磷酸鐵鋰電池在通信太陽能基站上的應用

2012-09-25 01:51:34蔡雪峰

通信電源技術 2012年1期

蔡雪峰

（上海中興派能能源科技有限公司）

隨著移動通訊業務的發展，加強海域覆蓋和偏遠山區的覆蓋對各通訊運營商已經越來越重要。這些基站大都處于鄉間野外，有些站點存在著市電供電不穩或距離取市電處較遠，供電電纜架設費用巨大的問題，如何保證這些基站的供電是個很大挑戰。據了解，目前中國運營商在新疆、內蒙、西藏及沿海無市電的島嶼建設了一萬多個離網式太陽能基站，其所配電池目前都采用鉛酸蓄電池。

通信太陽能基站多為離網式太陽能供電系統，是指當地沒有交流電，而將太陽能供電作為主供電源，油機、風機等供電作為補充供電的一種供電形式（如圖1）。離網式太陽能供電系統主要由太陽能板、太陽能控制器、蓄電池組及直流配電等組成，通過太陽能控制器實現對通信設備的供電，特別適用于陽光充足的山區、海島、牧區、沙漠等多種復雜地形和電網覆蓋不到或供電不能保證的地區。

圖1 離網式太陽能供電系統架構

近幾年，離網式太陽能供電方案得到快速推廣，被通信業界認為是解決無市電地區基站供電的首選方案。可是在實際使用過程中，蓄電池的短壽命成為整個方案中的一個最為薄弱的短板，即使采用價格高出普通鉛酸電池的膠體電池，其實際使用壽命也往往只有一年左右。通過技術對比和實際應用，中興派能認為磷酸鐵鋰電池會是解決此問題最為理想的選擇。

1 鉛酸電池不適合離網式太陽能基站

在離網式太陽能站的應用中，鉛酸電池的缺點非常明顯。離網式太陽能基站的運行環境非常惡劣，蓄電池需要面對高溫、低溫、電池欠充、深度放電及高循環次數等情況。我們分析說明如下：

1.1 環境溫度

中國的太陽能站大多分布在新疆、西藏、內蒙、甘肅、青海等地，這里夏天溫度高至40℃，冬天低至－20℃左右。

（1）高溫：我們知道鉛酸電池的高溫特性非常差，所以鉛酸電池要求在15℃～25℃范圍內工作。鉛酸電池溫度升高會損壞電池，降低電池的使用壽命，當環境溫度超過25℃時，溫度每升高10℃，電池使用壽命將減少一半。例如電池設計壽命在25℃為10年，在45℃下長期運行，壽命只有2.5年。

（2）低溫：電池使用溫度降低，電池容量減少，例如溫度從25℃降低到－20℃，容量將下降到額定容量的65%左右。同時溫度過低，使電池長期充電不足，造成負極硫酸鹽化，最終導致電池放不出電，嚴重影響電池使用壽命。

1.2 充電條件

太陽能供電是靠天吃飯，很多地區在冬天只有2個多小時的有效光照時間，夏天能達到6小時左右，如表1所示。考慮到投資性價比，運營商多以年平均光照時間來配置太陽能板，這就造成電池在冬天會有幾個月的時間發生欠充及深度放電。鉛酸蓄電池長期欠充會造成電池硫酸鹽化，影響電池使用壽命；電池經常深度放電，也會造成電池使用壽命下降。

表1 中國部分地區各月光照有效時間表

1.3 循環情況

鉛酸電池正常設計壽命10年，在0.1 C10充放電條件下100%DOD充放電循環次數在300至500次。離網式太陽能站每天一半以上的運行時間是依靠蓄電池來維持能源供給，因此蓄電池一直處于頻繁的循環工作狀態，鉛酸電池的使用年限大大降低；此外鉛酸電池隨充放電次數的增加，各電池間不均衡性快速增大，目前鉛酸電池大多不進行均衡處理，很容易造成由于單顆電池失效而影響整組電池壽命的問題。

2 磷酸鐵鋰電池是離網式太陽能基站儲能的最佳解決方案

磷酸鐵鋰電池優勢分析如下。

2.1 優異的環境適應性

（1）高溫

磷酸鐵鋰電池高溫特性好，長期在45℃條件下工作，電池壽命幾乎不受影響；

（2）低溫

磷酸鐵鋰電池低溫特性較鉛酸略好，在－20℃條件下可放出80%左右的電量，低溫充電對磷酸鐵鋰電池會有較大的傷害，可通過磷酸鐵鋰電池BMS（電池管理系統）熱管理系統進行改善

（3）無記憶效應，不怕欠充

磷酸鐵鋰電池沒有記憶效應，也沒有欠充損害電池壽命的情況，可以隨充隨放，特別適合太陽能間隙式充放電的應用。

2.2 循環壽命

磷酸鐵鋰電池單芯1C10充放電循環壽命3000次左右，成組電池組在0.5 C10充放電條件下100%DOD充放電壽命1500次～2000次，是鉛酸電池0.1C10充放電壽命的4倍以上。如果都以0.1C10充放電，磷酸鐵鋰電池循環壽命長的優勢將更為明顯。

2.3 智能化

磷酸鐵鋰電池可以通過內置的電池管理系統進行均衡和管理，有效地防止電池的過充、過放，并且極大地改善了單體電芯的不均衡性，進而延長了整組電池的壽命。

3 中興派能離網式太陽能基站的實際案例

中興派能一直與各大運營商就磷酸鐵鋰電池應用于新能源太陽能基站進行深度合作。目前在網運行的派能磷酸鐵鋰電池應用情況良好，得到客戶的高度認可。

圖2是中興派能磷酸鐵鋰電池在離網式太陽能基站應用的案例之一，該站位于新疆維吾爾自治區，典型的無市電太陽能孤島站，采用4750 W太陽能板發電，包括太陽能控制器，功率約750 W 負載設備，2組1000 AH鉛酸電池做后備電池，油機做備用電源。經過二年多的使用，原有2000AH電池損壞嚴重，只能為負載提供約15小時供電，因此每天都會發生基站倒站的情況，需要每天運送油機至站點發電2小時。

2011年9月，備用電池改用中興派能提供的磷酸鐵鋰電池后，該基站保障能力得到極大提高。該方案采用中興派能48 V／1 200 Ah鐵鋰電池（24個48 V／50 Ah電池并聯）電池組替換原有鉛酸電池，經過2011年9月至2012年3月共6個月的使用后，運行狀況良好，未發生基站倒站的情況，特別需要指出的是這期間為該地區全年日照情況最差的一段時期（1月平均有效日照時間只有2 h），電池室內運行溫度為－5度左右，6個月后所有電池容量均高于原有容量的97%。