浅谈温度对5G基站锂电池性能的影响

  本站   2021-03-21 次浏览

由于我国电力行业发展不均衡，部分地区用电紧张。这导致有些基站阀控密封铅酸蓄电池充放电次数增加，直接影响电池的性能和使用寿命，增加维护成本。磷酸铁锂电池应运而生，它使用磷酸铁锂作为正极材料，又可称为铁锂电池或铁电池。磷酸铁锂电池对温度的适应性较强、安全性好、寿命较长，且能量密度较高，环保无毒无污染，相较于传统的铅酸蓄电池来说具有绝对的优势。

起初锂离子电池主要用于便携式电子设备、电动工具中，随着技术的发展，通信、国家电网以及电动汽车等多行业的电力供应，锂离子电池所占比例越来越大。通信电源行业要实现节能减排的目标，就需要更大容量的锂离子电池，因此，逐步出现了通信用磷酸铁锂电池。本文简要分析磷酸铁锂电池在移动基站中的应用。

磷酸铁锂蓄电池的结构

磷酸铁锂蓄电池是由正负极板、隔膜、电解液、极耳和铝塑膜组成。其中正负极板是电化学反应的区域。锂离子电池的正极材料有很多种：锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三元材料等，是通过粘结剂附着在铝箔上，从而为电池充放电提供锂离子。负极主要为石墨材料，是通过粘结剂附着在铜箔上，从而为电池的充电提供空隙，接收嵌入的锂离子。为离子提供传输通道的是隔膜和电解液，电解液的电解质是六氟磷酸锂，而极耳则是在电池导电时所使用。

磷酸铁锂电池的工作原理

当电池开始充电时，磷酸铁锂材料中的锂离子便会从正极板材料中脱出，到达晶体表面，在借助电场力的推动下，锂离子再经电解液，逐步穿过隔膜，迁移到石墨晶体的表面，最终嵌入到负极的石墨材料中。与此同时，电池中的电子将先通过正极铝箔，再依次通过极耳－电池极柱－负载－负极极柱－负极耳－负极的铜箔电极，最终到达石墨负极从而使负极的电荷达到平衡。电池放电时原理则相反。

由此可见，从材料的原理上来讲，磷酸铁锂电池其 实就是锂离子在充电过程中的一种嵌入、脱嵌的过程。

磷酸铁锂电池的优点

与铅酸蓄电池相比，磷酸铁锂电池具有以下优点。

(1)寿命较长

图1为48V10Ah磷酸铁锂电池组循环次数－放电深度关系曲线，可以看到，在常温下充电和放电，磷酸铁锂电池在经历两千次循环之后，其容量减少量可控制在20％内，循环寿命可达到三千次以上。而铅酸电池在常温25℃下循环400次，容量只剩余60％。

图１ 48V10Ah磷酸铁锂电池组循环次数－ 放电深度曲线

(2)高、低温性能较好

磷酸铁锂电池在外部温度55℃时，电池仍能够正常工作。但超出55℃后性能有所下降，耐高温这一特点将会大大延长户外基站电池的寿命，节约了电池更换和维护的成本，使系统更加可靠。图２为两种电池温度特性对比。

图２ 两种电池温度特性对比

高温是影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素之一。铅酸蓄电池在高温状态下，随着温度的上升，电池循环寿命迅速下降。特别是室外型移动网基站，一体化机柜几乎是密封的，夏天南方的气温比较高，机柜在 太阳直射再加上设备散热机柜内温度比较高，可达60℃甚至更高；而高原或东北山区最低温度可达-40℃。传统的铅酸电池存在外观鼓起、爬酸、漏液的现象；所以，每年夏天基站更换电池的频率就高。磷酸铁锂电池高温性能明显优于铅酸蓄电池， 在45℃的温度状态下电池循环寿命仍然在80％以上。

图３ 磷酸铁锂电池在不同温度下以1CA放电时电池容量保持率

如图３所示，磷酸铁锂电池低温放电容量保持率明显优于铅酸电池，磷酸铁锂电池特别适合北方一些区域在低温环境下的使用。

(3)安全性较强

磷酸铁锂电池正极材料电化学性能比较稳定，这决定了它具有着平稳的充放电平台，因此，在充放电过程中电池的结构不会发生变化，不会燃烧爆炸，并且即使是在短路、过充、挤压、针刺等特殊条件下，仍然是非常安全的。

(4)高功率输出

标准放电为0.2Ｃ，并支持大电流快速充放电。

(5)能量密度较高

磷酸铁锂电池能量密度大约是传统铅酸蓄电池的3.5～4倍，它的体积较小（占用空间小），重量较轻，重量比能量可达到120Wh/kg 左右，如图４。磷酸铁锂电池可落地、壁挂、嵌入式安装，安装方式多样，应用场景多，维护方便。

图４ 两种电池能量密度对比

(6)充电时间

两种电池的充电时间对比见图５。

图５ 充电时间对比

铅酸蓄电池由于其特性限制，充电时间较长（一般为0.1C充电）。磷酸铁锂电池允许电池1C充电，快速充电性能明显优于铅酸蓄电池。

(7)绿色环保

磷酸铁锂电池不含任何重金属和稀有金属，安全， 无毒无污染，为绝对的绿色环保电池。由于磷酸铁锂 材料整个生产过程中，清洁无毒，所有的原材料均无毒 无污染。

(8)无记忆效应

磷酸铁锂电池无记忆效应。

影响电池性能的两个因素

4.1 环境温度的影响

对于阀控密封铅酸蓄电池来说，当环境温度持续升高时，电池的极板腐蚀程度将随温度升高而加剧，在 这一过程中，会消耗掉大量的水，电池的寿命也会相应缩短。25℃是铅酸蓄电池适宜的工作温度，在此温度下，电池寿命较长。而电池长期运行会导致温度升高， 每升高10℃，电池的寿命将会降低大约50％。每降低1℃，电池放电量将会减少约1％，所以说，温度对于铅酸蓄电池的寿命来说影响很大。

而对于磷酸铁锂电池来说，温度的影响相对于铅酸蓄电池要小了很多，特别是在放电过程中。磷酸铁 锂材料的特性决定了该电池在充电时温度需达到0℃ 以上，磷酸铁锂电池在55℃的环境温度下仍然可以较好的循环充放电，因此它的高温放电能力是非常好的。

经研究测试表明，相同的温度条件下，同种规格的磷酸铁锂电池比铅酸蓄电池的容量要高出20％左右。

4.2 间歇浮充电

对于铅酸蓄电池来说，直流系统开关电源所提供的浮充电流有三大作用：①提供日常负载所用电流，②补充电池自放电所造成的损失，③ 维持电池内氧的循环。如果蓄电池在长期浮充电的状态下，只充电而不放电，将会造成蓄电池内阻变大，电池容量减小，最终会影响蓄电池的使用寿命。此外，如果电池的浮充电压不合适，要么会造成电池过充，要么则会使电池长期充电不足。

对于磷酸铁锂电池来说，材料里的锂金属是一种非常活跃的元素，电池的电解液则是有机液体，所以， 电池的保存需要一个密闭的环境，在正常的充电放电 过程中，电池结构稳定，几乎不会产生气体。由此可 见，长期处于浮充电状态下的电池内部不会形成较高的压力，电池是比较安全可靠的。而且磷酸铁锂电池 的自放电量很少，正常情况下，即使搁置一个月左右， 电池的容量减小率也会控制在2％ 左右。所以，电池在长期浮充电状态下，浮充电流用于补充自放电损失 的电流量是很小的，几乎全部用于日常负载中。

另外， 浮充电压对磷酸铁锂电池造成的影响不大，电池耐浮充，因此比较适合作为基站电源而使用。

影响因素

⑴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6。

表6 -20℃充放与25℃充-20℃放的放电性能比较

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。

表6 不同温度下的对比

从表6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。

⑵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。

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。

移动基站对后备电源选择的要求

基于通信行业要求可靠性高，通信电源解决方案合理完善，随着微电子领域关键技术的突破，电信运营 商所需要的通信设备趋向于集成化、小型化、轻型化， 即在有限的空间内安装更多的设备。因此，需合理配置蓄电池。其中，蓄电池应用的场景大致包括以下几种：户外基站；空间紧张的室内宏基站；村村通等无空调的基站；直流供电的室内覆盖分布式信源站；直流供电方案的WLAN站点；无市电或三四类市电地区的太阳能光伏基站等。因此对于通信行业来说，应主要从节能、节材、节地的角度来选型，体现节能减排。

由此可见，磷酸铁锂电池相比较传统的铅酸蓄电池来说，更能够体现节能减排的工作要求。

总之，磷酸铁锂电池的性能远高于传统铅酸蓄电池，在移动基站中的应用前景广阔。

多重保护

由于我国的社会及工业产业不段发展，偏远山区和高原等极端天气地区也有网络的覆盖需要。从上述实验得知，温度对电池包内部的影响是不能忽视的！仅靠磷酸铁锂电池本身的化学性能来耐高低温是不够的。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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