磷酸鐵鋰電池的節(jié)能減排應用

磷酸鐵鋰電池(簡稱：鐵鋰電池、鐵電池，本文稱“鐵電池”)，是一種正極材料為磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)的新型蓄電池，由于鐵電池具有循環(huán)壽命長、耐高溫、體積小、重量輕、無污染等優(yōu)點，移動通信、電動汽車、國家電網等行業(yè)都在對其進行研究和使用。其中通信行業(yè)在各研究院所技術專家的初步論證下建立了多種鐵電池的試驗站點，探究鐵電池的節(jié)能減排效益。

本文將結合現(xiàn)有應用案例，擬對通信用磷酸鐵鋰電池的節(jié)能減排應用方向、困難以及前景進行探討分析，以起到拋磚引玉的作用，吸引更多的行業(yè)專家對此類新型蓄電池予以關注和研究。

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LiCoO2為正極材料的鋰離子電池，并于1991年開始產業(yè)化生產。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。所以，在過去的二十年間鋰離子電池被廣泛應用于便攜電子設備、電動工具等領域。而近幾年，隨著全球對節(jié)能減排的關注，鋰離子電池也逐漸被應用于通信、國家電網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，因此為了順應這些需求，鋰離子電池也正逐漸向大容量電池方向轉變，通信用磷酸鐵鋰電池應運而生。

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：標稱電壓為3.2V，能量密度是鉛酸電池的4倍左右，體積小、重量輕;

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

高溫性能好：外部溫度55℃時電池正常工作;

高功率輸出：標準放電為0.2C、可3C充放;

長循環(huán)壽命：常溫1C充放電，單體經2000次循環(huán)后容量仍大于80%;

環(huán)保：整個生產過程清潔無毒，所有原料都無毒。

通信用磷酸鐵鋰電池應用相比傳統(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。

現(xiàn)階段通信用磷酸鐵鋰電池產品形式

通信行業(yè)用蓄電池常用的電壓等級有2V 和12V，與直流開關電源系統(tǒng)配套使用的蓄電池組電壓等級為24V、48V，與UPS交流電源系統(tǒng)配套使用的蓄電池組電壓等級為24V、36V、48V、96V、240V、384V等。常用的蓄電池組容量等級從25Ah、65Ah、100Ah、150Ah、200Ah、500Ah、1000Ah不等。

為滿足通信行業(yè)需求，磷酸鐵鋰電池產品形式主要有12V、48V模塊兩種類型，容量等級為10Ah、20Ah、50Ah、150Ah、200Ah等，電池模組通過串并聯(lián)，可以行成多種電壓等級、多種容量的電池組，滿足開關電源和UPS備電的各種需求

目前磷酸鐵鋰電池產品的主要以下三種規(guī)格：

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

通信用磷酸鐵鋰電池節(jié)能減排方向

現(xiàn)階段的磷酸鐵鋰電池產品類型相對比較豐富了，如何讓其合理的應用于移動通信電源行業(yè)呢?

思路是：首先是理清行業(yè)需求，其次是分析產品優(yōu)勢，再次是制定差異化的節(jié)能減排的應用方案，最后再進行具體的數(shù)據(jù)對比分析。

通信電源行業(yè)對蓄電池的三類典型需求#e#3.1通信電源行業(yè)對蓄電池的三類典型需求

通信用直流開關電源系統(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電源系統(tǒng)配置蓄電池。通信主設備、附屬設備種類眾多，開關電源應用場景也很多，總結主要有以下幾種：

(a)戶外型基站;

(b)村通等無空調的基站;

(c)空間緊張的室內宏基站;

(d)直流供電的室內覆蓋/分布式信源站;

(e)無市電或三四類市電地區(qū)的太陽能光伏基站;

(f)直流供電方案的WLAN站點等。

通信用UPS交流電源系統(tǒng)

UPS交流電源系統(tǒng)主要應用于供配電系統(tǒng)的交流主回路部分，通信行業(yè)應用UPS交流電源系統(tǒng)的場景主要如下：

(a) 交流供電的室內覆蓋/分布站;

(b)交流供電的微蜂窩站;

(c)嵌入式UPS供電的數(shù)據(jù)機房;

(d)交流供電方案的WLAN站點等。

通信用240V/336V高壓直流電源系統(tǒng)(HVDC)

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

3.2 磷酸鐵鋰電池應用于通信行業(yè)的三大應用優(yōu)勢

對于通信行業(yè)，主要關注磷酸鐵鋰電池的三大優(yōu)勢，從“節(jié)能”、“節(jié)地”、“節(jié)材”的角度體現(xiàn)節(jié)能減排。

體積小、重量輕

對于民用住宅內的站點，可節(jié)省承重加固的費用，進一步加速站點的建設， “節(jié)材”優(yōu)勢更加明顯。

高溫性能優(yōu)異

優(yōu)異的耐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;此外在有空調的基站中，可以嘗試將空調設置為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。

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備用電池的總容量、容量降低的時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品優(yōu)勢有機的結合起來，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)能減排的幾種應用方案。

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。

村通等無空調的基站電源解決方案

村通工程的基站都設在偏遠的農村，規(guī)模小、配置小，基本上都沒有空調，而且停電頻繁，鉛酸電池在惡劣環(huán)境下工作的壽命短、更換頻繁、偏遠農村的維護成本高。改用鐵電池，則高溫性能好、可深度充放電，循環(huán)壽命長，體積小、重量輕，安裝輕便，可以在“節(jié)能”“節(jié)地”“節(jié)材”三方面達到節(jié)能減排的目的，同時還能改善網絡供電質量。

空間緊張的室內宏基站電源解決方案

室內宏基站數(shù)量多，覆蓋廣，要求供電可靠，所以一般都有兩組電池備電。站內鉛酸電池占地面積大、重量過重，當話務量增多而引起擴容需求時站內空間制約了新增設備的可能。

如果采用一體化開關電源配合鐵電池，則可降低機房中電源及電池的占地面積，滿足設備擴容的需求。同時鐵電池耐高溫性能優(yōu)異，可以將站內空調啟動溫度提高到35度左右，能夠降低空調的能耗，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。

室內覆蓋/分布式站電源解決方案

原有2G網絡的室內覆蓋，加之3G及WLAN熱點的不斷新建，室內覆蓋站的數(shù)量將進一步增多。由于室內覆蓋站點取電一般就近選擇市電，選擇48V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。

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240V/336V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(240V/336V)、短時間、大電流放電。如采用機架式磷酸鐵鋰電池組則有以下優(yōu)勢：

重量輕，節(jié)省機房加固成本;

體積小，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，提高通信設備機架裝機率;

鐵電池可高倍率放電，降低蓄電池配置的容量;

鐵電池放電平臺穩(wěn)定,在電池供電模式下穩(wěn)定的輸入電壓避免設備因輸入電壓的大范圍波動而引起異常。

嵌入式UPS交流電源系統(tǒng)供電方案

對于中小型數(shù)據(jù)中心，歐美的發(fā)達國家還有一種嵌入式UPS分布式供電方案，即用小功率UPS與網絡柜配合以機柜為單位為服務器供電。選擇鐵電池UPS有以下優(yōu)勢：

重量輕，節(jié)省機房加固成本;

體積小，3KVA鐵電池機UPS僅占網絡柜2U空間，提高服務器裝機率;

電池長壽命，主機與電池壽命幾乎相同，降低電池更換成本;

安全性好，鐵電池不起火、不爆炸，滿足IDC機房高安全性的要求通信用磷酸鐵鋰電池應用的節(jié)能減排案例及效益分析

自2009年起，比亞迪公司與國內運營商開始試點合作，以下是與廣東移動首批試點案例分析。

4.1 深圳移動試點案例

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，其中比亞學校站的電池放置于站外朝南側，處于太陽直射狀態(tài)，模擬極高溫度下測試容量衰減;九州賓館站采用72V150AH鐵電池與3KVA 在線式UPS配合，相關試點分別于2010年5月 9月 及2011年1月 3月進行四次全容量測試。

4.2 惠州移動村通站試點案例

與惠州移動的試點合作主要以村通基站為主，其中下涇站位于惠州博羅縣境內一座小山上，站內無空調，夏季站內溫度最高達45度左右。原有鉛酸電池幾乎3-6個月更換一次。該站配置48V200AH鐵電池，試點于2010年1月建成，分別于2010年1月、5月、9月及2011年1月進行了4次全容量測試。

4.3通信用鐵電池電源系統(tǒng)試點總結

(1)室內宏基站鐵電池的試點效果與鉛酸電池相比一年期衰減優(yōu)勢不明顯;

(2)無空調的站點中鐵電池的衰減與有空調的站點相比衰減相同，宏站中恒溫措施對電池衰減的延緩作用不大;

(3)鐵電池試點前半年的衰減較快，后半年的衰減趨勢變緩;

(4)盡管站內配置有空調，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，宏基站內的溫度基本為28～30度，鉛酸電池衰減較快;

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

綜上所述，鐵電池優(yōu)異的高溫性能通過試點體現(xiàn)出來，對于宏基站調高站內空調啟動溫度以節(jié)省空調能耗的辦法基本可行，可進一步探索升溫后帶來的電費節(jié)省的定量效果;對于室外站和無空調的村通站則可以大力推廣磷酸鐵鋰電池。

4.4 下一步鐵電池宏基站試點的探索方案

宏基站中一般配置1-2臺空調以調節(jié)站內溫度，如果采用磷酸鐵鋰電池，則對于容量不大的站點，完全可取消空調的配置，節(jié)省初始成本投資及后續(xù)運營過程中的每月電費。對于容量較大，很重要的站點，可以減少空調數(shù)量或降低空調的功率，配合調高空調的啟動溫度，以達到初始投資成本及運營成本的降低。

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品優(yōu)勢的同時也發(fā)現(xiàn)了部分問題，如果不得到有效解決勢必會影響該新型蓄電池在通信行業(yè)的應用。

(1)磷酸鐵鋰電池廠家需要進一步優(yōu)化產品結構設計，以閥控式前端子電池尺寸為參考方向，將磷酸鐵鋰電池體積小的優(yōu)勢全面體現(xiàn)出來;

(2)磷酸鐵鋰電池單體容量有限，廠家推出的產品多為12V模塊，內置4個(或以上)單體電池，某單體損壞則需更換整個12V模塊，維護成本過高;

(3)隨著移動通信行電源的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池需要預留單體電池運行數(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;

(4)磷酸鐵鋰電池的管理參數(shù)需要標準化，在開關電源上應用目前可以無縫替換，但在UPS上則需UPS廠家增加人機界面把電池管理參數(shù)設置為可調、充電方式進行調整、硬件上預留與電池通信的相關接口;

(5)對于搭配BMS使用的磷酸鐵鋰電池，因BMS對電池的過充保護斷開電路是瞬時性的，要求開關電源廠家設計的均衡模塊能夠耐受大電流波動的沖擊

總之，現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的應用得到了廣泛的重視，通信用磷酸鐵鋰電池通信行業(yè)標準的編寫工作，目前已經在報批稿階段，在各行業(yè)中走在最前列。本文僅結合現(xiàn)有應用案例，分析討論了通信用磷酸鐵鋰電池的節(jié)能減排應用的初步成果及問題，以起到拋磚引玉的作用，吸引更多的電源廠家及行業(yè)專家對此類新型蓄電池予以關注和研究。