云南培训-通信用磷酸铁锂电池技术测试与研究

通信用磷酸铁锂电池技术测试与研究中国电信股份有限公司广州研究院中国电信集团电源维护技术支撑中心赖世能2011.5.182011年云南电信培训班目录2产品测试情况及其分析3目前业界值得探讨的几个问题1磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍磷酸铁锂电池定义磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP，也叫锂铁磷）电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。•特点1：物理结构为橄榄石结构。•特点2：不含贵重元素,原材料价格低廉且存储量大。•特点3：无污染、环保好。一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍磷酸铁锂电池与其它材料锂离子电池比较LiCoO2Li(NiCoMn)1O2LiMn2O4LiFePO4晶体结构层状层状尖晶石橄榄石理论比容量/mAh·g-1274278148170实际比容量/mAh·g-1140~155130~22090~120130~150工作电压范围/V3.0~4.33.0~4.353.5~4.32.5~3.8平台电压/V3.6~3.73.6~3.73.7~3.83.2~3.3材料加工性能好较高中等差循环寿命/次5005003001000安全性能差较好好优价格高较高低中等高温性能一般一般差好毒性/环保有毒的钴有毒的钴无毒无毒一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍磷酸铁锂工作原理磷酸铁锂电池宏观结构图磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移。一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍磷酸铁锂电池在放电时，负极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向正极迁移。磷酸铁锂电池微观结构图磷酸铁锂工作原理一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍磷酸铁锂电池组的组成一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍电池组的基本结构如图所示，电池组包括两部分：电池模块电池管理系统(BMS)-48V+电池组2电池组1均衡模块电池管理监控器电源系统监控模块电池管理系统(BMS)：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的总称，一般由监测、保护电路、电气、通讯接口、热管理装置等组成，用BMS表示。数据采集模块均衡模块数据采集模块保护电路一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍BMS原理框图电池管理系统（BMS）介绍某厂家被测锂电池BMS电路板智能充电管理电池平衡管理智能间歇式充放电管理热系统管理和通信管理基本功能一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍•高能量密度•长寿命•出色的高温性能•高倍率放电•快速充电•安全•体积减少25%~30%•重量减少30%~50%磷酸铁锂电池的优势铁锂电池一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍040080012001600200002040608010012014020度45度60度循环效率/%循环次数•1C常温循环寿命2000次，剩余容量90%•1C高温(60℃)循环1500次，剩余容量80%•高能量密度•长寿命•出色的高温性能•高倍率放电•快速充电•安全磷酸铁锂电池的优势一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍•高温情况下可放出100%容量•高能量密度•长寿命•出色的高温性能•高倍率放电•快速充电•安全磷酸铁锂电池的优势一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍•高能量密度•长寿命•出色的高温性能•高倍率放电•快速充电•安全•可适用于短时大电流备电的应用场景磷酸铁锂电池的优势一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍•高能量密度•长寿命•出色的高温性能•高倍率充电•快速充电•安全•能量转化效率高，可以在1-3h内完成充电•可部分代替油机用于维护磷酸铁锂电池的优势一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍•高能量密度•长寿命•出色的高温性能•高倍率充电•快速充电•安全•安全来自于正极材料的稳定性及可靠的安全性设计150℃热箱1C过充直接火烧磷酸铁锂电池的优势铁锂电池钴酸锂电池一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍充电电流1A，负载电流1.2A，后备时间大于8h。磷酸铁锂电池在通信行业使用情况在“光进铜退”FTTX场景中的应用:采用1U标准单元的48V/10AH通信用铁锂电池，可满足设备需求某品牌48V/10AH铁锂电池在FTTB系统场景中的应用一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍磷酸铁锂电池在通信行业使用情况在3G基站BBU、RRU等设备中作为后备电池的使用:采用1U标准单元的48V/10AH或4U标准单元48V/50AH通信用铁锂电池，可满足设备需求某品牌48V/10AH铁锂电池在3G室外RRU站中的应用一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍磷酸铁锂电池在通信行业使用情况磷酸铁锂电池与铅酸电池成本比较：一、磷酸铁锂电池技术及使用情况介绍二、产品测试情况及其分析测试对象：1U：48V/10Ah设备机架二、产品测试情况及其分析3U：48V/40Ah机架嵌入式锂电池，标称电压48V，容量10AH或40AH。被测产品主要指标：厂家标称电压(V)容量(AH)单体节数是否带BMSA481015是B481015是C481015是二、产品测试情况及其分析测试方法：将被测电池与机架式开关电源相连，并连接假负载，采用示波器（横河）记录充放电、切换等测试过程及数据。开关电源：额定输出48V/20A，限流1%—121%假负载：两个可调电阻器串联（0～41Ω可调）二、产品测试情况及其分析主要测试内容：二、产品测试情况及其分析1.带载能力测试在锂电池放电状态下，按假负载100W（电池放电电流约为2A）进行带载测试15分钟，锂电池输出电压和电流应符合欧姆定律并在整个过程中无中断现象。2.电源切换测试1）开关电源/电池切换测试负载输入由开关电源切换到锂电池放电或锂电池放电切换到开关电源时，负载供电无中断，切换时间应小于20ms。2）开关电源浮充/均充切换测试开关电源在对电池充电过程中进行浮充/均充切换，电池充电应正常。3.完全放电测试在锂离子电池完全充满状态下，按5h率放电电流(0.2C5,大小为2A)进行放电测试。直到锂电池放电截止，输出电流为零，记录放电波形并加以分析。4.完全充电测试在锂离子电池完全放电后状态下，开关电源不作限流，由电池自身限流充电进行充电测试。直到锂电池完全充满，充电电流为零，记录放电波形并分析。5.保护功能测试测试结果2.电源切换测试开关电源/电池切换测试被测厂家产品均符合要求。下面取某厂家产品为例说明。市电中断，切换到电池放电带载。负载电压从53.3V下降为50.0V，电流也随之下降（电阻一定），但没有任何中断。市电恢复，切换到开关电源带载。负载电压从49.8V上升为53.3V，电流也随之上升（电阻一定），但没有任何中断。图例：CH1（黄线）为电压曲线，纵轴每一格为10V。CH2（绿线）为电流曲线，纵轴每一格为1A。1.带载能力测试被测厂家产品均符合要求二、产品测试情况及其分析锂电池放电-充电过程变化曲线（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线测试结果2.电源切换测试开关电源浮充/均充切换测试被测厂家产品均符合要求。下面取某厂家产品为例说明。开关电源处于浮充状态（53.5V），电池充电电流为1.82A。。开关电源切换到均充状态（56.5V），电池充电电流从1.82A减小到1.70A。开关电源恢复到浮充状态。图例：（黄线）为电压曲线，纵轴每一格为10V。（绿线）为电流曲线，纵轴每一格为1A。二、产品测试情况及其分析锂电池放电-充电过程变化曲线（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线完全放电曲线厂家A的放电曲线1）放电初始电压为50.867V，终止电压为43.933V2）放电容量：根据电流曲线，可计算得电池放电容量为9.355AH。放电过程前20min，电池电压变化较小（50.87V-49.73V）。但由于负载为电阻丝，其电阻随自身温度上升而增大直至达到稳定值，所以电流变化较大(2.03A-1.81A)。放电过程中段电池电压变化较小(49.93V-47.53V)，最后30min，电池电压变化较快(47.53V-43.93V)。负载电流变化也较快（1.72A-1.60A）。二、产品测试情况及其分析放电曲线特点解读：1）放电开始阶段电压没有一个先深低落、再回升的过程；以前铅酸电池有这个深度跌落（拐点）2）放电结束阶段蓄电池内管理装置自己会截断电压输出（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线完全放电曲线1）放电初始电压为49.80V，终止电压为43.40V2）放电容量：根据电流曲线，可计算得电池放电容量为10.464AH。放电过程前15min，电池电压变化较大(49.80V-49.46V）,负载电流变化也较大(2.01A-1.80A)。放电过程中段电池电压变化较小(49.46V-46.27V)，最后20min，电池电压变化较快(46.27V-43.40V)。负载电流变化也较快（1.67A-1.59A）。二、产品测试情况及其分析（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线厂家B的放电曲线放电曲线特点解读：1）放电开始阶段电压没有一个先深低落、再回升的过程；以前铅酸电池有这个深度跌落（拐点）2）放电结束阶段蓄电池内管理装置自己会截断电压输出完全放电曲线1）放电初始电压为52.07V，终止电压为41.40V2）放电容量：根据电流曲线，可计算得电池放电容量为10.642AH。放电过程前5min，电池电压变化较大（52.07V-48.80V）,负载电流变化也较大(2.43A-2.12A)。放电过程中段电池电压变化较小(48.80V-45.87V)，最后20min，电池电压变化较快(45.87V-41.40V)。负载电流变化也较快（1.84A-1.69A）。二、产品测试情况及其分析（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线厂家C的放电曲线放电曲线特点解读：1）放电开始阶段电压没有一个先深低落、再回升的过程；以前铅酸电池有这个深度跌落（拐点）2）放电结束阶段蓄电池内管理装置自己会截断电压输出完全充电曲线厂家A的充电曲线充电时间为5小时16分，充电容量为9.64AH充电过程前1h，电池充电电流变化较大，从1.69A增大为1.80A。充电过程后150S，电池充电电流变化较大，从1.92A减小为1.23A，并马上截止变为零。二、产品测试情况及其分析（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线充电特点解读：1）充电很快，5h，充电电流基本恒定，只有在最后150s才明显减少；2）不需要提到到均充电压就可以满足充满10AH的要求完全充电曲线厂家B的充电曲线充电时间为6小时6分，充电容量为10.98AH充电开始30min内，电池充电电流变化很小，从0.453A变化0.510A。充电后整30min时，电池充电电流陡然增大，从0.510A增大为2.137A。充电后0.5h到结束前1.5h，电池充电电流变化较为平稳，从2.137A增大为2.313A。最后1.5h，电池充电电流变化较为剧烈，从2.313A减小到0。二、产品测试情况及其分析（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线充电特点解读：1）充电很快，6h，首先小电流充电，充30min后改大电流充电，在充电结束前1.5h，充电电流出现震荡性变化，并逐步减小至0；2）不需要提到到均充电压就可以满足充满10AH的要求完全充电曲线厂家C的充电曲线充电时间为20小时24分，充电容量为11.41AH开关合闸后，电池延时3秒开始充电，开始2小时内，电池充电电流变化较大，从0.640A减少为0.257A。充电后整2小时，电池充电电流陡然增大，从0.257A增大为0.987A。充电后2h到结束前1h，电池充电电流变化较为平稳，从0.987A减小为0.463A。最后1h，电池充电电流变化较为剧烈，从0.463A减小到0.005A。此后，电流小于示波器所接电流表量程无法记录。使用专用小量程嵌流表测得电流经过0.5h从0.040A变为零，此段估计充电容量仅为0.015AH。二、产品测试情况及其分析（黄线）为电压曲线（绿线）为电流曲线充电特点解读：1）充电时间特长，20h，首先小电流充电，充2h后改大电流充电，在充电结束前1h，充电电流出现震荡性变化，并逐步减小至0；2）不需要提到到均充电压就可以满足充满10AH的要求测试总结：二、