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　　鈦酸鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無泄露、無記憶效應(yīng)、自放電率低、充放電迅速、循環(huán)壽命超長、工作環(huán)境溫度范圍寬、安全穩(wěn)定綠色環(huán)保等特點,所以在通信電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　1 鈦酸鋰電池的基本結(jié)構(gòu)

　　鈦酸鋰電池由正、負(fù)極板(正極活性物質(zhì)為三元鋰,負(fù)極為鈦酸鋰)、隔膜、電解質(zhì)、極耳、不銹鋼(鋁合金)外殼等組成。正負(fù)極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域,隔膜、電解質(zhì)提供Li+的傳輸通道,極耳起到引導(dǎo)電流的作用。

　　三元鋰正極和鈦酸鋰負(fù)極與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以一定的比例混合,涂覆在鋁箔上構(gòu)成,正負(fù)極之間用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯復(fù)合隔膜)隔開,防止電池短路。隔膜是一種多孔結(jié)構(gòu)的薄膜,充放電過程中Li+可以通過其孔隙,而電子e-不能通過。電池的電解液是六氟磷酸鋰有機溶液。

　　鈦酸鋰材料具有三維擴散通道，在Li+脫嵌過程中，其晶格體積基本不發(fā)生形變，其結(jié)構(gòu)為Li+提供了足夠暢通和快速的遷移，鈦酸鋰材料具有三維擴散通道，不存在因形變帶來的應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)構(gòu)塌陷，從而使鈦酸鋰材料具有更長的循環(huán)壽命。從化學(xué)反應(yīng)特性來看，鈦酸鋰能夠在大倍率下進行快速脫嵌鋰過程(既能快充也能快放)。圖1為鈦酸鋰材料結(jié)構(gòu)圖。圖2為石墨與鈦酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)對比圖。

　　2 鈦酸鋰電池的工作原理

　　電池充電時,Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表面,從正極板材料中脫出,在電場力的作用下,進入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解液遷移到負(fù)極鈦酸鋰晶體的表面,然后嵌入負(fù)極鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中。與此同時,電子流通過正極的鋁箔,經(jīng)極耳、電池極柱、負(fù)載、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的鋁箔電極,再經(jīng)導(dǎo)電體流到鈦酸鋰負(fù)極,使電荷達至平衡。石家莊ups

　　電池放電時,Li+從鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中脫嵌,進入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解質(zhì)遷移到三元鋰晶體的表面，然后重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的鋁箔電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、負(fù)載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經(jīng)導(dǎo)電體流到三元鋰正極，使電荷達至平衡。

　　由此可見,鈦酸鋰電池基本原理,就是在充、放電的過程中,對應(yīng)的鋰離子在正負(fù)極之間來回的嵌脫,完成電池的充放電和向負(fù)載的供電。鈦酸鋰電池的充放電示意圖如圖3所示。

　　電池充電時,正極失去電子,鋰離子脫出,嵌入到負(fù)極中;負(fù)極嵌入鋰離子的同時得到電子成為富鋰態(tài)。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應(yīng)過程中,鈦酸鋰(Li4Ti5O12)是一種理想的嵌入型電極材料,Li+插入和脫嵌對材料結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響,因此被稱作“零應(yīng)變”材料,從而保證了其良好的循環(huán)性能。

　　鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結(jié)構(gòu)——Li7Ti5O12與Li4Ti5O12。產(chǎn)生Li7Ti5O12的晶體結(jié)構(gòu)與Li4Ti5O12的晶體結(jié)構(gòu)均為尖晶石結(jié)構(gòu),且晶格常數(shù)變化很小,同時體積變化也很小。能夠避免充放電循環(huán)中電極材料的來回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞,從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命,減少了隨循環(huán)次數(shù)的增加而帶來容量的衰減,使鈦酸鋰具有優(yōu)良的循環(huán)性能。

　　鈦酸鋰電池的電化學(xué)反應(yīng)方程式:

　　正極反應(yīng):LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2→Li1-xNi1/3Mn1/3Co1/3O2+xLi++xe-

　　負(fù)極反應(yīng):Li4Ti5O2+xLi++xe-→Li4+xTi5O12

　　總化學(xué)反應(yīng)方程式:–––

　　LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2+Li4Ti5O12→Li1-xNi1/3Mn1/3Co1/3O2+Li4+xTi5O12

　　3 鈦酸鋰電池組在基站的工作方式

　　由于鈦酸鋰電池的電解液是有機液體,再加上鋰金屬是一種非�；顫姷脑�素,所以該電池必須密封,電池在正常的充放電條件下是幾乎不產(chǎn)生氣體的。即使電池長期處于間歇充電狀態(tài)下,電池內(nèi)部也不會產(chǎn)生較高壓力,電池安全可靠。另外,通信基站電源對電池組的供電方式是浮充加均充穩(wěn)壓限流工作模式,對于電池組間歇充電而言,調(diào)整浮充和均充電壓,都設(shè)定為53.9V,對鈦酸鋰電池組進行充電,這個電壓對電池極板和電解液都是比較穩(wěn)定的,電池容量變化極小,不同的浮充電壓值對電池的容量影響不明顯,電池可以長期處于間歇式充、放電狀態(tài),所以鈦酸鋰電池組用于通信基站是非常適合的。圖4為間歇式充放電原理圖。

　　T1和T3為充電過程;T1為恒流-恒壓充電階段;T3為間歇式補充電階段;T2為電池組開路靜置階段;T4為電池組放電過程。

　　4 圓柱型鈦酸鋰電池的工藝特點

　　(1) 全極耳卷繞式金屬外殼獨特結(jié)構(gòu)

　　電池采用圓柱形不銹鋼殼激光封口,結(jié)構(gòu)具備不漏液、不氣脹、抗震耐碰、環(huán)境適應(yīng)性強,具有在高熱、高寒、高濕環(huán)境下應(yīng)用的優(yōu)勢。

　　內(nèi)部極耳采用橫向引流技術(shù),可現(xiàn)實正負(fù)極片多極耳引出,解決了圓柱型電池不能多極耳引流的難題,降低了電池充放電過程中極化內(nèi)阻,使電池具備高功率充放電性能。

　　正負(fù)極耳在電池兩端引出,有利于電池充放時熱量的發(fā)散,避免熱量只在一端聚集的情況。

　　電芯極卷采用全自動卷繞方式,極片在卷繞過程中,通過精確的張力控制系統(tǒng),使極片之間的間隙極小。每圈電池均有極耳引出,有效降低電池的內(nèi)阻,改善電池的大電流放電性能,并提高電池均一性。

　　(2) 單體容量設(shè)計

　　卷繞式圓柱鈦酸鋰電池實現(xiàn)了從低容量電池到高容量電池的飛躍,解決了高容量電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題及應(yīng)用難題,用單體大容量動力鋰電池作為動力模塊替代成百上千個小容量電池的串并聯(lián),從而降低了電池組裝的安全隱患,提高電池的一致性。

　　卷繞式圓柱鈦酸鋰電池能夠適應(yīng)的溫度范圍為-40～60℃。采用合理的電解液配方,使電解液有比較寬的電化學(xué)工作窗口,特別是在高電壓以及高低溫時,仍有比較高的耐受性,電解液不易分解。電解液的耐高壓性以及較高的鋰離子濃度,提高了鋰離子在電極表面的擴散速度。同時電解液中含有的高介電常數(shù)溶劑,減少了鋰離子的溶劑化,減小了電解液在低溫環(huán)境下的運動阻力,提高了電池的低溫性能及倍率性能。

　　卷繞式電池能實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),減少生產(chǎn)工序,大幅度提高生產(chǎn)效率,降低電池的制造成本;與此同時,在制造成本相同的情況下,規(guī)�；�生產(chǎn)高容量電池,實現(xiàn)核算單位制造成本的降低。

　　卷繞式電池由正極材料(包括金屬箔材)、負(fù)極材料(包括金屬箔材)、隔膜、電解液、外殼及組裝配件五大部分組成。在不改變外殼及組裝配件的前提下,采用常規(guī)物料,進行合理的電池設(shè)計,在提升電池能量密度的同時,能大幅度降低每安時的物料成本。

　　全自動封閉上料工藝有效控制原料純度,隔離雜質(zhì)*;全程電腦自控上料,使投放更精準(zhǔn)穩(wěn)定;混料設(shè)備按制藥級別配置,分散粉料標(biāo)準(zhǔn)高。

　　涂布采用β射線自動測厚技術(shù),輸出極片涂層厚度更穩(wěn)定可靠;烘干過程分段溫度控制,使極片成品率更高。

　　輥壓環(huán)節(jié)輥壓動作應(yīng)用熱壓工藝,使涂層均勻度、附著力遠高于冷壓工藝。

　　卷繞環(huán)節(jié)使用國內(nèi)外著名廠家的全自動化連續(xù)卷繞機,使產(chǎn)品卷芯質(zhì)量更穩(wěn)定。

　　端蓋焊接采用激光焊接設(shè)備，在高精度作業(yè)過程中,可進行顯微鏡可視檢測，實現(xiàn)生產(chǎn)、質(zhì)檢同步。

　　化成分容環(huán)節(jié)為保證測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性,化成分容均實現(xiàn)恒溫控制,采用高精度分選化成容量設(shè)備,用動態(tài)電壓曲線擬合的方法,通過智能軟件控制系統(tǒng)自動分選。確保電池經(jīng)過篩選后電池的準(zhǔn)確性,提高電池配組的一致性。

　　圖5給出了圓柱型鈦酸鋰電池的結(jié)構(gòu)圖和實物照片。

　　圖6和圖7以66260圓柱型鈦酸鋰電池為例,分別給出了電池充、放電倍率曲線圖。

　　蓄電池在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域是一個故障高發(fā)點。鼓脹、短路、漏液,嚴(yán)重時導(dǎo)致起火,造成的損失令人觸目驚心。國內(nèi)外多個IDC機房均有電池起火的慘痛教訓(xùn)。

　　如何防患于未然?UPS主機或直流電源自帶的電池監(jiān)測系統(tǒng)很難完成此項重任。這些監(jiān)測系統(tǒng)通常只能監(jiān)控整組電池的電壓、電流和環(huán)境溫度。對于每節(jié)電池單體的溫度、電壓和電流以及關(guān)鍵的電池內(nèi)阻值無法做到在線監(jiān)測,所以不能做到提前預(yù)警。電池長期處于浮充狀態(tài)時,測得的電池端電壓是一個浮值,故障電池和正常電池的端電壓沒有明顯區(qū)別,在電池浮充期間,只監(jiān)測電池電壓和電流,無法在線檢測出故障電池。只有在蓄電池放電時,故障電池的端電壓將急劇下降。同一型號、同一批次的電池內(nèi)阻值,在使用初期,參數(shù)往往相近,當(dāng)電池老化或故障(斷路、短路、電池端子虛接)時,其內(nèi)阻值會發(fā)生顯著變化。通過監(jiān)測電池內(nèi)阻值的相對變化,就可以實現(xiàn)電池故障提前預(yù)警。由此可知,在線監(jiān)測單節(jié)蓄電池的內(nèi)阻和溫度才是重中之重。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在這點上均有明確要求:GB50174《電子信息機房設(shè)計規(guī)范》要求A級機房監(jiān)測每一節(jié)蓄電池的電壓、阻抗和故障。美國電信聯(lián)合會TIA942要求Tier4機房必須配置在線自動檢測系統(tǒng),監(jiān)測每節(jié)電池電壓、溫度和內(nèi)阻。

　　智能電池單體監(jiān)測系統(tǒng)歷經(jīng)三代的發(fā)展。第一代電池單體監(jiān)測系統(tǒng)只檢測電池電壓和電流,只能在電池放電情況下,通過檢測電池端電壓發(fā)現(xiàn)故障電池;第二代集中式監(jiān)測系統(tǒng)除了具備第一代系統(tǒng)功能外,還可以監(jiān)測電池內(nèi)阻。第二代采用集中式采集結(jié)構(gòu),基本能判斷單個電池故障。集中式通常采用非插拔式端子,故障發(fā)生時更換不易,接線繁瑣容易出錯,端子密集可能導(dǎo)致接線混亂和累積成高危險電壓;第三代采用分散模塊化結(jié)構(gòu),可以監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等。具備完善的告警和預(yù)告警功能。模塊化簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使安裝和維護更加方便快捷。圖1為模塊化電池單體系統(tǒng)連接示意圖。

　　1 單體電池內(nèi)阻測量方法

　　智能單體監(jiān)測系統(tǒng)通常采用兩種方法來檢測電池內(nèi)阻。

　　(1)直流法

　　如圖2所示。電池向檢測模塊放電;測量電池放電電壓穩(wěn)定后的瞬間恢復(fù)電壓差ΔU=U2-U1;

　　測量放電電流值I;

　　計算出電池內(nèi)值Ri=ΔU/I。

　　用戶對直流法的疑慮是直流法在電池放電過程中是否對電池有損害?新型的智能檢測系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制放電模式,盡量減少放電時對電池的損害。艾特網(wǎng)能單體監(jiān)測系統(tǒng)采用先進的四線內(nèi)阻檢測法可以極大的降低線路阻抗對電池內(nèi)阻檢測的影響,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確合理。圖3為四線內(nèi)阻檢測法的原理圖。

　　(2)交流法

　　交流檢測法的檢測曲線如圖4所示。電池實際上等效于一個有源電阻。給電池施加一定頻率和一定電流(目前一般使用100Hz～1kHz頻率、50mA小電流);然后檢測出相應(yīng)電池電壓的反饋變化,對其反饋電壓進行采樣,經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后,通過計算得到該電池的內(nèi)阻值。

　　用戶對交流法的疑慮是檢測過程中注入的交流信號是否會對系統(tǒng)產(chǎn)生*?優(yōu)化的交流測試系統(tǒng)多采用非注入方式,充分利用電池的充電紋波來進行測量。

　　兩種方法各有利弊。在充電電壓紋波較小時,直流法更加準(zhǔn)確可靠。在電池充電壓紋波較大時,直流法會受到很大*,交流法更加精準(zhǔn)。艾特網(wǎng)能電池單體監(jiān)測系統(tǒng)采用了兩種測試方法兼容模式,系統(tǒng)可以根據(jù)充電紋波自動選取最佳檢測方式。

　　2 溫度測量方法

　　傳統(tǒng)型集中式蓄電池內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)的溫度檢測,僅檢測1～4路溫度,且檢測的是環(huán)境溫度或者是蓄電池組的表面溫度,不能真實的反映單個蓄電池的內(nèi)部溫度。艾特網(wǎng)能電池采集模塊的溫度探頭,直接集成在測量線束上。可直接采集每節(jié)蓄電池的極柱溫度(見圖5)。一方面可有效地避免單節(jié)電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象的發(fā)生,另一方面也可檢測電池大電流放電時極柱溫升情況,避免電池電纜過熱。同時具有環(huán)境溫度檢測功能,可實現(xiàn)電池溫升報警、溫度報警等功能。智能監(jiān)測系統(tǒng)可以在電池極柱溫度異常升高時,自動脫扣電池開關(guān),切斷電池充放電回路,有效避免火災(zāi)的發(fā)生。檢測每節(jié)電池的極柱溫度對蓄電池火災(zāi)早期預(yù)警意義重大。

　　3 電池的自動均衡

　　艾特網(wǎng)能智能電池管理系統(tǒng)能實現(xiàn)電池在線自動均衡功能�？上�除電池間的差異,保證組內(nèi)電池的一致,提高電池的使用率。電池在浮充狀態(tài)時,系統(tǒng)通過電壓檢測,一旦發(fā)現(xiàn)某節(jié)電池電壓超過平均值或基準(zhǔn)值的一定比例,系統(tǒng)進入均衡處理過程。電池均衡電路采用MOS開關(guān)對電池進行旁路脈沖式放電,防止電池過充,實現(xiàn)電壓均衡(見圖6)。

　　 　　在均衡電路基礎(chǔ)上,可進一步提供活化功能。系統(tǒng)通過內(nèi)核的算法,確定脈寬調(diào)制的占空比,并發(fā)出活化均衡控制信號來控制MOS管變頻高速通斷,達到對該節(jié)電池進行小電流瞬時的可控充放電(斷開時恢復(fù)充電),從而實現(xiàn)對該節(jié)電池的激勵作用,持續(xù)高頻沖擊和破碎電池內(nèi)部硫酸鹽層,活化電池。圖7為破碎硫酸鹽層的照片。

　　5 系統(tǒng)的安裝和維護

　　模塊化的設(shè)計使工程安裝極其方便。

　　(1)電池采集線纜

　　采用雙****線鼻和插拔線纜組合方式,方便施工安裝和線纜更換。在電池安裝時,將墊片同時預(yù)裝,可大大節(jié)省電池監(jiān)控系統(tǒng)安裝工時。電池采集線纜見圖8。

　　(2)電池采集模塊體積小巧,直接粘在蓄電池表面

　　采用配套專用測量線纜,測量線纜可以隨時從電池采集模塊上拆卸。通訊線采用網(wǎng)線串接在各個電池采集模塊之間(*模式不需要通訊線),模塊安裝采用魔術(shù)貼安裝方式,方便模塊的檢測、拆裝和再利用。

　　(3)采用主控顯示和分散模塊測量電池數(shù)據(jù)

　　各單元間采用總線方式數(shù)據(jù)連接,從電池柜中僅需引出1～N根通訊線(根據(jù)電池組數(shù)而定,*方式不需要)即可,大大減少傳統(tǒng)電池監(jiān)測系統(tǒng)的工程施工量。監(jiān)控單元采用19寸機架結(jié)構(gòu),可以直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)機柜內(nèi),或直接掛墻和掛電池柜上,方便安裝。圖9為智能電池監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖。

　　6 結(jié)束語

　　智能蓄電池單體監(jiān)測系統(tǒng)彌補了UPS自帶整組電池監(jiān)測系統(tǒng)的短板,使電池維護智能數(shù)據(jù)化,實時在線地監(jiān)測每節(jié)單體,高效準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)單體電池故障，做到故障提前預(yù)警，有效避免了機房重大事故的發(fā)生，還能做到電池均衡和活化，是中高端數(shù)據(jù)中心生命周期管理中必不可少的安全保護系統(tǒng)。