一、磷酸铁锂电池的基本结构和工作原理
　　
　　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、极耳和钢壳组成。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,极耳起到引导电流的作用。其空间结构如图1、图2所示。
　　
　　磷酸铁锂与导电剂、粘结剂以一定比例混合,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。电解质是六氟磷酸锂有机溶剂。
　　
　　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,然后再经导电体流到磷酸铁锂正极,使电荷达至平衡。
　　
　　所以磷酸铁锂电池基本原理,就是在充、放电的过程中,对应的锂离子在正、负极之间来回的嵌脱,完成对电池的充电和负载的供电。锂离子电池充放电示意图如图3所示。
　　
　　二、磷酸铁锂电池的特点
　　
　　磷酸铁锂电池是锂离子电池中最安全的一种电池,其优点主要表现在以下几方面:
　　
　　1）超长寿命,磷酸铁锂单体电池的循环寿命长达2000次以上。
　　
　　2）使用安全,磷酸铁锂电池在短路、过充、挤压、针刺等条件下BMS保护仍然是安全的。
　　
　　3）可大电流快速充、放电。
　　
　　4）耐高温性能优越,磷酸铁锂电池在55℃情况下仍然能够正常工作。
　　
　　5）无记忆效应。
　　
　　6）绿色环保。
　　
　　三、磷酸铁锂电池的充、放电特性
　　
　　磷酸铁锂电池充电时,可分为恒流充电和恒压充电两个过程,首先是恒流充电,电流一般采用0.1C10(A)电流,也可以采用1.5C10(A)充电,当单体电池电压达到3.5V左右时转入恒压充电,直至充电电流减小至初始充电电流的10%或者为零。所以,磷酸铁锂电池和开关电源配合使用,其充电过程将变得较为简单,只需要根据电池组充电电压要求设置开关电源浮充电压和均充电压一样即可。
　　
　　磷酸铁锂电池放电时,电池放电电压非常平稳,一般在3.2V左右,放电后期(主要指剩余的10%容量)的电压变化较快,放电的截止电压一般可以到2.5-2.7V。
　　
　　四、单体大容量圆柱型磷酸铁锂电池特点
　　
　　大容量卷绕式圆柱型磷酸铁锂电池具备常规磷酸铁电池的特点的同时,还具备自己独特的优势:
　　
　　1）全极耳卷绕式金属外壳独特性
　　
　　电池采用圆柱形不锈钢壳激光封口,结构具备不漏液不气胀,抗震耐碰,环境适应性强可应用在高热高湿环境的优势。
　　
　　内部极耳采用横向引流技术,可现实正、负极片多极耳引出,解决了圆柱型电池不能多极耳引流的难题,降低了电池充、放电过程中极化内阻,使电池具备高功率充、放电性能。
　　
　　正、负极耳在电池两端引出,有利于电池充、放时热量的发散,避免热量只在一端的聚集的情况。此散热结构的设计有利于PACK中电池温度控制。
　　
　　电芯采用全自动卷绕方式,极片在卷绕过程中,通过精确的张力控制系统,使极片之间的间隙极小。每圈电池均有极耳引出有效降低电池的内阻,改善电池的大电流放电性能,并提高电池均衡性能。
　　
　　2）四道安全措施保护措施
　　
　　选用进口阀片,采用激光焊接技术,产品精度高,当电池内压大于8Kg时,电池内压力将防爆阀内孔冲开,内压降低,防止电池内压过高而导致电芯爆炸。
　　
　　电芯内部设有过流保护片,当通过电流大于安全电流,过流保护片就会启动断开电池回路,起到安全保障。
　　
　　采用进口三层陶瓷隔膜,当电池内部温度高到135摄氏度时,隔膜微孔关闭,电化学反应终止,电流骤降,温度降低,进而避免爆炸发生。
　　
　　极片采用单条连续涂布工艺,涂布完成后极片不在进行二次分切,因此极片不会因分切出现边缘掉料以及毛刺现象,从而减少了电芯内短路的几率,增大了电池安全性能。
　　
　　3）单体大容量设计原理
　　
　　大容量卷绕式圆柱磷酸铁锂电池实现了从低容量电池到高容量电池的飞跃,解决了高容量电池生产过程及产业化的的关键技术及其应用,用单体大容量动力锂电池作为动力模块替代数以百计的小容量电池并联降低了电池组装的安全性隐患。便于使用后期的维护,可以快速更换不良电芯。
　　
　　4）自放电性能降低
　　
　　正、负极片采用单条连续涂布,连续卷绕工艺,锂离子蓄电池常温存放一个月,容量仍能保持标准容量的98%以上。
　　
　　5）突出的经济先进性
　　
　　制造成本先进性:卷绕式电池能实现连续化生产,减少生产工序,大幅度提高生产效率,降低电池的制造成本;同时在制造成本相同的情况下生产出高容量的电池,减少单位制造成本。大容量卷绕式圆柱磷酸铁锂电池能适应温度范围,-10℃～55℃。采用合理的电解液配方,使电解液有比较宽的电化学窗口,使电解液在高温条件下不易分解,提高电解液在高温情况下的耐受度;并且提高锂离子的浓度,提高了锂离子在电极表面的扩散速度。同时增加高介电常数溶剂,减少锂离子的溶剂化,减小电解液在低温情况下运动阻力,在电解液中,还增加添加剂,改善极片钝化层的锂离子导电特性,减小电极极化作用。提高电池的低温放电性能及倍率性能。
　　
　　物料成本先进性,电池由正极材料(包括金属箔材)、负极材料(包括金属箔材)、隔膜、电解液、外壳及组装配件五大部分组成。在不改变外壳及组装配件的前提下,采用常规物料、进行合理的电池设计,提高电池容量,能实现大幅度降低每AH的物料成本。
　　
　　电池组合成本,相同电池装机能力的需求下,单体高容量电池的组装使用数量少,装配工艺简单,生产效率高,易实现自动化生产,应用成本大大降低。
　　
　　6）生产过程工艺控制保障
　　
　　混料环节全自动封闭上料工艺有效控制原料纯度,隔离杂质干扰;全程电脑自控上料,使投放更精准稳定;混料设备按制药级别配置,分散粉料标准高。
　　
　　涂布采用β射线自动测厚技术,输出极片涂层厚度更稳定可靠;烘干过程分段温度控制,使极片成品率更高。
　　
　　辊压环节辊压动作应用热压工艺,使涂层均匀度,附着力远高于冷压工艺。
　　
　　卷绕环节使用全自动化连续卷绕机,使产品电芯质量更稳定。
　　
　　端盖焊接:激光焊接设备高精度作业过程中,可进行显微镜可视检测,实现生产、质检同步。
　　
　　注液环节,注液环境水分控制在露点-45°以下,电脑全自动控制检测漏点、注液量及注液时间,注液误差小于0.05%。
　　
　　化成分容环节,为保证测量数据精准性,化成分容车间能实现恒温状态,高精度分选化成容量设备,用动态电压曲线拟合的方法,通过智能软件控制系统自动分选。确保电池经过筛选后电池的准确性,提高电池组装配组的一致性。
　　
　　五、磷酸铁锂电池组安装
　　
　　磷酸铁锂电池在出厂时,正、负极板都进行了充、放电活化。如果磷酸铁锂电池的安装日期距出厂日期时间较远,磷酸铁锂电池组经过长期的自放电,容量必然会有损失,另外磷酸铁锂电池在出厂时一般都是60%左右的荷电能力。所以,安装初始时应该对电池组进行补充电,并且由于单体电池模块自放电大小的差异,可能会使各电池单体模块的端电压出现不均衡,新磷酸铁锂电池组安装前必须测量单体电池模块开路电压,开路电压差一般要求小于50mv,并做好电池组单体电池模块测试纪录,用智能全在线负载放电仪对电池组按0.1C10(A)或0.33C10(A)小时率进行的容量试验,放电过程中必须严格检测电池单体模块电压,试验时每小时对电池的总电压、放电电流、电池单体模块电压进行测量和纪录,计算出实际电池组放出的容量与电池组额定容量是否基本一致,若基本一致证明电池放电试验合格。若放电到终止电压时,电池组放出的容量与额定容量的差别太大(大于20%),说明电池组的出厂容量筛选可能存在问题,应及时联系相关厂家更换处理。
　　
　　六、影响磷酸铁锂蓄电池的两个主要因素
　　
　　1、温度对磷酸铁锂电池组的影响
　　
　　温度对磷酸铁锂电池的影响相对较小,特别是在放电的情况下。对同等规格的两种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%左右;另外,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℃以上,否则电池的不可逆容量会随着温度的降低而升高。当然,该电池的高温放电性能是非常好的,55℃左右的环境温度下仍然可以较好的循环充放电。
　　
　　2、间歇充电对磷酸铁锂电池的影响
　　
　　由于磷酸铁锂电池的电解液是有机液体,再加上锂离子是一种非常活泼的元素,所以该电池必须密封。尽管如此,电池在正常的充、放电条件下是几乎不产生气体的。所以,即使电池长期处于间歇充电状态下,电池内部也不会产生较高压力,电池组运行安全可靠。同时通信机房电源设备是长期处于稳压限流工作状态的,对于电池的间歇充电而言,其电压是长期处于3.55V左右的,这个电压对电池和电解液都是比较稳定的状态,所以,磷酸铁锂蓄电池用于通信机房是非常适合的。
　　
　　七、电池组管理系统
　　
　　电池组管理系统(即BMS),详见图4,是电池组保护和管理的核心组成部分,不仅要保证电池组安全可靠的使用,而且要充分发挥电池组的性能和延长使用寿命,作为通信用的后备电源,管理系统在开关电源和电池之间起到一个桥梁作用。对电池组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组的安全性至关重要。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。
　　
　　1.电池管理系统的基本作用:
　　
　　(1)监测单体电池的工作状况,例如检测每个单体电池的电压、充、放电电流、电池组的环境温度等。
　　
　　(2)保护电池,避免在极端的条件下发生电池寿命缩短和电池损坏。
　　
　　2.电池管理系统的主要功能:
　　
　　(1)过压保护:当单体电池充电电压超过允许值时,立即停止充电,断开充电单元设备与电池组的连接。
　　
　　(2)过放(欠压)报警:当单体电池放电电压低于警告值时,发出报警提示。
　　
　　(3)过放保护:当单体电池放电电压低于保护值时,立即停止放电,断开用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示。
　　
　　(4)过流报警:当电池组输入或者输出的电流超过警告值时,发出报警提示。
　　
　　(5)短路保护:当电池组发生短路时,立即停止放电,断开用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示。
　　
　　(6)过温报警:当电池组内部温度或环境温度超过警告值时,发出报警提示。
　　
　　(7)过温保护:当检测到环境温度或电池组内部温度超过保护值时,立即断开充电和用电设备与电池组的连接,并伴有报警提示和上传。
　　
　　当环境温度或电池组内部温度恢复到允许值后,可通过手动恢复或自动恢复对电池管理的功能,但不影响电池放电功能。
　　
　　(8)估测电池组SOC:SOC(电池组的荷电状态),即电池组剩余电量。保持SOC维持在合理的范围内,防止由于过充或者过放对电池的损伤,随时预报电池组的剩余容量。
　　
　　(9)对电池组中的单体电池进行均衡:由于磷酸铁锂电池制造工艺复杂及锂离子的相对活跃性,所以电池组中的单体电池电压就存在不一致的现象。对电池组中的单体电池进行均衡充电,使电池组中单体电池都达到均衡一致的状态,可以有效地延长电池组的使用寿命,大大的提高电池组的工作效率(此功能可以根据用户要求增减)。
　　
　　(10)并口通讯:提供与电源监控系统进行通讯的接口,传输和显示电池组状态、报警、SOC等信息,实现远程监控和管理干预。
　　
　　八、磷酸铁锂电池组与开关电源配套使用
　　
　　针对锂电池组的特性,在机房直流开关电源设置时,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,电池性能不会发生改变的。
　　
　　例如:某机房后备电池组,使用48V-400AH磷酸铁锂电池两组,每组电池由16个3.2V/400AH的单体电池串联组成,其中400AH的电池是由4个单体容量为100AH的电芯并联组成的,16节400AH的电池串联组成一个48V/400AH的电池组,每个电池组有一个BMS控制系统,详见图5所示。
　　
　　在安装电池组时将两组电池分别进行在线测试,充、放电正常后分别并接入直流屏的两个电池保险上。测试情况详见表1、表2、表3、图6、图7、图8、图9。
　　

智能在线容量测试仪对该电池组测试后,调整关电源直流供电电压与该电池组整组电源对应,将该组电池并入直流供电系统中。此时开关电源充电压设置为56-56.8V之间,充电电流限制为每组40A。同时为了防止电源监控模块损坏,整流模块自主工作时充电电压过低,将所有运行的开关电源模块进行调整配置,调整后对两组电池组进行补充电,随着每组电池电压升高,充电电流会相应减小,当每电池组电压和开关电源的充电电压非常接近时,充电电流逐渐减小,随后电池组的BMS系统进行了保护,充电系统通过BMS与电池断开,电池组充电完成。
　　
　　九、磷酸铁锂蓄电池的维护
　　
　　1）磷酸铁锂蓄电池的运行环境要求
　　
　　磷酸铁锂蓄电池运行环境的要求:根据电池的环境要求,室温温度不宜超过55℃,建议环境温度应保持在-10℃～45℃之间左右。确保电池组之间预留足够的维护和散热空间。保持各部位通风散热通道的清洁,避免阳光对电池直射,远离热源,并安装在没有导电尘埃与腐蚀性气体的场所,勿在高温下存储电池。
　　
　　2）磷酸铁锂电池使用注意事项
　　
　　通过动环集中监控系统与BMS实时的对电池组的总电压、电流、单体电压、SOC、SOH、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,发现故障及时处理。
　　
　　3）磷酸铁锂组经常检查的项目
　　
　　应经常检查磷酸铁锂电池组的极柱连接线(条)是否松动;是否有损伤、变形或腐蚀等现象;连接处有无松动,单体电池壳体有无损伤、腐蚀和变形,电池及连接处温升是否异常;BMS数据线接触情况,并对400AH两组电池组的输出保险温度检查和信号保险进行告警实验。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,通过BMS系统检查电池组及单体电压是否满足要求,检测电池组间歇充电时的充电电流是否在要求的范围内。检测开关电源供电系统对电池组的充电电压和限流值的设置是否正确。检测电池组的低压告警、高温告警等设置是否正确。
　　
　　4）磷酸铁锂电池组正常运行的电压要求
　　
　　磷酸铁锂电池组为间歇式充电工作模式,单体电池充电电压为3.50V-3.55V之间,所以开关电源设定稳定工作电压为56.8V。但必须满足通信直流供电系统电压的维护标准要求。
　　
　　作者简介
　　
　　邢殿辉,电气工程专业研究生学历,工程师,中国联通集团云网运营中心电源主管。
　　
　　武亚波,中国联合网络通信有限公司廊坊市分公司电源主管,本刊编委。
　　
　　编辑：Harris