1 钛酸锂电池的工作原理(图1)
　　
　　钛酸锂电池充电时,Li+从三元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钛酸锂晶体的表面,嵌入负极钛酸锂尖晶石结构材料中。与此同时,外电路电子通过正极的铝箔,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铝箔电极,再经导电体流到钛酸锂负极,使电荷达至平衡。
　　
　　电池放电时,Li+从钛酸锂尖晶石结构材料中脱嵌,进入电解质,穿过隔膜,再经电解质迁移到三元锂晶体的表面,然后重新嵌入到三元锂材料中,与此同时,外电路电子经导电体流向负极的铝箔电极,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,然后再经导电体流到三元锂正极,使电荷达至平衡。
　　
　　由此可见钛酸锂电池基本原理,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、放电和负载的供电。所以电池充电时正极失去电子,锂离子脱出,嵌入到负极中;负极嵌入锂离子的同时得到电子成为富锂态。放电时过程正好相反。在Li+嵌入或脱嵌的反应过程中,钛酸锂是一种理想的嵌入型电极材料,Li+插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响,从而保证了其良好的循环性能。
　　
　　同时钛酸锂存在两种不同相的分子尖晶石结构,且晶格常数变化很小,体积变化也很小,能够避免充、放电循环中电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏,从而提高了电极的循环性能和使用寿命,减少了随循环次数的增加而带来容量的衰减,具有优良的循环性能。
　　
　　2 钛酸锂电池的结构（图2）
　　
　　钛酸锂电池由正极(三元锂)、负极(钛酸锂)、隔膜、电解质、极耳、不锈钢(铝合金)外壳组成。
　　
　　正、负极是电化学反应的区域,隔膜、电解质提供Li+的传输通道,极耳起到引导电流的作用。
　　
　　三元锂正极和钛酸铁锂负极与导电剂、粘结剂以一定的比例混合,涂覆在铝箔上构成,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。电池的电解质是六氟磷酸锂有机溶液。
　　
　　钛酸锂材料具有三维扩散通道,在Li+脱嵌过程中,其晶格体积基本不发生形变,其结构为Li+提供了足够畅通和快速的迁移,由于钛酸锂材料具有三维扩散通道,不存在因形变带来的应力应变和结构塌陷,从而使钛酸锂材料具有更长的循环寿命。从化学反应特性来看,钛酸锂能够在大倍率下进行快速脱嵌锂过程(既能快充快放)。
　　
　　内部极耳采用横向引流技术,可实现正、负极片多极耳引出,解决了圆柱型电池不能多极耳引流的难题,降低了电池充、放电过程中极化内阻,使电池具备高功率充、放电性能。正、负极耳在电池两端引出,有利于电池充、放电时热量的发散,避免热量只在一端的聚集的情况。
　　
　　电芯采用全自动卷绕方式,极片在卷绕过程中,通过精确的张力控制系统,使极片之间的间隙极小。有效降低电池的内阻,改善电池的大电流放电性能,并提高电池均衡的一致性。
　　
　　3 钛酸锂电池特性
　　
　　钛酸锂不易生产SEI膜,脱嵌电位高(约1.55V),无金属锂析出导致的安全事故风险。
　　
　　钛酸锂属尖晶石结构,其最大特点是充、放电体积变化极小,称之“零应变”,这种“零应变”新材料的性能,提高了电池的循环使用寿命和安全性能,尖晶石结构具有优越的高倍率充、放电特性和高、低温环境中应用的特点。
　　
　　钛酸锂材料具有三维扩散通道,在Li+脱嵌过程中,其晶格体积基本不发生形变,其结构为Li+提供了足够畅通和快速的迁移,不存在因形变带来的应力应变和结构塌陷,从而使钛酸锂材料具有更长的循环寿命,钛酸锂电池的放电电压非常平稳为2.3V,放电后期(主要指剩余的5%容量)电压变化较快,截止放电电压一般为1.5V。
　　
　　4 钛酸锂电池安全特性
　　
　　钛酸锂电池是锂离子电池家族中最安全的一种电池,其优点主要表现在以下几个方面:①使用安全,钛酸锂电池在短路、过充、过放、挤压、针刺、跌落、高温冲击、加热和枪击条件下是非常安全不燃烧不爆炸;②长寿命,钛酸锂单体电芯的循环寿命长理论上可达到1万次左右;③可大电流快速充、放电;④耐高、低温性能优越,钛酸锂电池在﹣40℃～﹢60℃情况下仍然能够正常工作;⑤无记忆效应节能环保。钛酸锂电池的安全特性试验如图3所示。
　　
　　5 钛酸锂电池高、低温和不同充放电率性能
　　
　　(1)钛酸锂电池低温充电性能
　　
　　钛酸锂电池在室温条件下1C循环,电压范围1.5-2.8V,放空状态下分别在-20℃、-30℃条件下静置12h,-20℃0.5C恒流恒压充电至2.8V,-30℃0.2C恒流恒压充电至2.8V,截止电流0.05C。以25℃0.5C充电容量作为基础容量计算百分比,结果见表1和图4。

　　
　　测试结果:电池在-20℃0.5C充电时,充电容量大于94%以上,-30℃、-35℃0.2C充电时,恒流充电比均约70%左右,整体充电容量比大于85%以上。
　　
　　(2)钛酸锂电池低温放性能
　　
　　钛酸锂电池在室温条件下1C循环,电压范围1.5-2.8V,满电状态下分别在-20℃、-30℃条件下静置12h,-20℃0.5C恒流放电至1.5V,-30℃/0.2C恒流放电至1.5V,。以25℃/0.5C放电容量作为基础容量计算百分比,见表2和图5。
　　
　

　测试结果:电池在-20℃0.5C放电与在-30℃0.2C放电效果相近,放电容量比例约93%左右,在-35℃超低温条件下,放电比例仍旧大于90%以上。
　　
　　(3)钛酸锂电池倍率充电性能
　　
　　测试条件:电池在室温条件下1C恒流放电至1.5V,以0.2C、0.5C、1C、3C电流恒压充电至2.8V,以0.2C充电容量作为基础容量计算容量百分比,详见表3和图6。
　　
　　测试结果:以0.2C作为基础容量计算,充电电流小于1C时,充电容量比相差在1.7%以内,充电电流为3C时,充电容量大于94%以上。
　　
　　(4)钛酸锂电池倍率放电性能
　　
　　测试条件:电池在室温条件下1C恒流恒压充电至2.8V,以0.2C、0.5C、1C、3C电流恒流放电至1.5V,以0.2C放电容量作为基础容量计算容量百分比,详见表4和图7。
　　
　　测试结果:放电电流小于1C时,放电容量没有明显差异,放电电流升高至3C时,放电容量接近98%。
　　
　　(5)超长循环寿命
　　
　　测试结果:在1C充1C放的充放电条件下,钛酸锂电池循环10000次(100%DOD)后容量保持达到额定容量的85%左右,如图8所示。
　　
　　6 钛酸锂电池组的应用优势
　　
　　钛酸锂电池超长的循环寿命,超宽的高低温性能,超大倍率充放电性能,钛酸锂电池在通信电源直流供电方面和云计算UPS的应用优势明显。
　　
　　(1)工作温度范围宽
　　
　　﹣40～﹢60℃工作环境,在高寒/高温地区也能正常使用,极大的满足了这类地区的通信机房机房的用电安全。
　　
　　(2)循环寿命长
　　
　　钛酸锂电池循环10000次左右,所以不用频繁更换电池组,节省更换电池组的投入和人工成本;在峰谷电价差价较大的地区,经济效益更高。
　　
　　(3)大倍率充、放电性能好
　　
　　由于钛酸锂电池适合大倍率的充、放电性能,支持快速充电和放电,节省时间,为小水电资源的有效利用和云计算大电流放电提供了依据。
　　
　　(4)安全性能高
　　
　　通过各种实验情况钛酸锂电池不起火、不燃烧、不爆炸,有效保障通信机房的供电安全。
　　
　　7 钛酸锂电池组在直流供电系统的工作方式
　　
　　钛酸锂电池组的工作状态为间歇充电方式,由于钛酸锂电池的电解质是有机液体,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,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,电池安全可靠。
　　
　　另外,通信机房直流电源供电系统对电池组的供电方式是浮充、均充和稳压限流工作模式,对于电池组间歇充电而言,调整浮充和均充电压都设定为55.2V对钛酸锂电池组进行充电,这个电压对电池组运行都是比较稳定的,电池组容量变化极小,电池组可以长期处于间歇式充电状态,若市电停电电池组正常放电,所以钛酸锂电池组用于通信机房是非常适合的。
　　
　　图9为-48V综合接入和基站机房供电、电池组及BMS供电示意图。
　　
　　图10为钛酸锂电池组间歇式充、放电过程。
　　
　　如图10所示,钛酸锂电池组在直流电源的运行方式: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。
　　
　　8 钛酸锂电池组的管理系统
　　
　　电池组控制系统采用集成化的设计,将采集、管理、通信、输入输出控制等功能集成于一体,实现电池组状态的监测、显示;数据存储、传输;充放电控制等功能。
　　
　　电池状态监测包括电压、电流、温度、SOC信息等;电池安全管理包括过充、过放、过流、过温、欠温保护。单机可以配置最多32串电池系统,具有3路输出控制,最大支持12路温度检测,1路485通讯,并能通过RS485通讯接口进行系统调试和升级。
　　
　　①单机22串钛酸酸锂电池组的监控,最多支持4组并联使用;
　　
　　②支持低功耗模式,储运、待机、停止工作状态下自动进入低功耗运行模式;
　　
　　③BMS的额定工作电压为直流48V,工作范围为36V～60V;
　　
　　④具有单体电压、总体电压检测,以及过充、过放告警及保护功能。常温下静态电压采样精度优于±10mV;
　　
　　⑤具有充、放电电流检测,充、放电过流告警及保护功能。充电电流显示为正,放电电流显示为负,常温下电流采样精度优于±2%;
　　
　　⑥具有电池组温度、环境温度等高、低温告警及保护功能。常温下温度采样精度优于±2℃;
　　
　　⑦电池容量估算功能。通过电流采集进行安时积分估算SOC;
　　
　　⑧具有充电均衡功能,被动均衡电流典型值30mA(钛酸锂);
　　
　　⑨上位机软件控制功能,可通过上位机软件方便地对过充、过放、充放电过流、过温、欠温等保护参数,容量、休眠、均衡、存储等参数进行设置;
　　
　　⑩支持外部最多3路输出控制;
　　
　　具有故障数据记录功能,存储容量不小于500条记录;
　　
　　具有RS485通信功能;
　　
　　具有短路保护功能;具有多种休眠及唤醒方式;支持输入输出控制。主控+采集一体机的框图如图11所示。
　　
　　9 钛酸锂电池组与开关电源配套使用

    在直流开关电源对铅酸电池组设置时,为浮充加均充的工作模式。针对钛酸锂电池组的特性,电池组的充电过程中并不需要浮充加均充的工作模式,只需要对电池组充电时所需要的充电电压即可,因为钛酸锂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,钛酸锂电池组性能是不会发生改变的。
　　
　　(1)实例
　　
　　某通信机房使用48V-400AH钛酸锂电池两组,每组电池由22只400Ah的电池模块串联组成,其中400Ah的电池模组是由16个单电芯容量为25Ah的电芯并联组成,400Ah的电池组分别有22模块串联组成一个48V/400Ah的电池组,组电压50.6V。图12为钛酸锂电池组现场安装使用场景。
　　
　　在初始安装电池组时,测量该组电池组单模块电压,整组安装完成后,对组电压进行测量,测试电压正常后,调整开关电源电压与新更换的电池组电压小于3mV后,闭合该电池组直流屏配电池保险,调整开关电源直流供电电压55.2V。
　　
　　由于初始钛酸锂电池荷电60%左右,所以将对组电池接入系统进行补充电,此时开关电源充电压设置为55.2V,充电电流限制为每组40A,同时为了防止电源监控模块损坏,模块自主工作时充电电压过高,(有的开关电源整流模块也进行调整模块的电压值),调整后对该电池组进行补充电,随着电池电压升高,充电电流会相应减小,当每个电池组电压和开关电源的充电电压非常接近时,充电电流逐渐减小,随后若某个电池模组若达到2.8V后,BMS系统进行了保护,充电系统通过BMS控制与电池组断开,电池组充电完成,虽然电池组BMS充电与电池组断开了,但是负载放电不受影响,确保直流系统供电安全。
　　
　　电池静止后,用智能在线容量放电仪对该电池组进行在线容量试验,把电池组所放出的电量全部反馈给直流负载供电(节约电能)。采用0.1C10(或0.331C10)放电电流放电,即对每组电池单独放电电流为40A,放电时间为10h,放电终止电压43.2V。容量实验后该电池放出容量为400Ah,电池组放出了额定容量的100%,所以电池组放出的容量完全满足额定容量的要求。
　　
　　此试验需要接入电池管理系统,放电过程中必须严格检测电池单体电压,利用电池管理系统实时对电池的总电压、放电电流、电池单体电压、剩余容量等数据进行测量和纪录,若有一只电池端电压到1.5V电池管理系统自动停止放电。
　　
　　同时用在线智能负载放电仪对每组电池组进行容量实验时,在线智能负载放电仪系统上设定4个放电截止门限:单体电池截止电压门限1.5V;电池组截止电压门限43.2V;放电容量门限400Ah;放电时间门限10h(任一门限达到,放电都将停止)。放电结束后,在线智能负载放电仪会自动对该电池组按稳压限流方式自动充电,设定的稳压限流充电电压值55.2V和电流40A。
　　
　　25℃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若大。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处理或更换。表5为钛酸锂电池组在线放电数据。图13为电池组单体放电容量图。图14为电池组放电电流曲线图。图15为电池组放电电压曲线图。
　　

(2)钛酸锂电池使用注意事项
　　
　　通过动环集中监控系统实时与BMS实时的对电池组的总电压、电流、单体电压、SOC和4个温度传感器进行监测,同时,通过电池监测装置了解电池充、放电性能、单体电压、组电压和告警等数据,发现障碍告警应及时处理。
　　
　　(3)钛酸锂电池组经常检查的项目钛酸锂电池组经常检查的项目,电池模块的极柱连接线(条)是否松动;电池模块壳体有无损伤、渗漏和变形;电池模块之间和电池组正、负极与直流配电连接处温升是否异常;直流配电屏电池组保险的温升是否异常;BMS数据线接触情况;电池组保护装置的动作是否可靠;并对电池组的输出保险温升检查和信号保险进行告警实验。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,通过BMS系统检查电池组及单体电压是否满足供电要求,检测开关电源的对电池组间歇充电时的充电电流是否在标准要求的范围内。检测开关电源直流供电系统对电池组的充电电压和限流值的设置是否正确。
　　
　　(4)节能特性
　　
　　钛酸锂电池组由于具有大电流放电的特性,在相同的放电时长和放电电流下配置较小容量的电池组,且钛酸锂锂电池能量密度偏高,可以减少机房电池组的使用面积,减少机房建设投资。同时利用钛酸锂电池在﹣40～﹢60℃情况下仍然能够正常工作的特性,适用于无空调室外机房和有空调的室内机房,可以减少空调的使用。
　　
　　2019年5月在两个机房中应用了48V/400Ah钛酸锂电池组,经过了夏、秋两个季节没有启用空调,验证了钛酸锂锂电池组的充、放电适合环境温度宽的性能,节约了空调在春天和夏天制冷的能耗,每个机房每年春天和夏天节约用电量为7000左右度电。
　　
　　(5)钛酸锂电池组正常运行的电压要求
　　
　　钛酸锂电池组间歇式充电压一般设置为单体电池:2.45-2.55V之间,也是钛酸锂电池组运行在最佳的工作状态下,开关电源设置稳定工作电压为55.2V、限流为0.1C10。若厂家技术说明书有特殊要求的,以厂家电池说明书为准,但必须满足通信直流电源-48V宽电压供电的维护要求标准。
　　
　　作者简介
　　
　　王燕,女,汉族,深圳户籍。于2011年7月毕业于南开大学,并获博士学位。毕业后,在大型国
企任职多年,于2015年初到深圳博磊达新能源科技有限公司任总经理,并作为公司技术带头人。
　　
　　邢殿辉,2016年,河北科技大学、电气工程专业硕士毕业。2019年中国联通廊坊分公司云网运营中心，动力与IDC维护CEO。2021年中国联通集团总部云网运营中心电源主管。
　　
　　武亚波,联通集团廊坊市分公司望楼维护中心电源主管,高级工程师,本刊编委。
　　

编辑：Harris