通信用磷酸鐵鋰電池的節(jié)能減排應(yīng)用

李志華

（深圳市比亞迪鋰電池有限公司）

1 磷酸鐵鋰鐵電池簡介

1990年，索尼公司率先在實驗室推出了以Li－Co O2為正極材料的鋰離子電池，并于1991年開始產(chǎn)業(yè)化。與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池在工作電壓、能量密度、循環(huán)壽命等方面都具有顯著優(yōu)勢，在過去的二十年間鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于便攜電子設(shè)備、電動工具等領(lǐng)域。近幾年，隨著全球?qū)?jié)能減排的關(guān)注，鋰離子電池也逐漸被應(yīng)用于通信、國家電網(wǎng)以及電動汽車等多種行業(yè)。對于通信電源行業(yè)節(jié)能減排來說，要求蓄電池體積更小、重量更輕、壽命更長、更耐高溫、維護更容易、性能更穩(wěn)定、更環(huán)保等，通信用磷酸鐵鋰電池應(yīng)運而生。

通信用磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，具有以下優(yōu)點：

（1）能量密度高：標(biāo)稱電壓為3.2 V，能量密度是鉛酸電池的4倍左右，體積小、重量輕；

（2）安全性強：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電池不燃燒、不爆炸、安全性好；

（3）高溫性能好：外部溫度55℃時電池正常工作；

（4）高功率輸出：標(biāo)準(zhǔn)放電為0.2C、可3C以上充放；

（5）長循環(huán)壽命：常溫1C充放電，單體經(jīng)5000次循環(huán)后容量仍大于80%；

（6）環(huán)保：整個生產(chǎn)過程清潔無毒，所有原料都無毒。

2 現(xiàn)階段通信用磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品形式

鉛酸蓄電池組電壓等級為24 V、36 V、48 V、96 V、240 V、384 V等，常用的蓄電池組容量從50－3 000 Ah不等。

現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品形式主要有12 V、48 V模塊兩種類型，容量等級為10 Ah、20 Ah、50 Ah、150 Ah、200 Ah等，電池模塊通過串并聯(lián)，可以形成多種電壓等級、多種容量的電池組，滿足開關(guān)電源和UPS備電的各種需求。

目前磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品的主要以下三種規(guī)格，以比亞迪公司部分產(chǎn)品為例：

（1）12 V 模塊化電池

規(guī) 格 尺寸（mm）深×寬×高 重量／kg 420×105×116 7 100 Ah／12 V 50 Ah／12 V 510×104×234 14 150 Ah／12 V 510×254×158 29 543×111×210 20 200 Ah／12 V

（2）48 V模塊化電池19英寸寬（又稱“集成式磷酸鐵鋰電池組”）

規(guī) 格 尺寸（mm） 重量（kg）420×89×460 36 50 Ah／48 V

（3）240 V／336 V／384 V模塊化電池組

12 V或48 V電池模塊進行串聯(lián)組合可以形成240 V、336 V、384 V電池組，滿足 UPS交流電源系統(tǒng)、240 V／336 V高壓直流電源系統(tǒng)（HVDC）的備電需求（見圖1～圖3）。

圖1 12 V磷酸鐵鋰電池

圖2 48 V磷酸鐵鋰電池

圖3 384 V UPS用磷酸鐵鋰電池

3 通信用磷酸鐵鋰電池節(jié)能減排方向

通信用磷酸鐵鋰電池應(yīng)用相比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池更能體現(xiàn) “節(jié)能”、“節(jié)材”、“節(jié)地”等節(jié)能減排工作的需求，如何讓其合理的應(yīng)用于移動通信電源行業(yè)呢？

思路是：理清行業(yè)需求；分析產(chǎn)品優(yōu)勢；制定差異化的節(jié)能減排的應(yīng)用方案；進行具體的數(shù)據(jù)對比分析。

3.1 通信電源行業(yè)對蓄電池的三類典型需求

（1）通信用直流開關(guān)電源系統(tǒng)

鑒于通信的高可靠性要求，完善的通信電源解決方案要求開關(guān)電源系統(tǒng)配置蓄電池。通信主設(shè)備、附屬設(shè)備種類眾多，開關(guān)電源應(yīng)用場景也很多，總結(jié)主要有以下幾種：戶外型基站、村通等無空調(diào)的基站、空間緊張的室內(nèi)宏基站、直流供電的室內(nèi)覆蓋／分布式信源站、無市電或三四類市電地區(qū)的太陽能光伏基站、直流供電方案的WLAN站點等。

（2）通信用UPS交流電源系統(tǒng)

UPS交流電源系統(tǒng)主要應(yīng)用于供配電系統(tǒng)的交流主回路部分，通信行業(yè)應(yīng)用UPS交流電源系統(tǒng)的場景主要如下：交流供電的室內(nèi)覆蓋／分布站、交流供電的微蜂窩站、嵌入式UPS供電的數(shù)據(jù)機房、交流供電方案的WLAN站點等。

（3）通 信 用240 V／336 V 高 壓 直 流電源系統(tǒng)（HVDC）

通信用高壓電源直流系統(tǒng)（HVDC）是目前通信機房應(yīng)用的新型供電系統(tǒng)，其配套電池組電壓等級有240 V和336 V兩種，蓄電池容量通常為50 Ah～200 Ah。

3.2 磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于通信行業(yè)的三大優(yōu)勢

對于通信行業(yè)，主要關(guān)注磷酸鐵鋰電池的三大優(yōu)勢：

（1）體積小、重量輕——對于民用住宅內(nèi)的站點，可節(jié)省承重加固的費用，進一步加速站點的建設(shè)，“節(jié)材”優(yōu)勢更加明顯。

（2）高溫性能優(yōu)異——優(yōu)異的高溫性能可成倍增加戶外站電池的壽命，降低維護及更換電池費用，提供系統(tǒng)可靠性；此外在有空調(diào)的基站中，可以嘗試將空調(diào)設(shè)置為35度時啟動，能有效降低基站平均電耗，“節(jié)能”優(yōu)勢更加明顯。

（3）高功率放電——鐵電池在3C以上放電依然能放出全部容量的90%以上，高功率、深度放電的優(yōu)勢能有效降低目前UPS備用電池的總?cè)萘俊⑷萘拷档蜁r對機房空間及承重要求過大等問題也伴隨得到解決，“節(jié)地”優(yōu)勢更加明顯。

3.3 通信用磷酸鐵鋰電池節(jié)能減排應(yīng)用方向

比亞迪將通信行業(yè)三大典型需求與鐵電池的三大產(chǎn)品優(yōu)勢有機的結(jié)合起來，行成了獨特的通信用鐵電池電源系統(tǒng)解決方案，提出了通信電源行業(yè)節(jié)能減排的幾種應(yīng)用方案。

（1）室外一體化鐵電池電源解決方案

室外通信基站太陽直射，內(nèi)置的鉛酸蓄電池壽命通常不超過2年，本方案采用磷酸鐵鋰電池，耐高溫性能優(yōu)異，壽命達到5～10年。

此方案中電池的體積小，重量輕，耐高溫、長使用壽命等優(yōu)勢在“節(jié)能”“節(jié)材”“節(jié)地”三個方面實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，同時有效降低維護運營成本。

（2）空間緊張的室內(nèi)宏基站電源解決方案

采用一體化開關(guān)電源配合鐵電池，則可降低室內(nèi)宏基站中電源及鉛酸電池的占地面積，滿足設(shè)備擴容的需求。同時鐵電池耐高溫性能優(yōu)異，可以將站內(nèi)空調(diào)啟動溫度提高到35度左右，能夠降低空調(diào)的能耗，通過節(jié)省電費有效降低運營成本，在“節(jié)能”“節(jié)地”“節(jié)材”三方面達到節(jié)能減排的目的。

（3）室內(nèi)覆蓋／分布式站電源解決方案

原有2G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)覆蓋，加之3G及WLAN熱點的不斷新建，室內(nèi)覆蓋站的數(shù)量將進一步增多。由于室內(nèi)覆蓋站點取電一般就近選擇市電，選擇48 V通信電池模塊或鐵電池UPS進行備電則可有效解決該類問題。

（4）通信用高壓直流電源系統(tǒng)（HVDC）供電方案

針對數(shù)據(jù)中心的供電方案，行業(yè)專家提出了通信用240 V／336 V高壓直流電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對蓄電池的要求的特點是高電壓（240 V／336 V）、短時間、大電流放電。如采用機架式磷酸鐵鋰電池組則可以與HVDC系統(tǒng)以列頭柜形式并列安放，不用單獨建立電池房，也可節(jié)省供電系統(tǒng)的占地面積，提高通信設(shè)備機架裝機率。

4 通信用磷酸鐵鋰電池應(yīng)用的節(jié)能減排案例及效益分析

自2009年起，比亞迪公司與國內(nèi)運營商開始試點合作，以下是與廣東移動和重慶移動試點的案例分析。

4.1 廣東移動試點案例

與深圳移動自2010年4月開始試點，試點主要類型是宏基站和UPS直放站，其中比亞學(xué)校站的電池放置于站外朝南側(cè)，處于太陽直射狀態(tài)，模擬極高溫度下測試容量衰減（見圖4）；九州賓館站采用72 V150 Ah鐵電池與3 k VA在線式UPS配合（見圖5），相關(guān)試點分別于2010年5月9月 及2011年1月3月進行四次全容量測試（見圖6）。

圖4 比亞學(xué)校—電池放置戶外

圖5 九州賓館站—微蜂窩站（UPS）

圖6 深圳移動試點案例－容量保持率VS時間測試情況

4.2 重慶移動試點案例

重慶移動試點案例如圖7、圖8所示。

圖7 重慶移動試點案例

圖8 重慶移動試點－容量保持率VS時間測試情況

4.3 通信用鐵電池電源系統(tǒng)試點總結(jié)

（1）室內(nèi)宏基站鐵電池的試點效果與鉛酸電池相比略有優(yōu)勢；室外宏基站鐵電池的容量衰減比鉛酸電池少15%，優(yōu)勢明顯。

（2）鐵電池與開關(guān)電源配合試點效果好于與UPS配合的微蜂窩站，分析原因是開關(guān)電源的電池管理相關(guān)參數(shù)可以調(diào)整，而UPS的電池管理默認按鉛酸電池設(shè)定，沒有人機界面調(diào)整。

綜述，對于室外站和無空調(diào)的村通站則可以大力推廣磷酸鐵鋰電池；對于室內(nèi)基站可探索取消空調(diào)或者升溫至30～35度，以節(jié)能減排。

5 通信用磷酸鐵鋰電池推廣難點及展望

磷酸鐵鋰電池在移動通信行業(yè)屬于新生事物，在進行試點驗證新產(chǎn)品優(yōu)勢的同時必定會暴露問題，解決問題才能促進其在通信行業(yè)的廣泛應(yīng)用：

（1）基站中應(yīng)用鐵鋰電池已經(jīng)成熟，建議運營商大力推廣；

（2）240 V（或336 V）高壓直流系統(tǒng)中應(yīng)用鐵鋰電池正在進行探索，如果成功將大大減少機房中電池組的占地面積，成功提高裝機率，促進IDC產(chǎn)業(yè)發(fā)展；

（3）小場景如室內(nèi)覆蓋，WLAN等需進一步加強對鐵鋰電池UPS或鐵鋰電池插框電源的應(yīng)用，全面優(yōu)化現(xiàn)網(wǎng)質(zhì)量；

（4）隨著移動通信行電源的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池需要預(yù)留單體電池運行數(shù)據(jù)采樣的統(tǒng)一接口，以便于后續(xù)全面智能的電池管理方式的推廣；BMS的發(fā)展方面將不是管理電池，而是全面監(jiān)控電池的工作狀態(tài)并與遠端監(jiān)控系統(tǒng)通信。

中國鋰電領(lǐng)軍企業(yè)——比亞迪將依托強大電池研發(fā)團隊，運用高水平設(shè)計，全自動化產(chǎn)線，專業(yè)的方案支持，全面配合中國運營商推廣并應(yīng)用磷酸鐵鋰電池。