磷酸铁锂蓄电池具有体积小、重量轻、能量密度高、密封好、无泄露、无记忆效应、放电性能高、自放电率低、充电迅速、循环寿命长、工作环境温度范围宽、绿色环保等特点,所以在通信中心机房、基站、高压直流、UPS和室内分布系统进行了应用。
　　
　　1 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、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。
　　
　　2 磷酸铁锂蓄电池的工作原理
　　
　　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,进入电解液,穿过隔膜,再经电解液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。电池放电时,Li+从层状石墨晶体中脱嵌,进入电解液,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,完成对电池的充电和负载的供电。
　　
　　3 磷酸铁锂电池的特点
　　
　　磷酸铁锂电池是锂离子电池家族中最安全的一种高比能量电池,其优点主要表现在以下几个方面:①长寿命,磷酸铁锂单体电池的循环寿命长达2000次以上;②使用安全,磷酸铁锂电池在短路、过充、挤压、针刺等滥用的条件下仍然是非常安全的;③可大电流快速充放电;④耐高温性能优越,磷酸铁锂电池在0℃～+55℃情况下仍然能够正常工作;⑤无记忆效应;⑥绿色环保。

   磷酸铁锂电池充电时,可分为恒流充电和恒压充电两个过程,首先是恒流充电,充电电流为0.2～0.5C10,最大充电电流为1～1.5C10,一般采用0.2C10(A)电流,必要时可以采用1C10(A)充电。当电池组电压达到充电限制电压时,改为恒压充电,充满电后,4.0V的磷酸铁锂蓄电池静置15min后单体回落到3.4V左右。铁锂电池可以用0.05～0.1C的小电流对铁锂电池充电,能够充满且对电池的质量和寿命没有影响。这样,通信局站在使用铁锂电池时,并不增加整流模块的数量。

   所以,磷酸铁锂电池和开关电源配合使用,其充电过程将变得较为简单,只需要根据电池组电压要求设置浮充电压或均充电压即可。

   磷酸铁锂电池放电时,电池放电电压非常平稳,一般在3.2V左右,放电后期(主要指剩余的10%容量)的电压变化较快,放电的截止电压一般可以为2.5V。

   但是磷酸铁锂电池产品的一致性不如密封阀控铅酸蓄电池。电池容量、内阻、自放电率、放电终止电压、充电终止电压等性能参数,是决定电池一致性的重要因素。出厂前就需要进行电池配组,减小组内电池参数差异。建议采用静态容量、内阻、动态放电曲线、动态充电曲线等多维度的配组方法。
　　
　　4 磷酸铁锂蓄电池安装和容量实验
　　
　　磷酸铁锂蓄电池在出厂时有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,可能会使各电池的端电压出现不均衡,所以磷酸铁锂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,并做好电池测试纪录。用智能负载在线对电池组按0.1C10(A)和0.2C10(A)率进行的容量试验。此试验需要接入电池管理系统BMS,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,电池在放电后期要密切关注单体电压低的电池,若有一只电池端电压到2.5V自动停止放电,在25℃±2℃左右的情况下,计算出实际电池放出的容量与电池额定容量是否基本一致,若基本一致证明电池放电容量合格,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。
　　
　　5 影响磷酸铁锂电池的两个因素
　　
　　(1)温度对磷酸铁锂电池的影响
　　
　　温度对磷酸铁锂电池的影响相对较小,特别是在放电的情况下。对同等规格的两种蓄电池进行温度特性测试,磷酸铁锂电池要比密封阀控铅酸电池容量高出10%左右;另外,由于磷酸铁锂材料自身的电化学特性,该电池的低温充电性能稍差,充电温度要求高于0℃以上,否则电池的不可逆容量会随着温度的降低而升高。当然,该电池的高温放电性能是非常好的,55℃左右的环境温度下仍然可以较好的循环充放电。
　　
　　(2)间歇充电电压对磷酸铁锂蓄电池的影响
　　
　　由于磷酸铁锂电池的电解液是有机溶剂,再加上锂金属是一种非常活泼的元素,所以该电池必须密封。尽管如此,电池在正常的充放电条件下是几乎不产生气体的。所以,即使电池长期处于间歇充电状态下,电池内部也不会产生较高压力,电池比较安全可靠。另外,通信电源供电方式是长期处于稳压限流工作状态,对于电池的间歇充电而言,其电压长期处于56.8V,这个电压对电池极板和电解液都是比较稳定的,电池容量变化极小。图2列出了不同浮充电压对电池容量的影响,由图可见,不同的浮充电压值对电池的容量影响不明显,电池可以长期处于间歇式充电状态。所以磷酸铁锂蓄电池用于通信机房是非常适合的。
　　
　　6 电池管理系统
　　
　　电池管理系统(Battery Management System,BMS)见图3,由监测、保护电路、电气、通讯接口、热管理装置等组成,是电池保护和管理的核心组成部分,不仅要保证电池安全可靠的使用,而且要充分挥电池的性能和延长使用寿命,作为通信用的后备能源,管理系统在开关电源和电池之间起到一个重要桥梁作用。对电池管理系统的要求必须符合通信电源供电系统的要求,所以电池管理系统的安全管理模式对电池的安全性至关重要。电池管理系统主要包括数据采集单元、计算以及控制单元、均衡单元、控制执行单元和通讯单元等。
　　
　　(1)BMS的间歇式充放电
　　
　　恒流-恒压充电阶段:充电限制电压控制(电池单体3.7V,电池组59.2V);间歇式补充电阶段:开路静置,容量减少X%SOC(其中X取值在75～95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;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。
　　
　　图4所示的BMS在基站间歇式的供电曲线图中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。
　　
　　(2)电池管理系统BMS的基本作用
　　
　　①监测单体电池的工作状况,例如检测每个单体电池的电压、充放电电流、电池组的环境温度等;
　　
　　②保护电池,避免在极端的条件下发生电池寿命缩短和电池损坏。
　　
　　(3)电池管理系统的主要功能
　　
　　①过压保护
　　
　　当单体电池充电电压超过允许值时,立即停止充电,断开充电单元设备与电池组的连接;
　　
　　②过放(欠压)报警
　　
　　当单体电池放电电压低于警告值时,发出报警提示;
　　
　　③过放保护
　　
　　当单体电池放电电压低于保护值时,立即停止放电,断开用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示;
　　
　　④过流报警
　　
　　当电池组输入或者输出的电流超过警告值时,发出报警提示;
　　
　　⑤短路保护
　　
　　当电池组发生短路时,立即停止放电,断开用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示;
　　
　　⑥过温报警
　　
　　当电池温度或环境温度超过警告值时,发出报警提示;
　　
　　⑦过温保护
　　
　　当检测到环境温度或电池组内部温度超过保护值时,立即断开充电或者用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示;当环境温度或电池组内部温度恢复到允许值后,可通过手动恢复或自动恢复对电池管理的功能,但不影响电池放电功能;
　　
　　⑧估测电池组SOC
　　
　　SOC(StateOfCharge,电池的荷电状态),即电池剩余电量。保持SOC在合理的范围内,防止由于过充或者过放对电池的损伤,随时预报电池的剩余容量;
　　
　　⑨对电池组中的单体电池进行均衡
　　
　　由于磷酸铁锂电池制造工艺复杂及锂离子的相对活跃性,所以电池组中的单体电池电压存在不一致的现象。对电池组中的单体电池进行均衡充电,使电池组中单体电池都达到均衡一致的状态,可以有效地延长电池组的使用寿命,大大的提高电池组的工作效率;
　　
　　⑩并口通讯
　　
　　提供与电源监控系统进行通讯的接口,传输和显示电池组状态、报警、SOC、SOH等信息,实现远程监控和管理干预。
　　
　　7 磷酸铁锂电池组在中心机房应用
　　
　　针对锂电池体积小、重量轻等特性,在中心机房在高层机房承重不足,所以采用磷酸铁锂电池解决高层承重问题,该电池组为四组1000Ah电池。在直流开关电源设置时,只须把浮充电压和均充电压调整到锂电池所需要的充电电压即可,磷酸铁锂电池的充电过程并不是浮充加均充的充电模式,只需满足锂电池充电时所需要的充电电压(必须在通信设备供电电压范围内)。因为锂电池即便是长期处于充电状态下,由于自身的BMS保护功能,电池性能是不会发生改变的。
　　
　　例如:某通信动力机房使用48V-1000Ah磷酸铁锂电池四组,每组电池由20个48V/50Ah的电池模块并联组成,其中50Ah的电池是由5个单体容量为10Ah的电芯并联组成的,16节50Ah的电池串联组成一个48V/50Ah的电池模块,每个电池模块有一个BMS控制系统,同时每个电池模块的输出按0.5C10分别配一个25A直流空开便于更换电池模块。在系统电池输出端还有一个总的BMS控制系统,充电限流最大2C10(需外部电源设置)。48V/50Ah的磷酸铁锂蓄电池模组如图5所示。(未完待续)

编辑：Harris