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低温对移动基站中的电池性能影响

   次浏览   本站   2021-03-10

电池作为解决能源问题的一个方向得到了长足的发展,在电池组使用中存在过充、过放、过流、过压、充电不均衡等问题,严重制约电池本身的普及和应用。同时移动基站基本属于无人值守机房,全国分布环境恶劣,基站供电质量差且容易中断因此移动基站的后备直流电源迫切的需要高效的电池管理系统(BMS)进行管理及温度管理,保证后备电池安全、可靠的使用,同时尽可能的延长电池的使用寿命。目前国内对电池BMS系统的研究仍属于起步阶段,由于系统平台的搭建涉及到通信、电子、嵌入式等技术,因此开发难度较大。

在锂离子电池中,磷酸铁锂电池较被看好,这种电池虽然比能量不及钴酸锂电池,但是其安全性高,单体电池的循环次数能达到2000次,放电稳定,可快速充电且不含重金属无毒环保。因此磷酸铁锂电池是目前被十分看好的锂离子电池,尤其是动力电池和移动基站这些对体积比能量要求不如手机电池那么高的领域。

虽然其具备了如此多的优点和优势,但是其推广的速度及应用领域的广度、深度却不尽如人意。阻碍其快速推广的因素除了价格、磷酸铁锂材料自身的生产批次一致性等因素外,其温度性能也是重要原因。

1 影响因素 ·

⑴温度对磷酸铁锂蓄电池的影响

温度对磷酸铁锂电池的影响相对铅酸蓄电池要小很多,特别是在放电的情况下。对同等规格的两种蓄电池进行温度特性测试,磷酸铁锂电池要比密封阀控铅酸电池容量高出20%。由于磷酸铁锂材料自身的电化学特性,该电池的低温充电性能稍差,充电温度要求高于0℃,否则电池的不可逆容量会随着温度的降低而升高。磷酸铁锂电池在55℃左右的环境下仍然可以较好地循环充放电。

⑵间歇浮充电对磷酸铁锂蓄电池的影响

由于磷酸铁锂电池的电解液是有机液体,再加上锂金属非常活泼,所以该电池必须密封。电池在正常充放电条件下几乎不产生气体,即使电池长期处于间歇浮充状态,电池内部也不会产生较高压力。另外,通信基站的备用电源长期处于浮充状态,对于电池的间歇浮充而言,其电压长期处于3.65V左右。这个电压对电池极板和电解液都是比较稳定的状态,因此磷酸铁锂蓄电池非常适合用于通信基站。

2 磷酸铁锂蓄电池的维护 ·

⑴环境要求

根据电池的环境要求,室温不宜超过55℃,建议环境温度应保持在0~55℃;避免阳光对电池直射,朝阳窗户应做遮阳处理;确保电池组之间预留足够的维护空间。

⑵注意事项

不同规格、不同型号的磷酸铁锂蓄电池禁止在同一直流供电系统中使用,新旧程度不同的蓄电池不应在同一直流供电系统中混用。如具备动力及环境集中监控系统,应通过动环境集中监控系统与BMS实时地对电池组的总电压、电流、单体电压、温度进行监测。同时,通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能,定期进行测量,及时发现故障并处理。

3 实验 ·

实验方案:以25℃为低温测试基准点,先进行低温性能的测试,从25℃开始至-20℃,每5℃为一温度考察点,温度变化速率为30min/5℃,每个温度点下搁置24h后方可进行该温度点下的性能测试;-20℃点充放电测试完毕后进行一次25℃下的充电-20℃下的放电测试,以验证其低温性能较差的制约因素是充电过程还是放电过程。具体过程:将温度恢复到25℃,进行25℃下的充放电循环,最后以满电结束,然后温度再次降至-20℃进行一次-20℃放充电测试满电下台,至此低温性能测试完毕;随后进行高温性能测试:为了消除低温阶段测试的影响,温度恢复到25℃,并以此温度下所测得的数据为高温测试基准点,随后进行高温性能的测试,从25℃开始至60℃,每5℃为一温度考察点,每一考察点考察0.5C放电容量。

每一考察点性能测试方案:以满电态开始,以1/3C充电至3.65V恒压至0.01C,搁置10min后以0.5C放电至2.0V,搁置10min,循环3次后满电下台。

4 测试结果及讨论 ·

(1)不同温度下电池的放电容量

放电容量统计结果见下表1。低温性能以第一次25℃下的放电容量作为参考值,其它考察点的考察数据与其进行比较;高温性能以低温测试结束后的25℃下的放电容量作为参考值,其它考察点的考察数据与其进行比较。取3只样品各考察点的考察数据平均值作图,如图1所示。

表1温度对放电容量(0.5C)的影响

从表1和图1可以看出,在低温阶段,随着温度的下降,其放电容量是逐渐减少的。在0℃以上时,基本能保持正常容量的80%以上,但0℃以下,容量下降速度加快,-10℃只有常温下的66.4%,-20℃则不到50%容量,在25~10℃,其容量衰减率每5℃增加1倍,20℃为-1.2%,15℃则为-2.5%,10℃为-4.5%;而在10℃~-15℃这个阶段,其容量衰减率则基本相同,约为6%~7%/5℃,从-15℃降至-20℃其容量衰减率急剧增加,达到-15.6%,因此可以认为-20℃是此类电池的一个低温坎。而在高温阶段,其容量变化不是很明显,容量最大值相对基准也仅增加3%左右。且超过30℃容量基本不变,但值得注意的是,过了50℃后其容量曲线不升反降,60℃下容量与基准点持平。从此点可以看出,应尽量避免电池在50℃以上环境中长期使用。

图1不同温度下电池的放电容量

(2)不同温度下电池的放电中值

电压不同温度下的0.5C与1C的放电中值电压如表2所示,并对3个样品的不同考察点的0.5C与1C放电中值电压平均值作图,如图2所示。

表2温度对放电中值电压(0.5C)的影响 (mV)

从表2和图2可以看出,温度对中值电压的影响与对放电容量的影响有些类似,低温阶段,随着温度下降,其放电中值电压均是逐步降低,且下降速度呈逐步增加的趋势,在0℃以上基本维持在3100mV以上,至-15℃降至2923mV,而-20℃相对-15℃,其中值电压更是下降了近200mV,只有2720mV左右。而在高温阶段,除了60℃略微降低点,其它均是较前一温度点有所增加,且增加幅度很小,极差值只有3245.7-3209.5=36.2mV。

图2不同温度下放电中值电压变化

(3) 不同温度下电池放电能量

由于在实际使用过程中,负载是额定功率输出,电池放电能量决定了负载工作时间,因此有必要关注不同温度下放电能量的变化情况。

放电能量统计结果见表3。取3只样品各考察点的考察数据平均值作图,如图3所示。

表3温度对放电能量(0.5C)的影响

由于放电能量值是每一时刻点放电电压与放电电流相乘对时间积分所得到的,因此放电表3温度对放电能量(0.5C)的影响能量随温度的变化情况与放电容量与放电中值电压的变化比较接近,但其受温度影响更大。10℃能量约保持在90%,0℃只有不到75%,而-15℃接近50%,-20℃约为常温下的1/3。而在高温阶段,能量变化不明显。最大值(50℃)也仅为103.4%,而在60℃时与常温下持平。

图3不同温度下放电能量变化

(4) 低温性能制约因素

将-20℃充电测试的放电性能与在25℃下充电在-20℃下放电的性能进行比较,见表4。

表4-20℃充放与25℃充-20℃放的放电性能比较

从表4中我们可以看出,相比低温充电低温放电,常温充电低温放电容量提升约1000mAh,相对容量增加10%,整体来看,性能提升不大。可见,制约此实验中样品低温性能的主要因素在于放电过程,而非充电过程,所谓即使是充得进却也放不出。因此,通过将此类电池放在常温下充电的方式来提升低温放电性能效果是不理想的。

图448V180Ah电池组温度探头分布

5 多重考虑 ·

从上述实验得知,温度对电池包内部的影响是不能忽视的!为了减少重量及成本, 配件对材料减薄及实际保温隔热有持续的需求,然而这对于材料的可靠性甚至换热性能都会带来新的挑战,未来也将通过保温材料优化解决。

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