一、梯次磷酸铁锂电池的基本结构
　　
　　磷酸铁锂电池由正、负极板(正极活性物质为磷酸铁锂,负极活性物质为石墨)、隔膜、电解质为六氟磷酸锂有机溶剂、极耳和铝塑膜外壳组成。正、负极板是电化学反应的区域、隔膜、电解质提供Li+的传输通道,通过化成等工艺处理后电池极板表面会形成一层致密的SEI膜(也叫固体电解质界面膜),极耳起到引导电流的作用。正极活性物质是磷酸铁锂,为橄榄石结构,其空间和内部结构如图1所示。
　　
　　磷酸铁锂与导电剂、粘结剂以一定的比例混合,涂覆在铝箔上构成正极,负极活性物质通常是石墨类材料,通过粘结剂附着在铜箔上。正、负极之间用聚乙烯隔膜（或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜）隔开，防止电池短路。隔膜是一种多孔结构的薄膜，充放电过程中Li+可以通过其孔隙，而电子e-不能通过。电池的电解液是六氟磷酸锂有机溶剂。
　　
　　二、梯次磷酸铁锂电池的工作原理
　　
　　1.电池充电时
　　
　　Li+从磷酸铁锂材料中迁移到晶体表面,从正极板材料中脱出,在电场力的作用下,进入电解质,穿过隔膜,再经电解质迁移到负极石墨晶体的表面,然后嵌入负极层状石墨材料中。与此同时,电子流通过正极的铝箔,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔电极,再经导电体流到石墨负极,使电荷达至平衡。
　　
　　2.电池放电时
　　
　　Li+从层状石墨晶体中脱嵌,进入电解质,穿过隔膜,再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面,然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时,电子经导电体流向负极的铜箔电极,经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极,再经导电体流到磷酸铁锂正极,使电荷达至平衡。
　　
　　由此可见,磷酸铁锂电池基本原理,就是磷酸铁锂电池在充、放电的过程中,对应的锂离子在正/负极之间来回的嵌脱,完成对负载的供电,如图2所示。
　　
　　三、模块化梯次磷酸铁锂电池组的管理系统
　　
　　电池组管理系统BMS,由数据采集单元、计算以及控制单元、保护电路、均衡单元、控制执行单元、通讯单元、热管理装置等组成,是电池组保护和管理的核心组成部分,如图3所示。不仅要保证电池组安全可靠的使用,而且要充分发挥电池组的性能和延长电池组的使用寿命,作为铁塔基站用的后备电源,管理系统在开关电源和电池组之间起到一个重要桥梁作用。对电池组管理系统的要求,必须符合铁塔基站通信直流电源供电系统的标准,所以电池组管理系统的安全管理模式对电池组的安全性至关重要。
　　
　　1.电池的充放电特性
　　
　　1）恒流/恒压充电阶段:充电限制电压控制(电池单体3.45V,电池组电压55.2V);
　　
　　2）间歇式补充电阶段:开路静置,容量减少X%SOC(其中X取值在80～95之间)时,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;
　　
　　3）在开路静置状态时,若交流电停电,BMS应能控制电池组无延迟进入放电状态。
　　
　　如图4所示,T1和T3为充电过程,T1为恒流-恒压充电阶段,T3为间歇式补充电阶段;T2为电池组开路静置阶段;T4为电池组放电过程。
　　
　　梯次磷酸铁锂电池性能特性
　　
　　电池容量的倍率特性
　　
　　随着放电电流的增加,电池的放电容量将会有所下降,当放电倍率小于(1/3)C时,梯次锂离子电池的放电容量受到放电倍率的影响很小,放电容量差别不大,基本可以认定电池的容量都可以100%放出。
　　
　　2.电池容量的温度特性
　　
　　环境温度在0℃以上电池容量的衰减速度较慢,而环境温度在0℃以下电池容量的衰减速度较快,随着温度的降低电池的内阻急剧增加。图5是电池在20℃温度时不同情况的放电情况,图6是电池在不同温度时的放电情况。
　　

   
　　3.梯次磷酸铁锂电池与传统密封阀控铅酸的对比的优势
　　
　　1）耐高温
　　
　　磷酸铁锂电池组稳定工作的温度范围0℃～55℃,铅酸电池组稳定工作的温度范围25℃～28℃,温度升高会损坏电池,降低电池使用寿命。
　　
　　2）高能量密度
　　
　　磷酸铁锂电池产品重量比能量可超过130Wh/kg(0.2C,25℃),体积比能量为210Wh/L;密封阀控铅酸电池产品重量比能量为32～37Wh/kg(0.2C,25℃),体积比能量为70Wh/L。
　　
　　3）大电流充、放电性能
　　
　　磷酸铁锂电池组可大电流2C快速充、放电,起动电流可达5C以上,密封阀控铅酸电池现在无此性能。所以磷酸铁锂电池组充电时间短。
　　
　　4）绿色环保
　　
　　磷酸铁锂电池组不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属),无毒(SGS认证通过);密封阀控铅酸电池组中却存在着大量的铅,在其废弃后若处理不当,仍将对环境够成二次污染。
　　
　　四、模块化梯次磷酸铁锂电池组应用的技术方案
　　
　　将退役动力电池组进行集中拆解,电芯集中筛选,重新组装成标准模块,有利于退役电芯的集中筛选与保证质量,退役电芯来源不局限于特定的电动车项目保证数量,最终的电池模块化能实现标准化保证兼容。其技术方案和内容如表1所示,其配组应用流程如图7所示。
　　

   
　　梯次电池组工艺流程:筛选电池电芯、测试电压、合容电芯配组、内部连接线、BMS、机箱或机架。
　　
　　五、模块化梯次磷酸铁锂电池组检查和安装
　　
　　1）安装前检查
　　
　　模块化梯次磷酸铁锂电池组外观应无变形、破损、鼓胀、漏液等情况,电池组安装位置要做好防潮、防雨淋等措施避免出现倒置安装等情况。
　　
　　2）模块化梯次磷酸铁锂电池组外壳保护地线
　　
　　正确接线
　　
　　正、负连接线极性安装正确,标识布置正确且牢固,接线端子力矩符合要求。
　　
　　3）检查电缆线径配置
　　
　　对多组模块化梯次磷酸铁锂电池并联组成大容量电池组的情况,开关电源每个电池分路至电池间电缆应按照承载全部备电负载进行设计,未采用汇流排方式进行多组电池模块化并联的场景,各组电池间并联电缆线径应与电池组电缆线径相同。采用汇流排方式进行多组电池并联的场景,各组电池间并联电缆线径可根据现场情况进行设计,所用电缆为阻燃电缆。
　　
　　4）开机后BMS工作情况
　　
　　BMS工作正常,无告警等异常情况。
　　
　　5）检查开关电源监控模块配置
　　
　　监控模块内电池组容量配置、充电设置、下电保护配置与模块化梯次磷酸铁锂电池组厂家提供的说明书是否一致。
　　
　　6）检查对比
　　
　　使用万用表检查开关电源充电压是否与锂电池厂家提供的说明书要求一致。
　　
　　7）调低浮充电压
　　
　　手动调低开关电源浮充电压略高于一次下电电压0.5V,进行放电测试,一次下电备电时长应满足要求。
　　
　　8）模块化梯次磷酸铁锂电池组的安装要求
　　
　　如为落地箱安装方式,查看电池组箱安装是否牢固。如为嵌入式安装方式,查看电池组是否固定良好。如为落地架安装方式,检查电池架是否固定良好。电池组安装方向要方便日常维护,电池组安装位置及方式满足相应场地承重要求,如不满足要求应进行相应整改后在安装。
　　
　　9）同一铁塔基站模块化梯级电池组应优先选用同标称容量(梯级电池标称容量)
　　
　　每组梯级电池组均需配备BMS,BMS用于对该梯级电池组运行状态的监控和管理,并通过RS485通讯接口将梯级电池组运行和故障信息上传到FSU,经FSU接入动环监控系统进行日常监控。
　　
　　当多模块化梯级电池组安装时,应满足同标称容量、同厂家、同规格条件,梯级电池组才符合并联条件，可直接并联接入开关电源直流配电系统。同时多组模块化电池并联时应通过BMS通信级联，设定对应地址后接入FSU，最终纳入运维监控系统。
　　
　　10）安装注意事项
　　
　　安装模块化梯级电池组为了便于调测以及后期维护,需将电池组面板朝外,将梯级电池组可靠固定到电池架上或一体化机柜内。安装梯级电池组前,先用万用表测量电池组电压,梯级电池组出厂时电压应在51.2V～53.5V之间,确保各模块化梯级电池组电压差在0.01V之内。
　　
　　11）模块化梯级电池组布放电池组连接线
　　
　　将电池组负极连接线分别连接至开关电源直流配电电池组保险上口端子或电池组控制空开上口,正极连接线分别连接至开关电源直流配电正极排上,做好线缆的标签标识,严禁出现正、负极端子、连接电缆接反的情况。
　　
　　12）注重安全
　　
　　模块化梯级电池组连接过程中,应戴好防护手套,使用金属工具时,应将金属工具进行绝缘处理,避免金属工具两端同时接触到电池组正、负端子造成电池组短路。
　　
　　13）确保良好接地
　　
　　模块化梯级电池组与开关电源直流配电并联上电前,应确保开关电源直流配电、梯级电池组外壳已正确接好保护地,并再次检查电池组连接极性和总电压是否正确,并紧固好正、负极连接线。
　　
　　14）做好完整记录
　　
　　模块化梯级电池组接入开关电源直流配电系统,各类线缆连接完成之后,用万用表对电池组的输出电压,进行检测将检测的数据做好记录,调整开关电源输出电压至模块化梯次电池组当前电压值一致后,闭合开关电源直流配电电池组熔断器,已避免电池组熔断器插入过程中出现过流、拉弧等危险情况。
　　
　　15）布放模块化梯级电池组监控线
　　
　　将电池组RS485连接至FSU通信端口上传铁塔动环监控系统,并严格按照电池组要求设置好开关电源监控模块参数和整流模块配置,以确保运维监控系统对梯级电池正常运行进行有效监控。
　　
　　六、模块化梯次磷酸铁锂电池组在铁塔基站的应用
　　
　　针对模块化梯次磷酸铁锂电池组的特点,在基站开关电源供电系统直流应用设置时,只须把浮充电压和均充电压调整到电池组所需要的充电电压即可,(同时必须在通信设备直流供电电压范围内)因为电池组即便是长期处于充电状态下,由于自身的BMS保护功能,电池组性能也不会发生改变的。
　　
　　例如:某铁塔基站模块化磷酸铁锂后备电池组,采用48V-100AH梯次磷酸铁锂电池4组,每组电池由16个.2V/100AH的单体电池串联组成,其中400AH的电池组是由4组100AH的模块化电池组并联,每个模块化100AH电池组有一个BMS控制系统。如图8所示。
　　
　　模块化梯次磷酸铁锂电池组在出厂时60%左右的荷电量,所以,安装初始时应该对电池组进行补充电。并且由于单体电池自放电大小的差异,可能会使各电池组的端电压出现不均衡,所以电池组安装前必须测量开路电压,开路电压差一般要求小于50mv,并做好电池组测试纪录。用智能负载柜在线对电池组按0.1C10(A)或0.33C10(A)率进行容量试验,放电过程中必须严格检测电池组电压、电池单体电压、放电电流、放电时间、单体截止电压和电池组放电截止电压等,电池组在放电后期密切关注单体电压低的电池,若有一只电池端电压到2.7V自动停止放电,在25℃±2℃左右的情况下,计算出实际电池组放出的容量与电池组额定容量是否基本一致,若基本一致证明电池组容量合格,若放电到终止电压时,电池组放出的容量与额定容量的差别太大(大于20%),说明电池组的出厂容量可能存在问题,应及时联系相关厂家更换处理。
　　
　　模块化梯次磷酸铁锂电池组安装完成后,对电池组进行补充充电,补充充电完成后,将100AH电池组分别进行了0.33C10在线容量放电实验。
　　
　　100AH模块化梯次磷酸铁锂电池组测试情况如表2所示,图9示出了电池充放电时的测试曲线。
　　

     
　　用智能在线电池组放电仪对电池组放电容量测试完成后，并在线对电池组进行在线充电，充电结束后在线并入直流供电系统中。此时开关电源浮充、均充电压全部设置为55.2V，充电限流为每组10A，四组电池组并联使用，充电限流为40A。
　　
　　七、模块化梯次磷酸铁锂电池组在铁塔基站的维护
　　
　　1.模块化梯次磷酸铁锂电池运行环境的要求
　　
　　根据电池组的环境要求,室温温度不宜超过55℃,避免阳光对电池组直射,朝阳窗户应作遮阳处理,确保电池组之间预留足够的维护空间。
　　
　　2.模块化梯次磷酸铁锂电池使用注意事项
　　
　　通过铁塔动环集中监控系统与BMS实时的对电池组的总电压、电流、单体电压、SOC、SOH、温度、告警进行监测。同时,通过电池组监测装置了解电池充、放电曲线及性能,定期进行充、放电测试,发现故障及时处理。
　　
　　3.模块化梯次磷酸铁锂电池经常检查的项目
　　
　　应经常检查梯次磷酸铁锂电池组模块的极柱连接线(条)是否松动,是否有损伤、变形或腐蚀等现象;连接处有无松动,模块化电池组有无损伤、渗漏和变形,电池组及连接处温升是否异常,BMS数据线接触情况,并对电池组的输出保险温度检查。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,通过FSU监控系统检查电池组总电压及单体电压是否满足要求,检测电池组间歇充电时的充电电流是否在要求的范围内。检测开关电源、电池组的充电电压和限流值的设置是否正确。检查电池组的充电电压、充电限流、低压告警、高压告警、高温告警、低温告警和保护功能等设置是否正确。
　　
　　总之,模块化梯次磷酸铁锂电池组应用应遵循小模块、低电压、高冗余、小电流、非移动的原则使用,因此铁塔基站相比于其他场景更适合模块化梯次磷酸铁锂电池组的应用。磷酸铁锂梯次电池组相比铅酸电池组在循环寿命、能量密度、高温性能等方面具备一定优势,各项性能指标优于铅酸电池组。模块化梯次磷酸铁锂电池组在技术上完全满足现网铁塔基站各种工况备电需求,经济上也具备一定优势,模块化梯次磷酸铁锂电池组应用是节能环保、新能源等国家战略新兴产业发展的重大创新,对于推动低碳经济、绿色经济、循环经济的发展具有非常重要的现实意义。
　　
　　作者简介
　　
　　庞军:中级工程师,中国铁塔股份有限公司廊坊市分公司运营维护部经理。
　　
　　武亚波:中国联合网络通信有限公司廊坊市分公司电源主管,本刊编委。
　　
　　周秋晓:中国铁塔股份有限公司廊坊市分公司担任项目经理至今,先后参与新能源示范基站建设,智慧运维项目建设等。
　　
　　姜国涛:从事通信电源专业10余年,对通信电源、交直流引入、升降压设备及动力配套专业较为熟悉,特别了解行业内一线问题及解决方案,为铁塔公司系统内省级专家。
　　
　　张龙:硕士研究生毕业后进入中国移动工作,2018转入中国铁塔公司。
　　
　　陈冬雨:从事通信行业14年,专业知识能力强,熟悉通信基站动力环境系统。
　　

　　编辑：Harris