmaterials,matureofproductionprocess,wearepayingmoreattentiontothenewlithiumironphosphatebattery,whichisappliedtoteleindustry.Themainpointofthepaperistoanalyzethefeasibilityandsystemworkingmethodofironphosphatelithiumbatteryinmunicationsindustry.Meanwhile,itilluminatestheissuesandproperconditionsduringtheapplication,whichoffersthenewwayfortheapplicationofback-upbatteryinfuture.

关键词：通信供电系统磷酸铁锂电池Keywords:Tele;Powersupplysystem;Lithiumironphosphatebatteries1.引言目前阀控铅酸蓄电池作为根底电源设备大量使用于通信局站，我国已是全球最大的铅酸电池生产国、消费国和出口国，产量占世界总产量的40%以上。但是，众所周知，铅是重金属，对人体、环境、生态有严重的污染。铅污染贯穿于提炼、加工、电池生产、电池回收再利用的整个过程之中。同时，近年来随着当前3G网络和20M光纤到户业务的开展，通信局站的分布越来越广泛。传统阀控铅酸蓄电池由于占地面积大，对承重要求高等特点，使其对使用环境要求较高，在一定程度上成为限制通信局站进一步开展的瓶颈。同时，受阀控铅酸蓄电池使用年限及循环充放电次数限制，运营商每年都要投入大量的人力、物力和财力，用于其更新改造工作。新型的磷酸铁锂电池具有高平安性、高能量密度和优良的循环性能、无污染、体积小、重量轻、高功率放电性能优越、工作温度*围宽、电池寿命长等特点，并且随着新技术、新材料的应用，生产工艺的日趋成熟，其作为新型后备式蓄电池组在通信行业的应用也越来越受到人们的关注。2.通信行业后备蓄电池应用现状目前通信用蓄电池组主要采用阀控式密封铅酸蓄电池组。传统的阀控式密封铅酸蓄电池以其本钱低廉、技术成熟、维护方便得到广泛应用。从应用场景上来说，目前铅酸蓄电池组主要应用于大型数据机房、市话端局、市话模块局、传输核心节点、**站等。一般大型数据机房、市话端局等大中型通信机房，通信设备多，负荷大，供电系统多采用大容量多组并联的蓄电池组作为后备电源，蓄电池组体积大、对机房面积及承重要求高,一般安装在专用电池室内。模块局、核心节点站、**站等一般为综合性机房，蓄电池组与通信设备同室安装。在*些负荷较大的机房，可能存在因受机房空间及承重的限制，蓄电池无法扩容的情况。对于安装在弱电间、室外或楼顶的微蜂窝基站、直放站等，因受到安装环境的限制，不具备安装铅酸蓄电池的条件，目前多采用市电直接供电的方式，当市电故障时，没有蓄电池组作为后备电源，通信设备将停顿工作。3.磷酸铁锂电池介绍磷酸铁锂电池是众多锂离子电池的一种，目前应用较多的正极材料主要有：钴酸锂、镍钴锰、锰酸锂、磷酸铁锂。这些正极材料性能、本钱的不同〔见表1〕，直接决定了锂电池应用领域及其商业化的程度。表1多种材料锂电池的性能比拟目前，市场上商业化程度最高的锂电池的正极材料是钴酸锂，但由于钴酸锂热稳定差，存在较大平安性隐患问题；并且钴资源有限，本钱较高，目前只能应用于小型电池。磷酸铁锂作为锂电池正极材料，虽然振实密度低、电压平台低，但它的高平安性、环保、高寿命非常显著，是其他正极材料电池难以比拟的，尤其是它的平安性备受推崇，磷酸铁锂电池已成为锂离子动力电池的重要开展方向。3.1磷酸铁锂电池的性能参数主要技术指标表2为*品牌磷酸铁锂电池的相关参数。表2*品牌磷酸铁锂电池相关参数标称容量〔0.2C5〕200Ah额定电压3.2V最大充电电压3.65V放电截止电压2.0V尺寸〔深mm*宽mm*高mm〕82*180*280电池重量6.5kg内阻〔Ma*,at1000Hz.〕≤1mΩ3.1.2磷酸铁锂电池充放电曲线图1磷酸铁锂电池放电曲线图1、2为*品牌磷酸铁锂电池的充放电曲线，可以看出磷酸铁锂电池在放电及充电过程中，其放电电压区间宽〔2.0V～3.5V〕，电压波动主要集中在充放电初期及末期，整个充放电中期电压波动很小，在此期间可以放出或充入电池容量的90%左右。图2中充电过程采用恒流-恒压的方式，2条充电曲线分别表示0.5C及1C电流充电情况，表达了磷酸铁锂电池优越的大电流充电性能。图2磷酸铁锂电池充电曲线3.2蓄电池容量的选择YDB032-2009?通信用后备式锂离子电池组?中并未明确给出铁锂电池的容量计算方法，目前工程中较常使用的磷酸铁锂电池容量的计算方法如下：其中：K—可靠系数，按1.25考虑；T—蓄电池组后备时间；P—电源输出的有功功率；U—放电电压，蓄电池放电过程中系统电压是不断变化的，放电电压按放电截止电压考虑；α—温度系数，按0.92考虑；η—蓄电池放电容量系数,按0.95考虑。为了测算此公式的准确性，我们在*配置了铁锂电池的**站进展了实际测试，并对铁锂电池与铅酸电池放电实际放电能力进展了比照测试。测试基站现状如下：(1)负载情况：基站实测功耗：1250W。(2)开关电源设备配置艾默生PS48600-3B/2900开关电源1台，配置50A整流模块3个；设置为1次下电保护46V，本次测试选取46V作为放电截止电压。(3)测试电池：铅酸电池200Ah/48V；铁锂电池200Ah/48V。(4)测试时间：12月24日早10点至12月24日17点〔锂电〕；12月27日早10点至12月24日16点〔铅酸〕。(5)测试温度：14℃～16℃。(6)测试结果及分析：表3铁锂电池与铅酸电池容量比照测试结果公式计算结果实测结果磷酸铁锂电池5.146小时约6小时阀控铅酸电池4.333小时5小时铁锂电池及铅酸电池实际放电时间均与理论公式计算结果相符，并且铁锂电池放电时间优于铅酸电池放电时间。3.3磷酸铁锂电池容量及成组受到磷酸铁锂电池生产工艺的限制，目前市场上的磷酸铁锂电池电芯容量主要从10Ah到100Ah，虽然市场上也有电芯容量到达400Ah-500Ah的磷酸铁锂电池，但由于大容量磷酸铁锂电池制作工艺复杂，电池生产过程中的淘汰率较高，配组困难，因此多采用电芯并联的方式以到达需求的容量。在通信行业的主要场景中，蓄电池容量多大于300Ah，同时，通信行业标准〔YD/T5040-2005〕要求：直流供电系统的蓄电池一般设置两组，当蓄电池容量缺乏时可并联使用，但最多并联组数不应超过4组，系统中过多的并联蓄电池会增大电池组间的差异，降低电池组的使用寿命。而目前磷酸铁锂电池多只小容量电芯并联的方式，在一定程度上是与现有行标相冲突的，这种蓄电池的成组方式是以减少蓄电池使用寿命为代价的。为了降低过多蓄电池并联对使用寿命的影响，磷酸铁锂电池多配有电池管理系统〔BMS〕,目前市场上的磷酸铁锂蓄电池多采用由厂家整组封装销售的方式，封装电池内部配置BMS系统，随时监控和调节系统内各只电池的工作状态，以更好的发挥磷酸铁锂电池的性能。3.4磷酸铁锂电池的特点〔1〕高能量密度，磷酸铁锂电池的体积、重量，只有同容量铅酸电池的1/3，图3所示，为*基站磷酸铁锂电池及铅酸电池的安装场景。图3磷酸铁锂电池及铅酸电池成组比照〔2〕高温时性能良好，环境温度对其容量影响小，磷酸铁锂电池的工作温度*围为-20℃～+60℃，图4为*品牌磷酸铁锂电池在不同温度下的放电曲线，可以看出，磷酸铁锂电池的高温性能十分出色，温度23℃上升到60℃的过程中，其放电曲线根本保持稳定，且均能保证蓄电池放出100%的容量；同时，可以看出磷酸铁锂电池的低温性能相对较差，在-20℃时仅能放出额定容量的30%〔放电终止电压按2.88V考虑〕，因此，磷酸铁锂电池在室外等恶劣的环境中应用时，需要配置加热板。图4磷酸铁锂电池的温度特性〔3〕目前磷酸铁锂电池厂家生产的蓄电池容量较小，制约了其在市话模块局、**站等机房的应用。〔4〕单只磷酸铁锂电池寿命目前可到达充放电循环2000次，但受磷酸铁锂电池生产工艺的制约，目前磷酸铁锂电池的单只一致性较差，不仅电池出厂时淘汰率较高，无形中增加了磷酸铁锂电池的生产本钱；同时，在蓄电池成组后，整组蓄电池的循环寿命大打折扣，可能由单只电池2000次下降到整组电池800次左右。〔5〕磷酸铁锂电池具有快速、大电流充放电的能力。〔6〕磷酸铁锂电池具有很高的高平安性，在挤压、针刺等恶劣条件下仍然平安；图5磷酸铁锂电池挤压试验〔8〕清洁环保，磷酸铁锂材料不含任何重金属与稀有金属，无毒，无论在生产及使用中均无污染，为绿色环保电池。通过上述分析可以看出，磷酸铁锂电池在充、放电性能，循环使用寿命，使用环境，单位能量密度及环保等方面较铅酸蓄电池具有一定的优势，但受到其单体容量及蓄电池一致性的影响，且单Ah造价较高，约为同容量铅酸蓄电池的7倍，目前磷酸铁锂电池在通信行业尚处于试用阶段。3.5磷酸铁锂电池在通信系统中工作电压的选择目前，在通信行业48V电源系统中，磷酸铁锂电池可采用15只成组的方式，此时，为满足蓄电池最低放电电压43.2V的要求，建议将磷酸铁锂电池放电截止电压设置为2.88V，而从图2放电曲线可以看出，当电池电压下降到2.88V时，在锂电池在0.1C～2C的放电电流下，蓄电池均能放出100%的容量，因此，15只磷酸铁锂电池的成组方式，适用于现有-48V直流电源系统。4.磷酸铁锂蓄电池的系统工作方式磷酸铁锂电池在通信行业的应用还处在小规模适用阶段，其在通信系统中应用的工作方式也在随着新技术的产生而不断完善，目前，磷酸铁锂电池在通信系统中应用的工作方式主要有3种：1、磷酸铁锂电池替代原有铅酸电池，蓄电池直接挂接在系统母排上，处于在线浮充状态；2、为磷酸铁锂电池配置BMS系统，控制电池的充放电过程，蓄电池挂接在系统母排上，处于在线浮充状态；3、为磷酸铁锂电池配置BMS系统，控制电池的充放电过程及系统工作状态，蓄电池经转换装置挂接在系统母排上，处于智能间歇式充放电状态。下面分别介绍上述磷酸铁锂电池系统工作方式的优缺点。4.1方式一4.1.1系统工作特点图6磷酸铁锂电池应用系统框图〔方式一〕如图6所示，该方式磷酸铁锂电池直接替代传统阀控式密封铅酸蓄电池，与通信行业传统铅酸蓄电池的应用方式一样，采用在线全浮充工作方式。4.1.2系统工作方式一的优缺点1、优点：该工作方式系统构造简单，与传统的阀控式密封铅酸蓄电池系统构造一样，在实际应用中可直接替换原有铅酸蓄电池。2、缺点：〔1〕蓄电池过充过放保护不完善图7磷酸铁锂电池过充电曲线方式一虽然系统在充电末期采用恒压充电的方式，但是蓄电池在网运行一段时间后，整组电池中不可防止的会出现局部落后电池，这些落后电池的出现不仅影响了整组蓄电池的性能，还给系统的平安运行带来了一定的隐患。从图7的曲线不难看出，磷酸铁锂电池在充电末期，在快到达过充电电压上限值时，电池端电压会快速上升，发生构造不可逆变化，导致电池循环寿命大幅衰减。〔2〕蓄电池一致性差，影响整组电池循环寿命在蓄电池组的使用过程中，虽然两个单只蓄电池的初始容量一样，但是容量随循环的衰减速度会有差异，随着电池使用年限及循环次数的增加，会进一步加速单只电池一致性的差异，严重影响磷酸铁锂电池成组后的循环使用寿命。综上所述，方式一这种直接并接在系统中的磷酸铁锂电池系统，虽然系统构造简单，但存在系统平安性上的隐患，同时，蓄电池的循环寿命大打折扣，无法发挥磷酸铁锂电池的优越性，在工程应用中不建议采用。4.2方式二4.2.1系统工作特点图8磷酸铁锂电池应用系统框图〔方式二〕与方式一相比，方式二中磷酸铁锂电池配置了电池管理系统〔BMS〕，其系统框图如图8所示，BMS系统通过对蓄电池组中各单只电池状态的监控，实现对单只电池过充、过放、过流、过温、短路等的保护功能，合理调节蓄电池的充放电状态，及时发现落后电池，方式二中磷酸铁锂电池也是直接挂接在系统母排上，其工作状态与方式一一样，只是增加了对单只电池的保护和均衡功能。4.2.2系统工作方式二的优缺点BMS系统的应用，解决了磷酸铁锂电池在使用过程中单只电池易出现过充、过放的问题，同时，通过对单只电池充放电状态的调节，降低了由于磷酸铁锂电池一致性差影响整组蓄电池循环使用寿命的问题。目前市场上局部厂家已经推出了带有均衡充电控制的BMS系统，但目前还缺少对该项技术应用效果的相关测试。4.3方式三4.3.1系统工作特点图9磷酸铁锂电池应用系统框图〔方式三〕与传统铅酸蓄电池在通信系统中采用的在线浮充工作方式不同，在智能间歇式充放电工作方式下，系统主要经历以下4个阶段：恒流-恒压充电阶段、开路静置阶段、补充电阶段、电池放电阶段，上述系统工作状态均由BMS通过状态转换装置进展控制，智能间歇式充放电工作状态如图10所示。〔1〕恒流-恒压充电阶段〔T1〕：该过程与传统铅酸电池充电方式一样。〔2〕开路静置阶段〔T2〕：当蓄电池完成恒流-恒压充电，系统进入开路静置状态，此时供电系统中蓄电池组处于离线式工作状态，在此期间，系统经整流设备直接为通信负载供电，蓄电池仅通过自放电的形式，损失局部电池容量。图10智能间歇式充放电工作状态〔3〕补充电阶段(T3)：电池组完成整个恒流-恒压充电过程后，电池组由BMS控制进入开路静置状态，直至容量减少到电池组充电限制电压初始容量的75％～95％时，由BMS控制电池组重新进入补充电状态，补充电方式也遵循恒流-恒压充电方式。〔4〕电池放电阶段(T4)：当系统市电电源停电或整流设备出现故障，系统将由电池管理系统〔BMS〕控制进入电池放电阶段，系统中配置相应转换装置，保证电池组无延迟进入放电状态，以保证通信负载的可靠供电。目前转换装置多采用接触器组成型ATS器件，其切换时间在10ms～14ms左右。4.3.2系统工作方式三的优缺点方式三中带有智能充放电功能的BMS系统的应用，防止了磷酸铁锂电池长时间在线浮充时，浮充电流对电池内阻的影响，使电池保持一致性的能力大幅提升，延长蓄电池的循环使用寿命，从理论上讲，方式三能最大限度的发挥磷酸铁锂电池循环寿命长的特点，但BMS控制系统的可靠性以及状态转换器件的性能将成为系统可靠性的瓶颈。目前，智能间歇式充放电技术尚未在通信行业应用，一方面由于通信行业对系统平安可靠性的要求较高，另一方面目前市场上带有智能间歇式充放电功能的BMS产品很少，也缺少对该项技术应用效果的相关测试。4.4多种工作方式的比照表4蓄电池系统工作方式比拟蓄电池系统系统工作方式系统构造系统平安性系统可靠性系统循环寿命工程一次性投资铅酸蓄电池在线浮充简单高高较低低磷酸铁锂电池方式一在线浮充简单低高低3～4倍方式二BMS控制+在线浮充复杂高高较高4～6倍方式三BMS控制+智能间歇式充放电复杂高待验证高待定由于目前工作方式三的系统可靠性有待进一步的实践检验，而对于通信行业这种对可靠性要求高的行业，本文建议优先采用方式二，同时，需密切关注行业动态，并对工作方式三进展相关的测试。5.铁锂电池主要应用场景目前，磷酸铁锂电池已经在通信行业进展了局部试用及少量推广，特别是在安装环境恶劣的室外基站、室分站、楼道交接间等场景，磷酸铁电池可以充分发挥其体积小、重量轻、工作温度*围宽的特点。当前，基于上述场景的一体化锂电UPS已经在局部地区得到了应用，据统计，地区上述锂