磷酸铁锂电池在东北通信基站的应用前景研究

张雨默，李德锋，李 伟，金 婷

（1.中国移动通信集团吉林有限公司网络管理中心，吉林 长春 130000；2.吉林省电力有限公司梨树县供电公司，吉林 四平 136500）

0 引 言

随着国家对新基建的大力扶持，5G及相关产业得到大力发展，作为5G物理载体的通信基站将会爆发式增长。5G基站能耗将大幅增加，相关研究表明，5G基站主设备AAU功耗约为4G主设备RRU的3倍。另一方面，由于5G基站的频率特性，覆盖相同区域与4G相比将需要更多基站，此时大量的小、微基站将会建立用于城市商业区及楼宇内分布，这对基站的供电复杂性带来了新的挑战，传统的铅酸电池无法在小、微站有限的空间条件下使用，而磷酸铁锂电池却可以使用，磷酸铁锂自身节能、节地、节材的特点使其能够适应复杂的环境[1]。磷酸铁锂电池在环保、充放电次数等方面同样具有巨大优势。同时磷酸铁锂电池成本不断下降，自2012年至今其成本下降80%，在与铅酸电池的成本对比中已经占有优势，这些原因综合导致磷酸铁锂电池的需求爆发式增长。

1 磷酸铁锂电池在通信行业使用概况

中国铁塔公司很早就将磷酸铁锂电池应用于通信基站。铁塔公司将退役磷酸铁锂电池进行拆分重组，检测合格后使用，截至目前中国铁塔约替换铅酸电池近20万t，计划2020年磷酸铁锂电池换铅酸共替换102～112万座基站[2]。

中国移动自2020年开始大规模采购磷酸铁锂电池，并降低铅酸电池采购份额，根据相关资料显示2020年中国移动集采铁锂电池6.1亿A·h，采购需求满足期为1年，预计未来采购数量将持续加大。

2 磷酸铁锂的特性分析

2.1 磷酸铁锂电池工作原理

磷酸铁锂电池由正、负极板，隔膜、电解液、铝塑膜等组成，磷酸铁锂作为正极材料，铝箔与正极相连，中间是聚合物隔膜，将正负极分开，锂离子可以通过，电子不能通过[3]。

由图1可知，锂离子电池反应的实质为Li+浓差电池：充电时，Li+从正极化合物中脱离并嵌入负极晶格；放电时，Li+从负极脱离并回归正极。为保持电荷的平衡，充、放电过程中应有相同数量的电子经外电路传递，与 Li+一起在正负极间迁移，保持电位平衡。工作电位与构成电极的插入化合物的化学性质、Li+的浓度有关，为了增加系统导电性，在电池中加入黏合剂，加速电池反应[4]。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于正极→负极→正极的运动状态，方程式如下：

图1 铁锂电池结构示意

2.2 磷酸铁锂电池组结构

磷酸铁锂电池组目前主要应用于基站及核心机楼开关电源系统中，通常以16支为一组，系统主架构包括铁锂电池组、电池保护以及电池均衡单元，并且具有监控模块和充放电管理模块。结构如图2所示。

图2 磷酸铁锂电池组结构

电池组主要由电芯、连接系统、保护系统、电池管理系统（Battery Management System，BMS）封装在电池外包装内，如图3所示。

图3 电池组组成单元

2.3 磷酸铁锂电池的优点

2.3.1 高能量比、高容量比

同等条件下，铁锂电池的能量密度约为铅酸电池的3～5倍，容量密度约为铅酸电池的3倍，如图4所示。

图4 电池能量密度比较

在成组安装的情况下，提供相同后备时长，磷酸铁锂电池所需重量约为铅酸电池的50%，占地面积一般为铅酸电池的30%～50%。

2.3.2 放电性能优异、使用寿命长

磷酸铁锂电池在放电性能方面，具有较大优势，放电电流对放电容量影响在5%以内，循环寿命达到2 000次以上，同等条件下铅酸电池仅为300次左右 ，如图5所示。

图5 铅酸电池与铁锂电池放电寿命对比

2.3.3 无记忆效应

通信基站电池在实际使用中，经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象称为记忆效应。而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，且充、放电效率达95%以上。铅酸电池不仅有记忆性，而且需要经常活化，即平时需要定期的小容量充放电，带来浮充损耗。

2.3.4 耐高温、绿色环保

磷酸铁锂电池工作范围-20℃～75℃，铅酸电池可在-20℃～45℃时工作，稳定工作范围25℃～28℃；同时与铅酸电池相比，磷酸铁锂电池环保无污染[5]。

2.4 低温状态下磷酸铁锂电池特性

相关研究表明，低温对磷酸铁锂电池的正负极、电解液、导电剂等都存在影响，低温状态下，锂离子活性降低，电池正极本身电子导电性较差，低温环境容易产生极化，导致活性锂沉积及产生固态电解质界面，影响电解质中锂离子的导电性能并降低锂电子的迁移速率[6]；同时，低温影响石墨嵌锂速率，容易在负极形成锂枝晶，穿刺隔膜，形成内部短路，造成严重安全隐患[7]。

低温对磷酸铁锂电池的充放电均产生一定的影响，常规磷酸铁锂电池工作温度为-20～60 ℃，不同温度状态下电池的放电曲线如图6所示。

图6 不同温度下电池放电曲线

当温度降低到0℃以下时，电池性能迅速下降，-10℃与0℃对比，在2.7 V时释放容量降低20%，-20 ℃时仅能释放全容量的60%。因此0 ℃ 是磷酸铁锂电池容量的一个重要节点温度[8]。

低温对于磷酸铁锂电池的充电状态影响更为严重，在低温状态下，电池内部容易形成锂结晶，造成电池内部短路，此时充电极易产生电池内部热失控，造成严重后果[8]。

3 磷酸铁锂电池在东北地区通信基站应用分析

3.1 东北地区冬季基站环境情况

我国东北地区由于冬季温度较低，夜间温度甚至达到-30 ℃以下，如图7所示。

图7 吉林省、黑龙江省冬季日均最低温度

环境温度的降低将极大程度影响基站内温度，环境温度与基站自身环境综合决定基站内最终温度，东北地区通信基站土建构造主要分为3类：砖混结构、彩钢板房结构、一体化机柜，各类型基站冬季温度情况如表1所示。

表1 不同类型基站冬季温度情况

通过上面分析可知，部分基站在冬季处于0 ℃以下，这对磷酸铁锂电池的工作状态造成极大影响，将导致电池性能下降，甚至报废。

3.2 磷酸铁锂电池在东北地区使用及维护要点

目前基站针对磷酸铁锂电池的保暖主要有两种方法。

（1）电池本身加装热膜

由于磷酸铁锂电池多为成组封装，电池组自身配备BMS，只需要在电池组内部加装热膜装置，如图8所示。

图8 电池组加热膜装置

加热膜通过电池组自带BMS进行逻辑控制，在交流电正常的条件下，当单体电芯表面温度在0 ℃以下时， BMS控制加热膜加热，当温度达到设定温度时，BMS控制加热膜停止加热，此方法能够有效克服了磷酸铁锂电池低温性能差的弱点，保证在低温条件下能正常发挥磷酸铁锂电池的应有容量。

除了对电池组加热以外，还需要考虑电池组的保温，有效的保温措施可以保障电池组在加热到正常工作所需的温度后，能够起到隔热的作用，减少热量的散发。通信用磷酸铁锂电池组内部的保温系统设计通常采用保温材料或者保温层喷塑来实现。在电芯方面，铝壳电芯外层采用麦拉胶带包裹，对于电池组中电芯起到保温作用；在电池组箱体方面，外部壳体采用喷塑的方式达到保温的效果。

（2）通过基站内部温度调节保证电池工作温度

通信基站内大多装有空调，同时通信设备在运行过程中也会产生大量热量，根据负载大小，每月消耗电能约为2 000 kW·h左右，负载较大的基站甚至达到8 000～9 000 kW·h，这些电能80%以上转化为热量，通过空调与设备热量综合调节，通过动环监控系统进行温度测量与调节，能够有效保证冬季机房内温度，保证磷酸铁锂电池正常工作。

4 磷酸铁锂电池全生命周期成本分析

4.1 采购成本分析

以两组48 V、300 A·h电池为例综合比较电池采购成本、基站电费支出、电池回收、全生命周期。

（1）采购成本：铁锂电池采购成本约为铅酸电池的2～3倍；

（2）电费支出：由于铁锂电池耐高温性能远远高于铅酸电池，基站空调每年可节约电费10%～15%；

（3）电池回收：铅酸电池回收价格约为5 000元/t，磷酸铁锂电池尚无此方面价格；

（4）生命周期：铅酸电池生命周期一般为4～6年，磷酸铁锂电池生命周期为10～15年。

综合以上信息可知铁锂电池与铅酸电池成本分析如表2所示。

表2 铁锂电池与铅酸电池成本分析

4.2 其他成本分析

随着网络设备的功耗与数量不断增加，基站空间资源日趋紧张，同时基站所处地理环境较为恶劣，施工难度有所不同。磷酸铁锂电池在体积、重量方面优势明显 ，同铅酸电池相比，铁锂电池具有占地面积更小、单组重量更小、搬运数量更少、可预留空间模块化扩容等诸多优势，从工程建设方面进一步降低使用成本，同时可以为机房节约宝贵的空间。

从成本角度全生命周期分析，磷酸铁锂电池的高能量比、优异的倍率放电性能、宽泛的温度使用范围及长寿命等特性使其完全具备在东北高寒地区大面积使用。

4.3 风险分析

4.3.1 爆炸和火灾风险

根据磷酸铁锂的技术原理和产品特性，在实际中主要存在火灾和爆炸的风险，从结构方面主要分为内因和外因，详见表3。

表3 磷酸铁锂电池的风险分析

磷酸铁锂电池的火灾特性主要是火灾荷载大（电能转换为化学能和热能）、燃烧位置深、释放热量大、蔓延速度快；电池一旦出现短路，放电及发热现象就不会完全终止，直至储存的电能消耗殆尽[9]。电池局部或整体出现非正常发热时，电解液因温度升高发生分解或汽化，一旦遇到高温或明火，可能发生剧烈燃烧或爆炸。个别电芯起火，会导致贴近的电芯同时受热、起火，发生连锁反应[10]。

4.3.2 磷酸铁锂电池的防护措施

根据目前的研究结果，蓄电池室设置的气体灭火系统或细水雾灭火系统，不能有效扑灭磷酸铁锂电池火灾。七氟丙烷、热气溶胶等常用灭火抑制剂也不具备扑救磷酸铁锂电池火灾的能力[11]。

因此针对磷酸铁锂电池的火灾及爆炸主要从3个方面入手：

（1）提高采购工作中的安全性检测标准，对必选的安全性能及BMS要求、电磁兼容性等关键指标进行产品测试，并提供合格的检测报告；

（2）采取物理隔离的防火措施并设置火灾报警装置，确保有效监控。电池架（柜）每层底部应配置电解液阻燃吸附盘并采用阻燃装置及材料对电池组进行相应的物理隔离；

（3）加强磷酸铁锂电池的维护管理，完善磷酸铁锂电池维护规程，增加必要的安全性维护要求；确保电池机柜做好保护接地；维护部门应做好电池运行状态的监测；加强维护作业人员的日常巡查，及时发现和排除电池运行故障，及时处置安全意外事件。

5 结 论

本文从原理、结构、低温性能等方面对磷酸铁锂电池进行详细分析，同时着重讲解磷酸铁锂电池在低温环境使用下的维护要点，并通过使用成本对比分析了磷酸铁锂电池在东北地区通信基站大面积使用的可行性，对使用磷酸铁锂电池带来的风险进行了分析并给出相应防护建议。

在磷酸铁锂电池使用需求的推动下，磷酸铁锂电池的成本将不断下降，电池组容量也将不断增加。随着环保要求及机房建设成本的不断压降，磷酸铁锂电池必将在通信行业得到广泛应用，并逐渐替换铅酸电池。