聚合物磷酸铁锂电池在通信电源系统中的应用 魏翠 1, 孔德龙 1, 李兆龙 1, 王红军 1, 刘海胜 (1. 山东圣阳电源股份有限公司, 山东, 曲阜,273100) 摘要 : 论文阐述了聚合物磷酸铁锂电池系统, 并从电池循环寿命, 放电性能, 安全性能等几个方面论述了磷酸铁锂电池的优异性能, 该电池适合通信设备, 保证设备不间断供电 关键词 : 磷酸铁锂电池, 聚合物锂离子电池, 通信电源系统, 电池管理 1. 前言在网络通讯时代, 作为市电停电或故障时的后备电源, 许多电池在通信基站中得到广泛应用 目前阀控式密封铅酸蓄电池以其充电模式较简单, 使用比较方便, 价格低, 维护量小等特点, 成为通信电源系统的首选电池 但由于阀控式密封铅酸蓄电池自身结构特点及材料 工艺的限制, 在近二十年的实际应用中暴露出许多缺点 : 放电循环寿命短, 一般只能到 300 次左右 ; 电池怕失水, 怕热, 高温特性差 [1],25 以上, 温度每升高 10, 使用寿命约降低一半 [2], 在 40 50 高温环境下连续使用,AGM 电池寿命 1 到 2 年, 胶体电池是 3 到 4 年 ; 电池重量重, 体积大, 比能量低, 运输 安装 拆卸不方便, 占用空间大 ; 充电时间长, 不能快速充电 [3], 电池深放电后, 一般需要 16 小时以上充电时间, 在停电频繁的场合, 电池未充足电就再次放电, 导致电池性能快速衰减 ; 污染严重, 铅酸蓄电池在生产过程中及使用后的酸液和铅等重金属, 对人体 自然环境具有长期的破坏性 铅酸蓄电池的这些缺点极大的限制了其在通信电源系统中的应用 近年, 随着 FTTH(Fiber To The Home) 和 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line) 为代表的真正宽带网络的普及, 以前以固定电话为主体的通讯服务, 正在向国际互联网和移动通讯为中心的信息流通服务变化 [4] 通信设备的集成化 小型化 轻型化, 对备用电源的比能量 使用温度范围 寿命等提出了更高的要求 同时, 国家十二五战略规划中, 新能源材料所属的磷酸铁锂锂离子电池, 已经被列为国家重点科技战略项目, 并加大了财政和技术支持 聚合物磷酸铁锂电池以其质量轻 体积小 能量密度高 耐高低温 循环寿命长 适合大电流放电 环保无污染等优点无疑是人们期待的理想电源, 成为高要求后备电源解决方案的新选择 2. 磷酸铁锂锂离子电池系统 2.1 磷酸铁锂电池系统组成和工作原理山东圣阳电源股份有限公司紧跟国家政策 市场需求, 率先研制开发的通信用后备式聚合物磷酸铁锂电池系统, 具有集成化 小型化 轻型化 标准化 智能化等优点, 并通过各项测试可用于通信领域作为后备电源 1
由于通信设备电压等级主要为 48V, 而每个磷酸铁锂单体电池 ( 或叫电芯 ) 的标称电压为 3.2V, 所以该电池系统主要由 15 个单体电池串联后加上必要的电池管理系统 (BMS) 和外壳组成一个电池组对通信设备供电 [5] 电池组的使用电压范围为 40.5V~57V, 主要的电力能量集中在 42V~54V 范围 图 1 为通信铁锂电池模块结构示意图 图 1 通信铁锂电池模块结构示意图从上图中可以看出, 市电交流 220V 输入经整流模块处理后输出直流 48V 供通信设备使用, 直流 48V 又接磷酸铁锂电池组及电池管理系统 在电网正常的情况下, 整流电源模块提供系统需要的功率, 同时给电池组充电 ; 在电网断电时, 由磷酸铁锂电池组提供电能, 保证通信设备正常运行, 实现不间断供电功能 2.2 电源管理系统 (BMS) 电池管理系统 (BMS) 是采用专业芯片和大功率 MOS 管制成, 具有如下功能 : 过充保护 过放电保护 过放电电流保护 短路保护, 温度控制等功能 电源管理系统主要包括 : 智能充电管理 电池的均衡管理 智能间歇式充放电管理以及通信及检测功能 首先电池均衡管理可以对电池逐只进行充电管理和检测, 有利于提高电池的一致性, 保证每只电池能较好的发挥其容量, 防止落后电池的发生 其次系统采用间歇式充放电管理模式, 分两个步骤 : 一是恒流 - 恒压充电阶段, 电池组充电电路根据各单体电池的电压进行充电控制, 控制电池单体和电池组的充电电压满足充电限制电压要求 ( 充电限制电压 : 电池单体 3.8V, 电池组 57.0V), 直到所有电池都充满,48V10Ah 锂离子电池可 1C 快速充满电, 充入电量约为额定容量的 98% 以上, 相比于铅酸蓄电池节约时间大约 4h; 二是间歇式补充电阶段, 电池组完成整个恒流 - 恒压充电过程后, 电池组由 BMS 控制进入开路静置状态, 直至容量减少到电池组充电限制电压初始容量的 95%SOC 时, 由 BMS 控制电池组重新进入补充电状态, 补充电方式也遵循恒流 - 恒压充电方式 ; 在开路静置状态时, 若交流电停电,BMS 应能控制电池组无延迟进入放电状态 另外, 电源管理系统的通信及检测功能能够了解到电池剩余容量 电池状态 环境状态 失效警告等信息 总之, 电源管理系统不仅能够有效的解决长期浮充使用导致电池的使用寿命缩短问题, 而且进一步提高的电池系统
的安全性 图 2 电池组间歇式充放电管理示意图 (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 ) 3. 磷酸聚合物磷酸铁锂电池特性山东圣阳电源股份有限公司生产的通信备用锂离子电池正极采用新型材料磷酸铁锂, 通过叠片式将正极极片 隔膜和负极石墨极片依次间隔叠落在一起成芯, 电解质采用凝胶聚合物电解质 为确保电池组每个单体电芯性能的一致性, 采用独有的配组技术, 制得大容量 48V10Ah,20Ah,30Ah,40Ah, 最大容量能够达到单体电池 500Ah 不同类型的磷酸聚合物磷酸铁锂电池 在橄榄石晶型结构的磷酸铁锂中, 由于 P-O 键键强非常大, 所以 PO 4 四面体很稳定, 在充放电过程中起到结构支撑作用, 因此磷酸铁锂有很好的抗高温和抗过充电性能 [6] ; 同时由于 LiFePO 4 和完全脱锂状态下的 FePO 4 的结构很相近, 所以 LiFePO 4 的循环性能也很好, 这有效解决了大容量锂离子电池的安全性问题 ; 另外, 以凝胶聚合物电解质代替液体电解质, 电池无漏液, 电池的尺寸形状容易设计, 安全性更高 [7] 3.1 长循环寿命将 15 只 10Ah 聚合物铁锂电池电芯串联组成 48V10Ah 电池组, 在充放电检测仪器上进行循环实验 1 在 1C(A) 电流下放电到终止电压 41.3V,2 在 1C(A) 下进行恒流充电至 56.5V, 再恒压充电至电流减小到 200mA;3 重复以上步骤进行循环, 直至连续三次放电容量小于 80%Ce 时, 视循环寿命结束 从图 3 曲线中可以看出, 电池组经过 2013 次循环后, 电池组容量仍保持在初始容量的 83%, 说明聚合物磷酸铁锂电池具备卓越的循环寿命, 保证了通信电源使用寿命, 满足了通 信电源对锂离子电池使用寿命的要求
12.00 48V10Ah 铁锂聚合物电池组 1C 循环寿命 10.00 电池组容量 (Ah) 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 1 202 403 604 805 1006 1207 1408 1609 1810 2011 循环次数 ( 次 ) 图 3 48V10Ah 聚合物磷酸铁锂电池组循环寿命曲线 3.2 放电性能图 4 为 48V10Ah 电池在不同放电率的放电特性, 该组曲线表明, 在室温下 0.5C 以及 1C 倍率下放电放电容量都在 100%Ce 以上,3C 倍率放电达到了 95%Ce,5C 倍率放电达到了近 90%Ce, 电池的输出电压大部分在 2.7V~3.2V 范围内变化, 且放电电压平台稳定, 说明磷酸铁锂聚合物电池具备优异的放电性能, 适合大电流放电 作为通信用后备式电池, 磷酸铁锂聚合物电池在不同倍率下优异的放电性能满足通信电源对不同放电电流的需求, 保证通信设备正常运行 图 4 聚合物磷酸铁锂电池在不同放电倍率下的特性曲线 3.3 高低温性能图 5 为 48V10Ah 在不同的环境温度下的放电曲线 从图中可以看出, 在 55 以及 25 下, 聚合物铁锂电池放电容量都在 100%Ce 以上, 在 -25 时降为额定容量的 93%Ce, 在 -45 下, 放电容量为额定容量的 82%Ce, 说明磷酸铁锂聚合物电池在高低温下仍具备很好的放电性能, 这就为锂离子电池在不同环境下应用提供了重要保证, 满足在较为恶劣环境下通信电源的要求
图 5 磷酸铁锂电池不同温度下的放电曲线 3.4 安全性能为保证通信用锂离子电池具有更高的安全性, 电池采用安全性更高的磷酸铁锂正极材料, 电池隔膜采用国际先进的 Celgars2300 PE-PP-PE 三层复合薄膜, 电解质为凝胶聚合物 如图 6 所示, 我们分别对电池进行的各项滥用实验, 如 XC 过充 YC 过放 短路 针刺 撞击及挤压测试, 电池均不爆炸 不起火 不冒烟或漏液, 圣阳生产的磷酸铁锂电池具有极高的安全性能 图 6 电池滥用测试 3.5 不同电池性能对比 磷酸铁锂电池与其他电池间性能对比见表 1
表 1. 不同电池性能对比 Table 1 Comparison of different types of batteries 电池种类铅酸电池镍氢电池镍镉电池锂离子电池铁锂电池 电压 (V) 2.0V 1.2V 1.2V 3.7V 3.2V 安全性 循环次数 (100%) ~300Cycles ~500 Cycles ~500 Cycles ~500 Cycles ~2000 Cycles 能量密度 (/ 重量 ) 35Wh/kg 80 Wh/kg 50 Wh/kg 160 Wh/kg 120 Wh/kg 能量密度 (/ 体积 ) 80Wh/L 260 Wh/L 150 Wh/L 420 Wh/L 310 Wh/L 高温特性 低温特性 记忆效应 -- -- 环境影响 成本 与铅酸电池相比, 如表 2 所示 表 2 磷酸铁锂电池与铅酸电池对比 Table 2 Comparison of LiFePO 4 to lead acid batteries 电池性能 说明 磷酸铁锂电池 铅酸电池 单体电压 (V) 3.2 2 重量比能量 (wh/kg) 110~130 30~50 体积比能量 (wh/l) 180~220 80~120 循环寿命 1C100% 充放,25 2000 次 250~350 次 高温性能 55 优异 一般 低温性能 -10 容量保持率 70% 60~70%
自放电 常温搁置 28 天 10% 5% 充放电效率 >99% 80% 耐过充性能 较好 好 最大放电电流 30C 20C 最佳放电电流 1C 0.2C 安全性 优 优 环保 无污染 污染 4. 结论 磷酸聚合物磷酸铁锂电池因其具有循环寿命长, 安全性能高, 比能量高, 高低温性能 好等优点, 为通信备用电源提供了可靠性和安全性, 将逐步代替传统的铅酸蓄电池在通信领 域中得到广泛应用 参考文献 [1] 桂长清, 通信用阀控式铅酸电池检测与维护技术 [J] 蓄电池,1998(3):28-33. [2] Jon Anderson, Jay Frankhouser, Daniel Boyer,et al. Commercial lithium ion reserve power system. [3] 陈维, 沈辉, 邓幼俊. 太阳能光伏应用中的储能系统研究, 蓄电池 2006(1):21-27. [4] 锂电中国研究发展中心. 日本锂电技术研究进展第 1 辑 [M],2009(11) [5] YDB 032-2009 通信用后备式锂离子电池组, 中国通信标准化协会,2009(4) [6]Padhi A K, Naanjundaswamy K S, Masquelier C, et al. Effect of structure on the Fe 3+ /Fe 2+ redox couple in iron phosphates[j]. J Electrochemical Soc, 1997, 144: 1609-1613 [7] 禹筱元, 刘业祥, 胡国荣, 锂离子电池用有机电解液和聚合物电解质的进展, 材料导报, 2003,5 月, 第 17 卷第 5 期