为何铁塔基站要采用梯次磷酸铁锂电池？
来源：宝鄂实业
2019-07-10 15:57
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梯次磷酸铁锂电池基本特性
1电池容量的倍率特性
随着放电电流的增加,电池的放电容量将会有所下降,当放电倍率小于0.33C10时,锂离子电池的放电容量受到放电倍率的影响很小,放电容量差别不大,基本可以认定电池的容量都可以100%放出。图2为在20℃时,倍率与恒流放电电压和容量的关系曲线。
2电池容量的温度特性
环境温度在0℃以上时,电池容量的衰减速度较慢,而环境温度在0℃以下时,电池容量的衰减速度较快,随着温度的降低电池的内阻急剧增加(见图3)。
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耐高温:铅酸电池稳定工作的温度范围25～28℃,温度升高会损坏电池,降低电池使用寿命;
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高能量密度:磷酸铁锂电池产品重量比能量可超过130Wh/kg(0.2C,25℃),体积比能量为210Wh/L;铅酸电池产品重量比能量为32～37Wh/kg(0.2C,25℃),体积比能量为70Wh/L;
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大电流充放电性能:磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电,起动电流可达5C以上,铅酸电池现在无此性能。所以磷酸铁锂电池充电时间短;
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绿色环保:磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属),无毒(SGS认证通过);铅酸电池中却存在着大量的铅,在其废弃后若处理不当,仍将对环境够成二次污染。
铅酸电池与梯次磷酸铁锂电池的对比见表1;
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梯级利用动力锂电池使用寿命长、循环次数多,梯级利用后理论上仍能够剩余6年的实际寿命和400～2000次的实际循环次数,较传统铅酸电池的3～6年使用寿命、200次的实际循环次数有大幅的提高;
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耐高温能力强,锂电池满足45℃以下极限工况的使用,目前通信基站常用的铅酸电池温度上限仅为35℃;
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放电特性好,大电流放电时容量利用率高;
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充放电转换效率高,梯级电池的能量转换效率较铅酸电池高10%～15%;
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占地小、重量轻、运输成本低,梯级电池重量和体积为同容量铅酸电池的1/2或2/3。
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将退役动力电池进行集中拆解,电芯集中筛选,重新组装成标准模块,有利于退役电芯的集中筛选与维护保证质量;退役电芯来源不局限于特定的电动车项目保证数量;最终的电池模块能实现标准化保证兼容(见图4)。
2
在退役动力电池基础上直接改造,有利于电池组梯次利用的简单模块化,容量上占优势,生产方式上简单易行,人工成本低廉,但占地要求较高(见图5)。
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梯次电池工艺流程:筛选电池电芯、测试电压、电芯配组、内部连接线、BMS、机箱或机架(见图6)。
梯次磷酸铁锂电池的基本结构
磷酸铁锂电池由正、负极板(正极活性物质为磷酸铁锂,负极活性物质为石墨)、隔膜、电解质、极耳和铝塑膜外壳组成。正负极板是电化学反应的区域,隔膜、电解质提供Li+的传输通道,通过化成等工艺处理后电池极板表面会形成一层致密的SEI膜(也叫固体电解质界面膜),极耳起到引导电流的作用。正极活性物质是磷酸铁锂,为橄榄石结构,其空间和内部结构如图7所示。
磷酸铁锂与导电剂、粘结剂以一定的比例混合,涂覆在铝箔上构成正极,负极活性物质通常是石墨类材料,通过粘结剂附着在铜箔上。正负极之间用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜)隔开,防止电池短路。隔膜是一种多孔结构的薄膜,充放电过程中Li+可以通过其孔隙,而电子e-不能通过。电池的电解液是六氟磷酸锂有机溶剂。
梯次磷酸铁锂电池的工作原理
电池充电时,Li+从磷酸铁锂材料中迁移到晶体表面,从正极板材料中脱出,在电场力的作用下,进入电解液,穿过隔膜,再经电解液迁移到负极石墨晶体的表面,然后嵌入负极层状石墨材料中。与此同时,电子流通过正极的铝箔,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔电极,再经导电体流到石墨负极,使电荷达至平衡。
电池放电时,Li+从层状石墨晶体中脱嵌,进入电解液,穿过隔膜,再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面,然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时,电子经导电体流向负极的铜箔电极,经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极,再经导电体流到磷酸铁锂正极,使电荷达至平衡。
梯次磷酸铁锂电池的管理系统
电池管理系统主要用于对蓄电池充电过程和放电过程进行管理,提高蓄电池使用寿命,并为用户提供相关信息的电路系统总称。
电池管理系统BMS,由监测、保护电路、电气、通讯接口、热管理装置等组成,是电池保护和管理的核心组成部分,不仅要保证电池安全可靠的使用,而且要充分发挥电池的性能和延长使用寿命,作为通信用的后备能源,管理系统在开关电源和电池之间起到一个重要桥梁作用。对电池管理系统的要求必须符合通信电源供电系统的要求,所以电池管理系统的安全管理模式对电池的安全性至关重要。电池管理系统主要包括数据采集单元、计算以及控制单元、均衡单元、控制执行单元和通讯单元等。
恒流-恒压充电阶段:充电限制电压控制(电池单体3.7V,电池组59.2V);
间歇式补充电阶段:开路静置,容量减少X%SOC(其中X取值在75～95之间)时,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。
即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。
磷酸铁锂电池组在铁塔基站的实际应用
针对锂电池组的特性,在基站直流开关电源应用设置时,只须把浮充电压和均充电压调整到锂电池组所需要的充电电压即可,(同时必须在通信设备直流供电电压范围内)因为锂电池组即便是长期处于充电状态下,由于自身的BMS保护功能,电池性能是不会发生改变的。
例如:某基站后备电池组,采用48V-300Ah梯次磷酸铁锂电池组,每组电池由16个3.2V/100Ah的单体电池串联组成,其中300Ah的电池是由3组100Ah的电池组并联组成的,每个电池组有一个BMS控制系统,如图10所示。
在安装电池组对电池组进行了补充充电后,将电池组分别进行了0.33C10在线测试放电情况。测试场景如图11所示。一组300Ah电池组容量测试曲线如图12所示。
用智能电池组放电仪测试后,在线并入直流供电系统中。此时开关电源充电压设置为56.8V,充电电流限制为每组30A。
梯次磷酸铁锂电池配置要求
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梯级电池模组按照标称容量可分为15、25、30、50、100、130、150、200Ah等容量系列。标称容量应为退役锂电池成组后容量;
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梯级电池规格系列按照安装方式可分为嵌入式、落地架式和落地箱式三种,容量在50Ah及以下的梯级电池,以嵌入式为主;
3
容量要求:梯级电池在不同工作温度条件下应满足表3所示的容量要求;
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梯级电池电芯要求:梯级电池所使用的单体电芯容量需达到电芯初始标称容量的70%;
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输出电压范围:梯级电池应采用16串方式,电池组额定电压为51.2V,工作电压范围41.6V～60.0V;
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环境要求:梯级电池组应在无腐蚀性、爆炸性和破坏绝缘的气体及导电尘埃环境下正常工作。工作温度范围:-5～45℃;注:-5℃以下应采取加热、保温措施。相对湿度范围:≤95%(45℃±2℃),大气压力范围:70kPa～106kPa;
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使用寿命:在环境温度为25℃±2℃条件下,电池组80%DOD0.33C3循环寿命应不少于表4所列工况下的次数要求。
在环境温度25℃±2℃的条件下,磷酸铁锂电池组在备电工况下的寿命应不小于6年。
梯次磷酸铁锂电池的功能要求
休眠功能
梯级电池应具有休眠功能,在运输、贮存或离线状态下,电池组BMS应处于彻底断开状态;当电池组由在线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界连通的状态)转入离线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界断开的状态)时,BMS应具有甄别功能,根据电力及电池组状况自动进入休眠。当电池组由离线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界断开的状态)转入在线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界连通的状态)时,BMS应能判别并自动激活,且根据电力及电池组状况调整工作状态。
电加热功能
当梯级电池用于-5℃及以下的场景时,应配置直流电加热装置(需根据实际情况进行控制调整温度),电池组应有专门的散热设计,以保证加热均匀使得设备正常工作。
充电限流管理功能
梯级电池应具有自主限流充电功能,保证工作范围内的电压输入时,电池组能够正常充电。充电限流值应设定在0.1C3(A)～0.2C3(A)之间,默认值为0.2C3(A)。
充电总电压过高保护
梯级电池应具有充电总电压过高保护功能,当充电到总电压告警点时告警,到保护点时保护,作用于切断,当总电压下降到恢复点时恢复充电。
放电总电压过低保护
梯级电池应具有放电总电压过低保护功能。当放电到总电压低告警点时应切断放电电路并告警,一段时间后电池组应进入休眠模式。
放电单体电压过低保护
梯级电池应具有放电时单体电池电压过低保护功能,放电到单体电压告警点时告警,到保护点时保护,作用于切断,一段时间后电池应进入休眠模式。
放电过流管理
梯级电池应具有根据用户的需要设置的输出过流保护功能,保护期间应切断电路并告警。
电池高温保护功能
梯级电池自身应具有电池高温保护功能,当电池温度达到告警点时告警;到保护点时保护,作用于切断;温度回落到一定值后自动恢复。
电池低温保护功能
梯级电池自身应具有电池低温保护功能,当电池温度达到告警点时告警;到保护点时保护,作用于切断;温度回升到一定值后自动恢复。
电池组荷电状态(SOC)计算
梯级电池应具备动态荷电量计算功能,计算值与电池实际电量的误差应不大于5%。
输出短路保护
梯级电池输出端正负极发生直接短路时,应在瞬间自动切断电路并告警,BMS和电芯应不损坏(包括不打火、变形、漏液、冒烟、起火或爆炸);故障排除后,应能手动或自动恢复工作。
