通信行业锂离子电池技术及应用场景研究

1 概述

随着5G移动通信和大数据等技术的快速发展，新业务、新设备、新产品层出不穷，作为通信网络正常运行的最后一道防线，后备电源特别是电池技术发挥着越来越重要的作用。通信领域采用的电池不仅包括传统的铅酸蓄电池，还有多种锂离子电池等，锂电池由于其高功率密度以及高温特性好等优点，比传统铅酸电池更适合与基带处理单元、IT设备等就近摆放，甚至可进一步分散放在IT设备内部。

目前锂电池主要应用于各类容量较小或者较轻便携带方便的场景，但已逐步从便携式产品市场逐步向后备式电源和储能系统领域延伸。在通信用后备式电源领域，随着接入网的发展和通信机柜的小型化，国内外多个通信设备制造商已推出一系列机架式通信用后备式锂离子电池组，各大运营商也已开始正式投入使用。目前比较成熟的锂离子技术主要包括磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、钛酸锂电池等，其中，实际应用相对更成熟广泛的是磷酸铁锂电池。

2 磷酸铁锂电池技术特点

2.1 基本原理及特点

磷酸铁锂电池（LiFePO4）在充电过程中，Li+在聚合物隔膜朝着负极方向迁移，放电过程中锂离子Li+朝着正极迁移。锂离子电池的电化学性能较为突出，充放电结构稳定。磷酸铁锂电池的标称电压为3.2 V。能量体积比可达到160 kWh/m³～210 kWh/m³。放电倍率远优于铅酸蓄电池，1h率容量C1为0.9C10，3h率容量C3为0.95C10，10h率容量为C10。大电流充电和放电性能良好，可以实现3C电流充放电，且受高温影响较小。

通信用磷酸铁锂电池技术较成熟，已发布一系列行业标准或研究报告：

（1）通信行业研究 报告《通信用后备式锂离子电池组》（YDB032-2009）

（2）通信行业标准《通信用磷酸铁锂电池组》《第1部分集成式电池组》（YD/T 2344.1-2011）--集成式电池单体容量系列为100 Ah及以下[1]。

（3）通信行业标准《通信用磷酸铁锂电池组》《第2部分分立式电池组》（YD/T 2344.2-2015）--分立式电池单体容量系列：50、100 Ah及以上[2]。

2.2 与铅酸电池主要性能对比

具体对比如表1所示。

表1 磷酸铁锂电池与铅酸电池对比

总体来说，磷酸铁锂电池较传统铅酸蓄电池具有体积小、重量轻、能量密度高、寿命长、使用安全、大电流快速充电、耐高低温、放电深度大、绿色环保和无记忆效应等优点。有助于改善传统铅酸蓄电池缺陷和不足所带来的影响，更能满足未来通信技术发展的要求，随着其技术进一步成熟、价格逐步降低，预计其市场份额将逐步增大。

2.3 磷酸铁锂电池目前主要应用问题

（1）BMS管理系统和开关电源的兼容问题

当前大部分BMS的保护功能是将铁锂电池进行切断，脱开系统，来实现对电池的保护功能。铁锂电池深度放电之后，BMS对电池进行断路保护，采取保护措施后铁锂电池端电压为0 V，而目前基站所使用的部分厂家的开关电源采用了铅酸蓄电池充电保护逻辑，即如果检测到电池端为0 V，将认为电源设备后端没有蓄电池做保障，为了不对通信负载造成频繁浪涌冲击，因此电源设备暂不输出电压，结果无法对断路保护后的锂电池进行再充电。

（2）-48 V电源系统采用15电芯和16电芯串联的分歧

磷酸铁锂电池组模块一般由单体电池电芯串联组成，目前行业标准是16个单体电芯串联的模块，但在15或16串电芯的问题上一直存在分歧。在通信领域的应用过程中，出现了使用16串电芯技术时出现开关电源对铁锂电池组系统充电不足的现象。

（3）铁锂电池充电管理和保护问题

铁锂电池的BMS管理系统和开关电源的监控系统能否合理兼容，对铁锂电池的使用管理和保护有很大影响。

（4）铁锂电池过放电

铁锂电池过放电，电池组模块中落后的电池将率先放电到0V，此时存在出现电池极性反转现象的可能性，会对电池造成永久性损坏。

3 磷酸铁锂电池在通信基站的应用

3.1 一体化基站应用

在通信基站应用铁锂电池的时候，应根据宏基站、微基站的重要程度、分布情况、建站条件等，制定有差别的使用原则：

（1）适合室外一体化基站：通信运营商在发展中，逐渐更多地采用更加便于快速部署的室外一体化基站。此时锂电池和通信电源组成一体化电源，可以方便地挂在楼道墙壁上、安装在楼顶上及固定在电线、灯杆上。

（2）适合室分系统、CBO/CBOE、MBO、WLAN、XPON等各种耗电较小的应用场景。

（3）适合偏远农村基站，停电频繁，环境温度高，铅酸电池维护成本高，若改用铁锂电池，循环寿命长，可深度充放电，安装维护方便。

（4）适合机房面积狭窄、承重低的市中心基站，铁锂电池可更加灵活安装。

（5）对于太阳能、风能、储能站循环充放电频率高的特点，磷酸铁锂电池具有优势。

（6）对于可靠性、通信安全性要求较高的宏基站，使用铁锂电池应具有较完善保护告警功能，发现问题及时处理。

3.2 梯次电池应用

3.2.1 梯次电池简介

梯次利用动力锂电池简称梯次电池，是指在电动汽车上退役进行二次处理后使用的动力锂电池，目前的梯次电池全部为磷酸铁锂动力锂电池。现已在中国铁塔公司的基站得到了广泛应用。梯次电池具有以下优点：

（1）动力锂电池梯次利用后仍能够剩余6年的实际寿命和400～2 000次的实际循环次数，较传统铅酸电池的3～6年使用寿命、200次的实际循环次数有大幅的提高。

（2）耐高温能力强，锂电池满足45℃以下极限工况的使用。

（3）放电特性好，大电流放电时容量利用率高。

（4）充放电转换效率高，梯次电池的能量转换效率较铅酸电池高10-15%。

（5）占地小、重量轻、运输成本低，重量和体积为同容量铅酸电池的1/2。

3.2.2 通信行业梯次电池目前主要有三种应用方式

a、电池包直接应用，b、利用模组进行应用，c、拆解单体成组应用，如图1所示，优缺点对比见表2。

图1 梯次电池的三种应用

表2 三种应用的优缺点

3.2.3 梯次电池应用注意事项

（1）外部短路对电池安全的影响：锂离子电池在使用过程中，可能在电池运输过程中、电池组线路老化和振动、碰撞等情况下发生外部短路的情况，可能造成电池失效，严重时会导致电池的热失控。

（2）高低温对电池安全的影响：在低温环境下，锂离子电池的容量急剧降低，内阻增大，在电池充放电时析出金属单体锂，有可能会刺穿电池内部的正负极，使电池发生内部短路现象，导致电芯熔化，电池着火和爆炸等安全问题。在高温环境下，高于55℃时锂离子电池的容量衰减速率加快，电池寿命减少。温度高于90℃时，将导致电池热失控的发生。

（3）过充电对电池安全的影响：锂离子电池在过充电过程中，锂从正极材料中脱离出来，电池的电压和温度在很短的时间内快速升高，可能会发生热失控现象，进而发生燃烧或爆炸的安全事故。

（4）过放电对电池安全的影响：电池过放电放电电压超过电池额定放电截止电压，可能会导致电池容量的衰减，电池发生内短路，电池温度出现异常出现热失控等安全问题。

（5）加强梯次电池安全管理：安全运输和储运；加强培训，规范建设和维护；合理使用温度调节设备；做好限流控制，加强动环监控力度；增设一定的消防设施（如灭火沙包）。

4 磷酸铁锂电池在数据中心的应用

相对于铅酸电池，磷酸铁锂电池单体容量偏小，目前更多应用于小型化、分散化、环境恶劣的场景。而数据中心的外电和油机配置标准较高，因此在应用磷酸铁锂电池时，应重点利用其能量密度较高和常温倍率性能良好的特点，更适用于机房分布式供电模式或模块化机房，在通信机房设备机架列端安装供电系统，磷酸铁锂电池体积小、容量大、重量轻的特点，可以有效满足通信设备需求。

4.1 锂电池入列应用方案（华为案例）

华为公司锂电池入列方案简述：主体采用微模块数据中心，不间断电源采用模块化UPS柜；蓄电池采用磷酸铁锂电池柜，详见图2、图3。

图2 华为锂电池入列应用方案结构图

图3 华为SmartLi锂电柜结构

该方案主要优点：锂电能量密度高，相对于铅酸蓄电池占地减少70%；配合模块化UPS，可实现数据中心机柜在线扩容。

4.2 锂电池入列应用方案（联方云天案例）

联方云天公司数据中心供电架构由分布式电源系统设备和能源管理平台构成，分布式电源系统设备对IT设备提供持续的供电，能源管理系统对分布式供电系统设备进行日常管理、监控及能源调度。

分布式电源系统设备由电源模块，控制模块和锂电池模块组成，各模块组合安装在一个主机箱中，主机箱可以部署在一个标准服务器机柜中。采用软件定义能源技术，电源模块负责电力的稳定输入输出；控制模块负责各功能模块的信息采集、设备状态管理及能源调度；锂电池模块负责电力储能，锂电池模块中的BMS(电池管理系统)负责对电芯进行监控及均衡等管理，详见图4。

图4 联方云天锂电池入架应用方案（DPS）结构图

本方案主要优点如下：

（1）真正模块化：DPS与微模块数据中心完美整合，实现真正的模块化；

（2）改造灵活：双UPS改造、供电扩容交换机房改造DC、承重受限机房改造DC

（3）节省空间：无需UPS和电池配置，同等面积下增加业务机柜部署；

（4）按需部署：客户UPS和IT业务同步上线，根据预算及业务特点按需部署；

（5）集成化部署：集装箱数据中心、一体化机柜。

4.3 在数据中心应用锂电池的注意事项

UPS及其配套铅酸蓄电池组经过多年来的发展，已形成了一整套较为完善的设计、运维规范和标准。而磷酸铁锂电池行业标准主要针对电压等级48 V，常用容量（Ah）：5、10、20、30、40、50的电池，并不适用于常规的交流供电UPS。因此仍需更为深入的研究和更为广泛的测试，包括电池单体的串并联方式和BMS管理功能等。

磷酸铁锂电池的结构决定了其对于充放电截止电压要求较传统铅酸电池有着更为严格的要求。一般情况下，铁锂电池的充电电压为3.55～3.7 V，单体浮充电压不得低于3.4 V；均充模式下，单体电压不超过3.8 V，否则将引起电池的彻底损坏。因此，磷酸铁锂电池不可简单的对在用铅酸电池进行直接替换，需要单独配置相应的电池管理系统（BMS）来实现对于电池充电过程、放电过程和相应的保护措施等功能。

5 其他锂离子电池技术及应用简介

5.1 三元锂电池[4]

三元锂电池的正极材料以镍盐、钴盐、锰盐为原料融成；负极材料为石墨或其它碳素材料，与电解液、隔膜等组成的锂离子电池，标称电压为3.6-3.8 V。从形状上来分，可分为软包电池、圆柱电池和方形硬壳电池。三元锂电池技术发展较快，已和磷酸铁锂电池形成了较明显的竞争趋势，在各个领域中的应用也越来越广泛。

三元锂电池能量密度比较高，振实密度高，续航里程长，输出功率较大，低温性能优异，但高温稳定性差，造价也比较高。在能量密度方面，三元锂电池优于磷酸铁锂电池；在循环寿命方面，二者相当，单电芯的循环寿命都可达到3 000次以上。

三元锂电池是电动工具、电动自行车和其他电动动力系统的主要电池类型之一。但其防起火安全性和高成本方面存在较大的负面的影响，业界正在研究改进对策，以期提高其安全性和降低成本。目前磷酸铁锂电池能量密度已经基本达到理论极限，而三元电池的能量密度还有较大提升空间。在新能源汽车未来发展过程中，当三元锂电池解决安全和成本问题之后，很有可能会逐渐取代目前磷酸铁锂电池的市场地位。

5.2 锰酸锂电池

锰酸锂电池采用成本低、安全性和低温性能好的正极材料，但是其材料本身并不太稳定，容易分解产生气体，因此多用于和其它材料混合使用，以降低电芯成本，纯锰酸锂电池大都在特殊情况下应用。锰酸锂电池标称电压为3.7 V，耐热冲击和穿刺能力强，锰酸锂电池的低电池内阻可实现快速充电和大电流放电。但短路会引起防爆膜破裂，而过充则会发生起火、爆炸，高温性能较差，电池温度不能超过80℃。其循环寿命衰减较快、寿命相对短，锰酸锂的容量大约比钴酸锂低三分之一。锰酸锂主要用于大中型号电芯，多用于电动工具，医疗器械，以及混合动力和纯电动汽车。

5.3 钴酸锂电池

钴酸锂电池由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成，结构稳定、比容量高、综合性能突出。钴酸锂电池标称电压3.7 V，主要用于中小型号电芯。由于其电化学性能优越、加工性能优异、振实密度大、有助于提高电池体积比容量、产品性能稳定、一致性好等优点，其主要应用于制造手机和笔记本电脑及其它便携式电子设备的锂离子电池，这方面的技术也很成熟，市场份额稳定。但应用的最大缺点是成本高，寿命相对较短，热稳定性低和负载能力有限，同时应用于动力电池方面也有一定的难度。

5.4 钛酸锂电池

钛酸锂电池具有高安全、快充放、长寿面、耐温宽等特点。但是钛酸锂电池在循环使用中会发生持续产气导致电池包鼓胀，高温时尤其严重，影响电池正负极的接触，增加电池阻抗，影响电池性能的发挥，这些缺点限制了钛酸锂电池的广泛应用。其次，钛酸锂的能量密度也比其他锂离子电池低，也不利其在新能源汽车上应用。

钛酸锂电池储能在供电侧、发电侧、用户侧多场景均有应用。在发电侧，钛酸锂电池快响应特性针对风电和光伏发电本身的随机性、波动性和间隙性，其储能系统对电网可平滑间歇性电源功率波动；供电侧，钛酸锂电池及储能系统的长寿命和高稳定特性对电网可削峰填谷，高效率提高电能质量；用户侧，凭借全生命周期低成本和快速充放电特性，钛酸锂技术充分被分布式系统、电动汽车、家用储能等场景采用。

6 锂离子电池未来应用展望

当前制约锂离子电池在通信等行业应用的主要因素包括新的锂离子电池系统以及高安全工作机理、高性能处理材料目前还没有完全形成，新型处理材料及电解质材料的研发应用还处在初步探索阶段。但随着近年来科学技术快速发展，国内外科研工作者将会继续研发能量密度更高、功率更大、循环使用寿命更长的高效能锂离子电池。

我们需要对不断涌现的各类锂离子电池技术进行深入研究和分析，在实践中检验锂电池的使用效果，使其更匹配通信基站或数据中心的实际需求，提高综合效能和安全可靠性。预计随着锂电池技术的不断进步，其优势将会体现的越来越明显，从而逐步得到更广泛的应用。