磷酸铁锂电池在通信电源中的应用分析

魏 敏

（云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000）

0 引 言

通信备用电源对通信行业来说非常重要，主要以电池箱的形式安装在各个基站的机房内，在基站市电出现故障时提供电源，保证基站的正常运行和通信畅通[1,2]。据了解，目前大部分运营商仍在使用铅酸电池。铅酸电池在通信行业应用时间较长，其缺点也越来越明显，尤其是在机房环境和后期维护等方面[3]。经过多年发展，目前通信领域的电池技术不仅包括传统的铅酸电池技术，还包括锂离子电池、燃料电池以及液流电池等新技术，磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP）是其中之一[4,5]。

通信电源领域，LFP 电池势必替代铅酸电池。通信电源领域用LFP 电池与传统的铅酸蓄电池相比：具有单电芯，电压可达3.2 V；电池组容量小于等于2 000 Ah；占地面积小；系统应用48 V 模块并联，模组不可直接串联；模组最大放电电流小于等于1C；0 ℃以下不能充电，需要保温措施；温度超过65 ℃时需要采用电池管理系统（Battery Management System，BMS）保护；模组使用寿命长；保护环境[6,7]。在通信领域推广使用LFP 电池，电池体积变小，重量变轻，能够解决运营商机房空间和承重的问题[8]。

1 LFP 电池工作原理

LFP 电池采用橄榄石型磷酸盐嵌锂材料，晶体结构稳定，在充放电过程中不易变形破损。同样，锂离子的重复嵌入和脱嵌可以引起负极材料层间距离的变化，而不会破坏材料的晶体结构。LEP 电池主要由正极、负极、电解液以及隔膜组成，还包括壳体、安全阀以及连接器等，其结构如图1 所示[9,10]。

图1 LFP 电池结构

LFP 电池充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜转移到负极；放电时，锂离子Li+通过隔膜从负极转移到正极。LFP 电池充电时，Li+从LFP 晶体的010 面移动到晶面，在电场力的作用下进入电解液，穿过隔膜，再移动到膜面。电解石墨烯后将其嵌入石墨烯晶格，电子通过导体从正极流向铝箔电极，再通过负极铜箔集流体的极耳、电池端子、外电路、负极端子以及负极板，最后通过导体到达石墨负极以平衡负电荷。LFP 嵌入锂离子后，LFP 变成磷酸铁。LFP电池放电时，Li+从石墨晶体中释放出来，进入电解液，穿过隔膜，然后通过电解液移动到LFP 晶体表面，再嵌入晶格，LFP 通过010 表面的内部。同时，电池通过导体流向负极铜箔集电体，通过极耳流向正极铜箔集电体、电池负极、外电路、正极端子以及正极耳，然后通过导体流到磷酸铁锂正极以平衡正极上的电荷。化学反应方程式如下。

正极化学反应方程为

负极化学反应方程为

总反应化学反应方程为

2 LFP 电池主要特性

2.1 LFP 电池常温倍率的特征

变化倍率特性反映了电池容量在不同电流下的稳定性，是衡量电池性能的指标之一。LFP 电池样品的变化倍率测试步骤如下。

第1 步，按照厂家推荐的充电方法将电池样品充满电，静置2 h。

第2 步，以1/3 C 的变化倍率将电流放电至规定的截止电压，测量放电过程中的累积放电容量，并将此放电容量作为电池的额定容量。

第3 步，按照厂家推荐的充电方法给电池样品充满电，静置2 h。

第4 步，电池充满电后，以不同的速率放电至一定的截止电压，在放电过程中测量累积容量和电压等参数。

第5 步，重复第3 步和第4 步的操作，得到不同放电电流下电池样本电压与放电容量的百分比，如图2 所示。

图2 LFP 电池常温倍率性能曲线

不考虑电池制造技术和温度因素影响，电池恒流放电满足Peukert 方程

式中：I为放电电流；t为放电总时间；C为电池时间常数。

标准放电电流下的放电容量，Peukert 方程可表示为

电池常数C越接近1，放电容量越受放电电流影响，放电容量稳定性越好。从图2 可知，LFP 电池1 C 放电容量为1/3 C 放电容量的96.3%，具有高放电效率，1 C 内的放电容量的稳定性良好。

2.2 LFP 电池高温容量性能

在45 ℃的环境下，对LFP电池进行高温性能试验，试验方案如下：将电池放入45 ℃温箱，放置5 h，按照电池制造商推荐的充电制度充电，电池放电1/3C。测试结果如图3 所示。

图3 LFP 电池高温容量性能曲线

一般来说，在高温环境下，电池的放电电压比常温高，放电容量增加。因为高温下反应物活性高，电池反应充分，但电池在高温下的副反应也随之增加，对电池性能会产生不可逆的影响，大大缩短电池寿命，所以为了保持电池良好的性能，需要在使用过程中将环境温度控制在一定范围内。从图3 可以看出，45 ℃时LFP 电池的放电效率更高，电压平台升高。

传统的铅酸电池对环境温度要求一般较高，《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174—2008）要求电池室内温度控制范围为15 ～25 ℃。根据维护经验，铅电池在环境温度高的情况下，发生电池故障问题的可能性较高。

2.3 LFP 电池低温容量性能

在0 ℃的环境下，对LFP电池进行低温性能试验，试验方案如下：按照电池制造商建议的充电制度对电池充电，充满电后放入 0℃温箱中，静置16 h 后对电池进行不同倍率的放电实验，当电池电压降至放电断电电压时停止放电。测试结果如图4 所示。

图4 LFP 电池低温容量性能曲线

由4 图可知，低温条件下LFP 电池放电容量明显减少，与常温相比，放电容量减少22%。

2.4 LFP 电池能量密度情况

参考某型号LFP 电池，其重量能量密度为120（kW·h）/kg，体积能量密度为310 （kW·h）/L，而一般铅酸电池重量能量密度为35 （kW·h）/kg，体积能量密度为80 （kW·h）/L。2 者对比发现，LFP电池比铅酸电池的体积减小1/3 以上，重量减少1/2以上。

3 LFP 电池在通信电源中的应用

综合实验结果和LFP 电池相关参数及电池使用的具体数据，概述LFP 电池在通信电源中的应用。

3.1 LFP 电池的合理选择

数据中心使用的蓄电池一般只有在市电中断、市电闪烁以及进行测试时才会放电，因此不能充分反映LFP 电池优越的充放电循环性能。此外，数据不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）室或电池间通常装有空调等制冷或加热设备，磷酸锂电池的高温稳定特性不占优势。因此，在应用LFP 电池时，应重点利用能量密度高和常温倍率性能好的特点。

3.2 机房分布式电源模式或模块化机房

分布式或模块化电源室的单个UPS 功率较小，因此需要的电池容量较少。此外，分布式电源或模块化房间都必须接近IT 设备或安装在与IT 设备相同的机柜中，因此会产生负载和空间等限制，使磷酸锂电池可以进一步发挥能源密度高的优势。

3.3 应用于现有UPS 系统需要更深入的研究和更广泛的测试。

UPS 和配套蓄电池组经过多年发展，形成了更加完善的设计、运营和维护规范以及标准。LFP 电池只有中华人民共和国工业和信息化部颁布的《通信用LFP 电池组第1 部分：集成式电池组》（YD/T 2344.1—2011）对集成电池组有参数要求。但是，此部分仅限于电压级别48 V、常用容量5 ～50 Ah 的电池，不适用于常规交流电源UPS。

如果在此标准下使用LFP 电池，则必须使用48 V集成电池以多种连接方式配置可用于UPS 设备的电池组。这种方法需要向现有集成BMS 添加管理系统或调整现有BMS。

3.4 LFP 电池不能直接更换铅酸电池

LFP 电池结构充电放电截止电压要求比传统铅酸电池更严格。一般来说，锂铁电池的充电电压为3.55 ～3.70 V，单浮充电压低于3.4 V。充电模式下单体电压不超过3.8 V，否则电池可能会完全损坏。

LFP 电池与铅酸电池不同，不需要单独配置相应的管理系统，需要BMS 来实现电池充电过程、放电过程以及适当的保护措施等功能。目前，铅酸电池需要依靠UPS 设备进行充放电管理。因此，如果直接用LFP 电池代替铅酸电池，容易导致电池充放电出现管理逻辑错误。

4 结 论

通过对LFP 电池基本性能的实验测试和分析，其电化学特性比传统的铅酸电池更加显著。LFP 电池单体容量小，可用于小型化、分散化和恶劣环境，逐渐成为铅酸蓄电池的有效补充。因此，通信行业需要对LFP 电池的特性和合理应用进行深入研究，测试LFP 电池在实际应用中的应用效果，使数据中心配电系统的各个组成部分可以相互匹配，提供综合效率。