磷酸铁锂电池的节能减排应用

     磷酸铁锂电池(简称：铁锂电池、铁电池，本文称"铁电池")，是一种正极材料为磷酸亚铁锂(LiFePO4)的新型蓄电池，由于铁电池具有循环寿命长、耐高温、体积小、重量轻、无污染等优点，移动通信、电动汽车、国家电网等行业都在对其进行研究和使用。其中通信行业在各研究院所技术专家的初步论证下建立了多种铁电池的试验站点，探究铁电池的节能减排效益。

　　本文将结合现有应用案例，拟对通信用磷酸铁锂电池的节能减排应用方向、困难以及前景进行探讨分析，以起到抛砖引玉的作用，吸引更多的行业专家对此类新型蓄电池予以关注和研究。

　　磷酸铁锂铁电池简介

　　1990年，索尼公司率先在实验室推出了以LiCoO2为正极材料的锂离子电池，并于1991年开始产业化生产。与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池在工作电压、能量密度、循环寿命等方面都具有显著优势。所以，在过去的二十年间锂离子电池被广泛应用于便携电子设备、电动工具等领域。而近几年，随着全球对节能减排的关注，锂离子电池也逐渐被应用于通信、国家电网以及电动汽车等多种行业。对于通信电源行业节能减排来说，要求蓄电池体积更小、重量更轻、寿命更长、更耐高温、维护更容易、性能更稳定、更环保等，因此为了顺应这些需求，锂离子电池也正逐渐向大容量电池方向转变，通信用磷酸铁锂电池应运而生。

　　通信用磷酸铁锂电池与传统的铅酸蓄电池相比，具有以下优点：

　　(1) 能量密度高：标称电压为3.2V，能量密度是铅酸电池的4倍左右，体积小、重量轻;

　　安全性强：磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定，电池不燃烧、不爆炸、安全性好;

　　高温性能好：外部温度55℃时电池正常工作;

　　高功率输出：标准放电为0.2C、可3C充放;

　　长循环寿命：常温1C充放电，单体经2000次循环后容量仍大于80%;

　　环保：整个生产过程清洁无毒，所有原料都无毒。

　　通信用磷酸铁锂电池应用相比传统的铅酸蓄电池更能体现 "节能"、"节材"、"节地"等节能减排工作的需求。

　　现阶段通信用磷酸铁锂电池产品形式

　　通信行业用蓄电池常用的电压等级有2V 和12V，与直流开关电源系统配套使用的蓄电池组电压等级为24V、48V，与UPS交流电源系统配套使用的蓄电池组电压等级为24V、36V、48V、96V、240V、384V等。常用的蓄电池组容量等级从25Ah、65Ah、100Ah、150Ah、200Ah、500Ah、1000Ah不等。

　　为满足通信行业需求，磷酸铁锂电池产品形式主要有12V、48V模块两种类型，容量等级为10Ah、20Ah、50Ah、150Ah、200Ah等，电池模组通过串并联，可以行成多种电压等级、多种容量的电池组，满足开关电源和UPS备电的各种需求

　　目前磷酸铁锂电池产品的主要以下三种规格：

　　通过将12V或48V电池模块进行串联组合，可以形成240V、336V、384V电池组，满足UPS交流电源系统、240V/336V高压直流电源系统(HVDC)的备电需求。

　　通信用磷酸铁锂电池节能减排方向

　　现阶段的磷酸铁锂电池产品类型相对比较丰富了，如何让其合理的应用于移动通信电源行业呢

　　思路是：首先是理清行业需求，其次是分析产品优势，再次是制定差异化的节能减排的应用方案，最后再进行具体的数据对比分析。

     通信电源行业对蓄电池的三类典型需求#e#3.1通信电源行业对蓄电池的三类典型需求

　　通信用直流开关电源系统

　　鉴于通信的高可靠性要求，完善的通信电源解决方案要求开关电源系统配置蓄电池。通信主设备、附属设备种类众多，开关电源应用场景也很多，总结主要有以下几种：

　　(a)户外型基站;

　　(b)村通等无空调的基站;

　　(c)空间紧张的室内宏基站;

　　(d)直流供电的室内覆盖/分布式信源站;

　　(e)无市电或三四类市电地区的太阳能光伏基站;

　　(f)直流供电方案的WLAN站点等。

　　通信用UPS交流电源系统

　　UPS交流电源系统主要应用于供配电系统的交流主回路部分，通信行业应用UPS交流电源系统的场景主要如下：

　　(a) 交流供电的室内覆盖/分布站;

　　(b)交流供电的微蜂窝站;

　　(c)嵌入式UPS供电的数据机房;

　　(d)交流供电方案的WLAN站点等。

　　通信用240V/336V高压直流电源系统(HVDC)

　　通信用高压电源直流系统(HVDC)是目前通信机房应用的新型供电系统，其配套电池组电压等级有240V和336V两种，蓄电池容量通常为50Ah～200Ah。

　　3.2 磷酸铁锂电池应用于通信行业的三大应用优势

　　对于通信行业，主要关注磷酸铁锂电池的三大优势，从"节能"、"节地"、"节材"的角度体现节能减排。

　　体积小、重量轻

　　对于民用住宅内的站点，可节省承重加固的费用，进一步加速站点的建设， "节材"优势更加明显。

　　高温性能优异

　　优异的耐高温性能可成倍增加户外站电池的寿命，降低维护及更换电池费用，提供系统可靠性;此外在有空调的基站中，可以尝试将空调设置为35度时启动，能有效降低基站平均电耗，"节能"优势更加明显。

　　高功率放电

　　铁电池在3C以上放电依然能放出全部容量的90%以上，高功率、深度放电的优势能有效降低目前UPS备用电池的总容量、容量降低的时对机房空间及承重要求过大等问题也伴随得到解决， "节地"优势更加明显。

　　3.3通信用磷酸铁锂电池节能减排应用方向

　　比亚迪将通信行业三大典型需求与铁电池的三大产品优势有机的结合起来，行成了独特的通信用铁电池电源系统解决方案，提出了通信电源行业节能减排的几种应用方案。

　　室外一体化铁电池电源解决方案

　　室外通信基站太阳直射，内置的铅酸蓄电池寿命通常不超过2年，本方案采用磷酸铁锂电池，耐高温性能优异，寿命达到5-10年。

　　此方案中电池的体积小，重量轻，耐高温、长使用寿命等优势在"节能""节材""节地"三个方面实现节能减排的目的，同时有效降低维护运营成本。

　　村通等无空调的基站电源解决方案

　　村通工程的基站都设在偏远的农村，规模小、配置小，基本上都没有空调，而且停电频繁，铅酸电池在恶劣环境下工作的寿命短、更换频繁、偏远农村的维护成本高。改用铁电池，则高温性能好、可深度充放电，循环寿命长，体积小、重量轻，安装轻便，可以在"节能""节地""节材"三方面达到节能减排的目的，同时还能改善网络供电质量。

　　空间紧张的室内宏基站电源解决方案

　　室内宏基站数量多，覆盖广，要求供电可靠，所以一般都有两组电池备电。站内铅酸电池占地面积大、重量过重，当话务量增多而引起扩容需求时站内空间制约了新增设备的可能。

　　如果采用一体化开关电源配合铁电池，则可降低机房中电源及电池的占地面积，满足设备扩容的需求。同时铁电池耐高温性能优异，可以将站内空调启动温度提高到35度左右，能够降低空调的能耗，通过节省电费有效降低运营成本，在"节能""节地""节材"三方面达到节能减排的目的。

　　室内覆盖/分布式站电源解决方案

　　原有2G网络的室内覆盖，加之3G及WLAN热点的不断新建，室内覆盖站的数量将进一步增多。由于室内覆盖站点取电一般就近选择市电，选择48V通信电池模块或铁电池UPS进行备电则可有效解决该类问题。

　　通信用高压直流电源系统(HVDC)供电方案

　　针对数据中心的供电方案，行业专家提出了通信用240V/336V高压直流电源系统。该系统对蓄电池的要求的特点是高电压(240V/336V)、短时间、大电流放电。如采用机架式磷酸铁锂电池组则有以下优势：

　　重量轻，节省机房加固成本;

　　体积小，可以与HVDC系统以列头柜形式并列安放，不用单独建立电池房，也可节省供电系统的占地面积，提高通信设备机架装机率;

　　铁电池可高倍率放电，降低蓄电池配置的容量;

　　铁电池放电平台稳定,在电池供电模式下稳定的输入电压避免设备因输入电压的大范围波动而引起异常。

　　嵌入式UPS交流电源系统供电方案

　　对于中小型数据中心，欧美的发达国家还有一种嵌入式UPS分布式供电方案，即用小功率UPS与网络柜配合以机柜为单位为服务器供电。选择铁电池UPS有以下优势：

　　重量轻，节省机房加固成本;

　　体积小，3KVA铁电池机UPS仅占网络柜2U空间，提高服务器装机率;

　　电池长寿命，主机与电池寿命几乎相同，降低电池更换成本;

　　安全性好，铁电池不起火、不爆炸，满足IDC机房高安全性的要求通信用磷酸铁锂电池应用的节能减排案例及效益分析

　　自2009年起，比亚迪公司与国内运营商开始试点合作，以下是与广东移动首批试点案例分析。

　　4.1 深圳移动试点案例

　　与深圳移动自2010年4月开始试点，试点主要类型是宏基站和UPS直放站，其中比亚学校站的电池放置于站外朝南侧，处于太阳直射状态，模拟极高温度下测试容量衰减;九州宾馆站采用72V150AH铁电池与3KVA 在线式UPS配合，相关试点分别于2010年5月 9月 及2011年1月 3月进行四次全容量测试。
 

4.2 惠州移动村通站试点案例

　　与惠州移动的试点合作主要以村通基站为主，其中下泾站位于惠州博罗县境内一座小山上，站内无空调，夏季站内温度最高达45度左右。原有铅酸电池几乎3-6个月更换一次。该站配置48V200AH铁电池，试点于2010年1月建成，分别于2010年1月、5月、9月及2011年1月进行了4次全容量测试。

　　4.3通信用铁电池电源系统试点总结

　　(1)室内宏基站铁电池的试点效果与铅酸电池相比一年期衰减优势不明显;

　　(2)无空调的站点中铁电池的衰减与有空调的站点相比衰减相同，宏站中恒温措施对电池衰减的延缓作用不大;

　　(3)铁电池试点前半年的衰减较快，后半年的衰减趋势变缓;

　　(4)尽管站内配置有空调，根据监控系统温度监测数据分析，宏基站内的温度基本为28～30度，铅酸电池衰减较快;

　　(5)铁电池与开关电源配合试点效果好于与UPS配合的微蜂窝站，分析原因是开关电源的电池管理相关参数可以调整，而UPS的电池管理默认按铅酸电池设定，没有人机界面调整。

　　综上所述，铁电池优异的高温性能通过试点体现出来，对于宏基站调高站内空调启动温度以节省空调能耗的办法基本可行，可进一步探索升温后带来的电费节省的定量效果;对于室外站和无空调的村通站则可以大力推广磷酸铁锂电池。

　　4.4 下一步铁电池宏基站试点的探索方案

　　宏基站中一般配置1-2台空调以调节站内温度，如果采用磷酸铁锂电池，则对于容量不大的站点，完全可取消空调的配置，节省初始成本投资及后续运营过程中的每月电费。对于容量较大，很重要的站点，可以减少空调数量或降低空调的功率，配合调高空调的启动温度，以达到初始投资成本及运营成本的降低。

　　通信用磷酸铁锂电池推广难点及展望

　　磷酸铁锂电池在移动通信行业属于新生事物，在进行试点验证新产品优势的同时也发现了部分问题，如果不得到有效解决势必会影响该新型蓄电池在通信行业的应用。

　　(1)磷酸铁锂电池厂家需要进一步优化产品结构设计，以阀控式前端子电池尺寸为参考方向，将磷酸铁锂电池体积小的优势全面体现出来;

　　(2)磷酸铁锂电池单体容量有限，厂家推出的产品多为12V模块，内置4个(或以上)单体电池，某单体损坏则需更换整个12V模块，维护成本过高;

　　(3)随着移动通信行电源的发展，磷酸铁锂电池需要预留单体电池运行数据采样的统一接口，以便于后续全面智能的电池管理方式的推广;

　　(4)磷酸铁锂电池的管理参数需要标准化，在开关电源上应用目前可以无缝替换，但在UPS上则需UPS厂家增加人机界面把电池管理参数设置为可调、充电方式进行调整、硬件上预留与电池通信的相关接口;

　　(5)对于搭配BMS使用的磷酸铁锂电池，因BMS对电池的过充保护断开电路是瞬时性的，要求开关电源厂家设计的均衡模块能够耐受大电流波动的冲击

　　总之，现阶段磷酸铁锂电池在通信行业的应用得到了广泛的重视，通信用磷酸铁锂电池通信行业标准的编写工作，目前已经在报批稿阶段，在各行业中走在最前列。本文仅结合现有应用案例，分析讨论了通信用磷酸铁锂电池的节能减排应用的初步成果及问题，以起到抛砖引玉的作用，吸引更多的电源厂家及行业专家对此类新型蓄电池予以关注和研究。