通信用磷酸铁锂电池及系统的原理与应用

通信用磷酸铁锂电池及系统的原理与应用

传统的阀控式密封铅酸电池以其成本低廉、技术成熟、维护方便得到广泛应

用，然而，随着无线通信技术的不断发展和移动基站应用场景的复杂化，传统的蓄电池逐步显现出体积大、对环境温度要求苛刻等劣势。磷酸铁锂电池系统由于具有体积小、重量轻，高温性能突出，循环性能优异，可高倍率充、放电，绿色环保等众多优点，更适用于环境温度高、机房面积及承重小等恶劣的基站环境。同时，在末端供电磷酸铁锂电池也可作为铅酸蓄电池的有效补充。

一、目前通信后备电源面临的问题

1、传统铅酸蓄电池对环境温度要求比较高

目前市内宏基站的站址选择越来越难，室外一体化基站开始大规模建设。传统的铅酸蓄电池对环境温度要求比较高的特点造成传统的铅酸蓄电池很难适应室外高温等恶劣天气。另外，除了铅酸蓄电池外，室内宏基站的其他设备对环境温度的适应范围都比较宽。机房空调就是为了给铅酸蓄电池提供适当的环境温度。为了节能减排，目前已开发出蓄电池保温箱等蓄电池专用的小型空调设备。如果能找到一种对环境温度要求不高的电池作为后备电源，不仅能解决室外一体化基站后备电源的问题，而且还能省掉机房专用空调，这样既节省了工程初期购买空调的投资，也节省了基站运行时的大量电费开销。 2、传统铅酸蓄电池对机房面积和承重要求高

室内宏基站设备中，电源设备占比最大，而电源设备中提及和占地面积最大的就是蓄电池。室内宏基站的机房大多采用民房，根据结构专业的统计计算，民房的承重设计一般为150~200kg/m，而铅酸蓄电池对机房的承重要求不低于400kg/m，所以在现有的民房内摆放铅酸蓄电池都需要经过加固处理。这样一方面加大了工程量，另一方面也加大了选址难度。另外，目前通信设备逐步向小型化、分散化的方向发展，末端设备的功耗越来越小，要求后备电池的体积更小，重量更轻。

3、传统铅酸蓄电池的高倍率放电性能较差

目前电网质量越来越完善，很少出现市电大面积长时间停电的状况，而基站的停电往往是由于市政项目的频繁建设所造成的短时间频繁停电，这需要蓄电池短时间大电流高倍率放电，而传统铅酸蓄电池的高倍率放电性能较差。

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二、磷酸铁锂电池的基本原理

1、磷酸铁锂电池的结构

磷酸铁锂电池是由正、负极板(正极为磷酸铁锂材料，负极为石墨材料)、隔膜、电解液、极耳和铝塑膜组成。正负极板是电化学反应的区域；隔膜、电解液提供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)；极耳是在电池导电时使用。橄榄石晶体结构的磷酸铁锂材料作为电池的正极，通过粘结剂附着在铝箔上，为电池的充放电提供Li+；正负极之间是聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜)，它把正极与负极隔开，充放电过程中Li+可以通过其孔隙，而电子e一和其它离子不能通过；石墨材料作为电池的负极，通过粘结剂附着在铜箔上，为电池的充电提供孔隙接收嵌入的Li+。电池电解液的电解质是六氟磷酸锂。

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，使负极的电荷达至平衡。电池放电时，Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液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，然后再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达到平衡。所以磷酸铁锂电池的基本原理，就是在充、放电过程中，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。

图1 磷酸铁锂电池工作原理图

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图2 化学反应方程式

工作原理：充电时，锂离子从正极脱出，经过电解质嵌入到负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，以确保电荷的平衡。放电时则相反，锂离子从负极脱出，经过电解液嵌入到正极材料中，正极处于富锂状态。在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起材料的层面间距变化，不破坏其晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应室一种理想的可逆反应。

三、磷酸铁锂电池管理系统原理（BMS）

虽然磷酸铁锂电池在短路、过充、挤压、针刺等条件下仍然是安全的，但是会对电池的循环寿命造成极大的影响。磷酸铁锂电池生产工艺比较复杂，单体电池的一致性差异会比阀控式密封铅酸电池大，这就造成电池组在充电后期个别单体电池的电压迅速上升，加之通信基站长期处于无人值守状态，不容易及时发现，从而造成磷酸铁锂电池组寿命减短或者损坏的现象，为了避免以上现象的发生就需要用电池管理系统保障电池的安全可靠。

电池管理系统(Battery Management System，简称BMS)，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，而且要充分发挥电池的性能和延长使用寿命，作为通信用的后备电能，管理系统在开关电源和电池之间起到一个桥梁作用。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。电池组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、控制执行单元和通信单元，如图3所示。

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图3 电池管理系统原理图

电池管理系统的基本作用： (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。 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，断开充电设备与电池组。 (2)过放告警

当单体电池放电电压低于告警值时，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，并伴有声光告警提示。 (4)过流告警和保护

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)短路告警和保护

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)过温告警

当电池温度或环境温度超过警告值时，发出告警提示。 (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电池管理功能，但不影响电池放电功能。

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(8)估测电池组SOC

SOC(State Of Charge，电池的荷电状态)，即电池剩余电量。保持SOC维持在合理的范围内，防止由于过充或者过放对电池的损伤，随时监控电池的剩余容量。 (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就存在不一致的现象。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(此功能可以根据用户要求增减)。 (1O)监控与通信

提供与基站监控系统进行通信的接口，传输和显示电池组状态、报警、SOC等信息，实现远程监控和管理干预。

四、通信用磷酸铁锂电池组工作原理

通信用磷酸铁锂电池组包括三大部分：电池模块电池管理系统（BMS）以及机箱，电池模块由一个或多个电池组合而成。在通信领域，一般由15或16只只单体电池串联为48V电池系统，具体工作原理如下图所示：

图4 磷酸铁锂电池系统工作原理图

在市电电网正常情况下，市电220V输入，经过整流电源模块处理后，主要整流电源模块提供系统和负载需要的功率，同时给电池系统充电；在电网断电的情况下，由电池系统提供电能，保证直流电源系统正常运行，实现不间断供电功能。同时，电源具备二次下电功能，电池电压过低时电源切断电池供电，保护电池寿命。

在部分具备监控系统的基站中，可以写入相关通讯协议，将电池系统接入监控系统中，对电池系统各参数进行实时监控，包括：电池状态、单体电压、总电压、电池模块温度、环境温度、电池总电流、总容量、充放电剩余时间、告警和

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保护信息等。

四、通信用磷酸铁锂电池应用及问题

1、通信用磷酸铁锂电池组应用

在通信行业，磷酸铁锂电池定位于小型化、分散化、环境恶劣的场景，可作为铅酸电池的有效补充。通信行业主流电池厂家均已开发出自己的磷酸铁锂电池产品，目前双登生产的铁锂电池容量从10Ah到200Ah，电压等级从12V到48V，供电系统有48V直流供电系统和UPS交流供电系统，安装方式有标准机柜嵌入式、机架式以及壁挂式等多种方式，应用场景包括户外、楼道、弱电井等，供电设备包括末端传输设备、直接放站时而被、RRU等。同时，也能提供多样化的后备电源系统解决方案。

SDA10-48系列（10Ah~50Ah）铁锂电池系统是双登集团设计开发的通信用后备式铁锂电池系统产品。该产品是一种新型智能型无人值守备电电源产品，适用于接入网设备、远端交换局、移动通讯设备、传输设备、卫星地面站和微波通讯设备等的备电，它具有集中监控、电池维护和管理的功能，满足无人值守或少人值守的要求。双登集团生产的通信铁锂电池系统产品系国内最早批量生产，并最早广泛应用于通讯领域的后备电源产品，受到通信行业的青睐。它具备以下特点及优势：

图5 双登通信用磷酸铁锂电池系统图

1. 系统内部电池模块采用正极材料为磷酸铁锂（LiFePO4）材料的锂离子电

芯，该电芯具有高安全性、高能量密度和优良的高温循环性能； 2. 电池系统装配有高性能的电源管理模块BMS，该BMS具备过放、过充、过

流、短路、反接、温度等保护功能，保证电池的安全；

3. 电池具备开关机键、支持RS232和RS485通讯，系统安装操作简便，具备

上电自启动等多项功能；

4. 充放电自动管理，监控单元自动测量电池的充放电电流并对电池进行浮充

和均充管理；

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5. 二次下电功能，电池电压低于告警值有告警信息，电压过低时自动下电，

保护电池；

6. 产品具有良好的电磁兼容性；

7. 全智能设计，配置有集中监控模块，具有三遥（遥测、遥信、遥调）功能，

实现计算机管理，可以通过与远端中央监控中心通信，实现无人值守，符合现代通信技术发展的要求；

8. 配置灵活：多个铁锂电池模块并联使用，使大容量通信铁锂电池系统进入

实际应用成为可能，既提高了系统的输出功率，又延长了系统的后备时间。 9. 系统具有非常优越的倍率放电性能，可以使用较小容量的铁锂电池系统来

满足大功率负责放电的使用场合；

10. 系统适用于各类高温，无空调的备电场景下应用，可替换48V体系铅酸电

池使用；

11. 系统内部带加热模块，在充电状态下，环境温度低于0℃时，可对电池单

元加热；

12. 系统采用自冷方式，整个产品具有极低的噪音。 双登铁锂电池系统面板示意图：

12345678图6 面板示意图 表1 面板接口说明

序号 1 名称 输入输出接口：正/负极 丝印标识 “+“”-“ 功能说明 电池输入输出端口 待机状态下按键，持续时间为3秒，电池可关机；持续时间为6秒，电池可复2 开/关机/复位键 Reset 位。 关机状态下按键，持续时间为3秒，电池可开机，加电也可自动激活电池系统。 7

序号 3 4 5 6 7 名称 RS485通信口 RS232通信口 拨码开关 通信运行灯 告警灯 容量指示灯 丝印标识 RS485 RS232 ADD RUN ALM SOC 功能说明 用于与电脑上位机通信或级联通信 用于与电脑上位机通信 用于设定电池通讯地址 运行灯，绿灯 告警灯， 红灯，有告警和保护发生时闪烁或常亮 容量指示灯，绿灯，显示电池剩余容量 8

2、通信用磷酸铁锂电池普遍存在的问题  浮充状态对铁锂电池的影响

通信基站的铁锂电池基本长期处于浮充状态。对于浮充，就好比我们的手机电池，充电器一直插着，我们一直在用，但电一直没充满。  低温倍率性能不理想

磷酸铁锂材料的固有特点，决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。一般情况下，对于单只电芯（注意是单只而非电池组，对于电池组而言，实测的低温性能可能会略高，这与散热条件有关）而言，其0℃时的容量保持率约60～70％，-10℃时为40～55％，-20℃时为20～40％。这样的低温性能显然不能满足运营商的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升，但还未真正满足需求。  电池存在一致性问题

单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但电池组的寿命会大打折扣，有可能是500次。因为电池组是由大量单体电池串并而成，其工作状态好比一群人用绳子绑在一起跑步，即使每个人都是短跑健将，如果大家的动作一致性不高，队伍就跑不快，整体速度甚至比跑得最慢的单个选手的速度还要慢。电池组同理，只有在电池性能高度一致时，寿命发挥才能接近单体电池的水平。

 大容量电池安全隐患

大容量单体电池的安全性能。虽然磷酸铁锂电池相对于钴酸锂、锰酸锂

有更好的安全性，但100Ah以上的大容量锂电池安全隐患仍未消除，锂离子电池使用易燃的有机溶剂作为电解液，在电池遭到外力破坏后，有机溶剂及

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其蒸汽容易发生漏液、着火甚至爆炸，它是锂离子电池发生火灾或爆炸事故的主要原因之一。

随着技术的发展，磷酸铁锂材料上的这些缺点正在逐步得到解决，其性价比也逐步得到提高，应用范围也逐渐扩大，我们相信，磷酸铁锂电池技术已经进入一个飞速发展阶段，正在带动整个产业从市场的培育导入期进入一个高速增长阶段。

五、国内各生产厂家的生产研发水平

磷酸铁锂电芯生产由于生产工艺和技术相对成熟，在有稳定的正极材料货源情况下，国内大部分锂离子电池厂商均能生产出磷酸铁锂电芯，但由于制造通信后备电池涉及到电芯的循环性能，必须保证电芯的一致性，这样对电池的生产设备提出了更高更专业的要求，所以设备资金投入很大，一般来说，建设一条磷酸铁锂电芯生产线至少需要 5000万元的启动资金。创业企业在进入这一领域会非常困难，传统的电池生产企业将具有较大的优势。

目前涉及通信领域的磷酸铁锂电池生产厂家很多，但是再国内较为专业的生产厂家只有：比亚迪、双登、南都、中航锂电、光宇、中兴派能等几大公司。各厂家均推出的自己的通信铁锂电池系统，各个特点和优势。而中兴和华为相对较为保守，只是在公司设立了研发部门，大部分产品则委托第三方生产。双登早在09年就与中兴合作开发了4810型铁锂电池系统，并且在国内外大规模批量使用。产品性能也一直随着运营商的需求二不断提升和改善；12年与华为公司就铁锂电池系统方面，首次合作开发了BBS 4840Z铁锂电池产品，并取得华为批量采购。今年年初双登与中兴开展了新的高温备电型20Ah~50Ah铁锂电池系统的开发，目前4850样品已经通过了中兴研发测试。

六、不同温度下通信用磷酸铁锂电池系统的应用

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双登研制的铁锂电池系统的标准工作温度范围：-25℃～65℃。 在高温环境下，电池系统的散热方式一般有两种方式：主动散热和被动散热。通信用磷酸铁锂电池系统的散热方式的设计取决于铁锂电池系统工作时的放电倍率和工作环境因素。在正常工作环境下，铁锂电池的放电电流一般为0.2C-1C之间，电池本身产生热量较小，通过机箱外壳和散热孔，采用被动散热，可以满足正常应用。被动散热主要采用气体（空气）或金属材料作为导热件。主要优点有：结构简单，质量轻，热量产生时能有效通风，成本较低；而在一些特殊场景下，如果电池正常工作电流达到2C-4C，甚至于5C，那么系统就需要采用主动散热的方式。主动散热一般是配置风冷器件来达到目的。当温度上升至某一设定值时，风扇自启动，以降低系统的温度；当温度下降至某一设定值时，风扇自动关闭，降低能耗。

对于低温环境下的应用，虽然目前磷酸铁锂电池的低温性能还达不到一些高倍率放电的要求，但是考虑通信铁锂电池系统的应用场景，我们可以通过一些外部辅助手段，来提高铁锂电池的环境温度。例如：双登生产的铁锂电池系统采用的是在电池机箱内部配置加热模块的方式，来解决低温环境下应用问题。同时，在有条件的情况下，也可额外配置热交换器、空调等措施，来提高环境温度。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升，但还未真正满足需求。

图7 磷酸铁锂电池温度-电压特性图

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图8 4850铁锂电池系统低温0.2C放电曲线图

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附：双登SDA10-48系列铁锂电池模块应用

（1）嵌入式铁锂电池模块

48V通信用磷酸铁锂电池模块

（2）室内支架式并联系统

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（3）室内机柜式并联系统

（4）户外一体化电源系统

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