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(diǎn),,移動(dòng)通信、電動(dòng)汽車,、國家電網(wǎng)等行業(yè)都在對(duì)其進(jìn)行研究和使用,。其中通信行業(yè)在各研究院所技術(shù)專家的初步論證下建立了多種鐵電池的試驗(yàn)站點(diǎn),探究鐵電池的節(jié)能減排效益,。
本文將結(jié)合現(xiàn)有應(yīng)用案例,,擬對(duì)通信用磷酸鐵鋰電池的節(jié)能減排應(yīng)用方向、困難以及前景進(jìn)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(duì)此類新型蓄電池予以關(guān)注和研究。
磷酸鐵鋰鐵電池簡介
1990年,,索尼公司率先在實(shí)驗(yàn)室推出了以LiCoO2為正極材料的鋰離子電池,,并于1991年開始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。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(shì),。所以,,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(dòng)工具等領(lǐng)域,。而近幾年,,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(dòng)汽車等多種行業(yè),。對(duì)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(hù)更容易,、性能更穩(wěn)定、更環(huán)保等,,因此為了順應(yīng)這些需求,,鋰離子電池也正逐漸向大容量電池方向轉(zhuǎn)變,通信用磷酸鐵鋰電池應(yīng)運(yùn)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(diǎn):
(1) 能量密度高:標(biāo)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(qiáng):磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學(xué)性能,,充放電平臺(tái)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;
高溫性能好:外部溫度55℃時(shí)電池正常工作;
高功率輸出:標(biāo)準(zhǔn)放電為0.2C,、可3C充放;
長循環(huán)壽命:常溫1C充放電,,單體經(jīng)2000次循環(huán)后容量仍大于80%;
環(huán)保:整個(gè)生產(chǎn)過程清潔無毒,所有原料都無毒,。
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,。
現(xiàn)階段通信用磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品形式
通信行業(yè)用蓄電池常用的電壓等級(jí)有2V 和12V,,與直流開關(guān)電源系統(tǒng)配套使用的蓄電池組電壓等級(jí)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(jí)為24V、36V,、48V,、96V、240V,、384V等,。常用的蓄電池組容量等級(jí)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(chǎn)品形式主要有12V,、48V模塊兩種類型,容量等級(jí)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(jí)、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:
通過將12V或48V電池模塊進(jìn)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(chǎn)品類型相對(duì)比較豐富了,,如何讓其合理的應(yīng)用于移動(dòng)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(chǎn)品優(yōu)勢(shì),,再次是制定差異化的節(jié)能減排的應(yīng)用方案,,最后再進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)對(duì)比分析。
通信電源行業(yè)對(duì)蓄電池的三類典型需求#e#3.1通信電源行業(yè)對(duì)蓄電池的三類典型需求
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(chǎng)景也很多,,總結(jié)主要有以下幾種:
(a)戶外型基站;
(b)村通等無空調(diào)的基站;
(c)空間緊張的室內(nèi)宏基站;
(d)直流供電的室內(nèi)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(diǎn)等。
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(chǎng)景主要如下:
(a) 交流供電的室內(nèi)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(jī)房;
(d)交流供電方案的WLAN站點(diǎn)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(jī)房應(yīng)用的新型供電系統(tǒng),其配套電池組電壓等級(jí)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(yīng)用于通信行業(yè)的三大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
對(duì)于通信行業(yè),主要關(guān)注磷酸鐵鋰電池的三大優(yōu)勢(shì),,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(duì)于民用住宅內(nèi)的站點(diǎn),可節(jié)省承重加固的費(fèi)用,,進(jìn)一步加速站點(diǎn)的建設(shè),, “節(jié)材”優(yōu)勢(shì)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(hù)及更換電池費(fèi)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(shí)啟動(dòng),,能有效降低基站平均電耗,,“節(jié)能”優(yōu)勢(shì)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(shì)能有效降低目前UPS備用電池的總?cè)萘?、容量降低的時(shí)對(duì)機(jī)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(shì)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(shì)有機(jī)的結(jié)合起來,,行成了獨(dú)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,。
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(dá)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(shì)在“節(jié)能”“節(jié)材”“節(jié)地”三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的,,同時(shí)有效降低維護(hù)運(yùn)營成本,。
村通等無空調(diào)的基站電源解決方案
村通工程的基站都設(shè)在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村,規(guī)模小,、配置小,,基本上都沒有空調(diào),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(yuǎn)農(nóng)村的維護(hù)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(dá)到節(jié)能減排的目的,,同時(shí)還能改善網(wǎng)絡(luò)供電質(zhì)量,。
空間緊張的室內(nèi)宏基站電源解決方案
室內(nèi)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(nèi)鉛酸電池占地面積大、重量過重,,當(dāng)話務(wù)量增多而引起擴(kuò)容需求時(shí)站內(nèi)空間制約了新增設(shè)備的可能,。
如果采用一體化開關(guān)電源配合鐵電池,則可降低機(jī)房中電源及電池的占地面積,,滿足設(shè)備擴(kuò)容的需求,。同時(shí)鐵電池耐高溫性能優(yōu)異,可以將站內(nèi)空調(diào)啟動(dòng)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(fèi)有效降低運(yùn)營成本,在“節(jié)能”“節(jié)地”“節(jié)材”三方面達(dá)到節(jié)能減排的目的,。
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(diǎn)的不斷新建,室內(nèi)覆蓋站的數(shù)量將進(jìn)一步增多,。由于室內(nèi)覆蓋站點(diǎn)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(jìn)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(duì)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(duì)蓄電池的要求的特點(diǎn)是高電壓(240V/336V)、短時(shí)間,、大電流放電,。如采用機(jī)架式磷酸鐵鋰電池組則有以下優(yōu)勢(shì):
重量輕,節(jié)省機(jī)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(dú)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(jī)架裝機(jī)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(tái)穩(wěn)定,在電池供電模式下穩(wěn)定的輸入電壓避免設(shè)備因輸入電壓的大范圍波動(dòng)而引起異常。
嵌入式UPS交流電源系統(tǒng)供電方案
對(duì)于中小型數(shù)據(jù)中心,,歐美的發(fā)達(dá)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(wǎng)絡(luò)柜配合以機(jī)柜為單位為服務(wù)器供電。選擇鐵電池UPS有以下優(yōu)勢(shì):
重量輕,,節(jié)省機(jī)房加固成本;
體積小,,3KVA鐵電池機(jī)UPS僅占網(wǎng)絡(luò)柜2U空間,提高服務(wù)器裝機(jī)率;
電池長壽命,,主機(jī)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(jī)房高安全性的要求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(yùn)營商開始試點(diǎn)合作,以下是與廣東移動(dòng)首批試點(diǎn)案例分析,。
4.1 深圳移動(dòng)試點(diǎn)案例
與深圳移動(dòng)自2010年4月開始試點(diǎn),,試點(diǎn)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(cè)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(guān)試點(diǎn)分別于2010年5月 9月 及2011年1月 3月進(jìn)行四次全容量測(cè)試,。
4.2 惠州移動(dòng)村通站試點(diǎn)案例
與惠州移動(dòng)的試點(diǎn)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(nèi)一座小山上,站內(nèi)無空調(diào),,夏季站內(nèi)溫度最高達(dá)45度左右,。原有鉛酸電池幾乎3-6個(gè)月更換一次。該站配置48V200AH鐵電池,,試點(diǎn)于2010年1月建成,,分別于2010年1月、5月,、9月及2011年1月進(jìn)行了4次全容量測(cè)試,。
4.3通信用鐵電池電源系統(tǒng)試點(diǎn)總結(jié)
(1)室內(nèi)宏基站鐵電池的試點(diǎn)效果與鉛酸電池相比一年期衰減優(yōu)勢(shì)不明顯;
(2)無空調(diào)的站點(diǎn)中鐵電池的衰減與有空調(diào)的站點(diǎn)相比衰減相同,宏站中恒溫措施對(duì)電池衰減的延緩作用不大;
(3)鐵電池試點(diǎn)前半年的衰減較快,,后半年的衰減趨勢(shì)變緩;
(4)盡管站內(nèi)配置有空調(diào),,根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,宏基站內(nèi)的溫度基本為28~30度,,鉛酸電池衰減較快;
(5)鐵電池與開關(guān)電源配合試點(diǎn)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(rèn)按鉛酸電池設(shè)定,,沒有人機(jī)界面調(diào)整,。
綜上所述,鐵電池優(yōu)異的高溫性能通過試點(diǎn)體現(xiàn)出來,,對(duì)于宏基站調(diào)高站內(nèi)空調(diào)啟動(dòng)溫度以節(jié)省空調(diào)能耗的辦法基本可行,可進(jìn)一步探索升溫后帶來的電費(fèi)節(jié)省的定量效果;對(duì)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,。
4.4 下一步鐵電池宏基站試點(diǎn)的探索方案
宏基站中一般配置1-2臺(tái)空調(diào)以調(diào)節(jié)站內(nèi)溫度,,如果采用磷酸鐵鋰電池,則對(duì)于容量不大的站點(diǎn),,完全可取消空調(diào)的配置,,節(jié)省初始成本投資及后續(xù)運(yùn)營過程中的每月電費(fèi)。對(duì)于容量較大,,很重要的站點(diǎn),,可以減少空調(diào)數(shù)量或降低空調(diào)的功率,,配合調(diào)高空調(diào)的啟動(dòng)溫度,以達(dá)到初始投資成本及運(yùn)營成本的降低,。
通信用磷酸鐵鋰電池推廣難點(diǎn)及展望
磷酸鐵鋰電池在移動(dòng)通信行業(yè)屬于新生事物,,在進(jìn)行試點(diǎn)驗(yàn)證新產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了部分問題,如果不得到有效解決勢(shì)必會(huì)影響該新型蓄電池在通信行業(yè)的應(yīng)用,。
(1)磷酸鐵鋰電池廠家需要進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,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(shì)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(chǎn)品多為12V模塊,,內(nèi)置4個(gè)(或以上)單體電池,某單體損壞則需更換整個(gè)12V模塊,,維護(hù)成本過高;
(3)隨著移動(dòng)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化,,在開關(guān)電源上應(yīng)用目前可以無縫替換,,但在UPS上則需UPS廠家增加人機(jī)界面把電池管理參數(shù)設(shè)置為可調(diào)、充電方式進(jìn)行調(diào)整,、硬件上預(yù)留與電池通信的相關(guān)接口;
(5)對(duì)于搭配BMS使用的磷酸鐵鋰電池,,因BMS對(duì)電池的過充保護(hù)斷開電路是瞬時(shí)性的,要求開關(guān)電源廠家設(shè)計(jì)的均衡模塊能夠耐受大電流波動(dòng)的沖擊
總之,,現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的應(yīng)用得到了廣泛的重視,,通信用磷酸鐵鋰電池通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編寫工作,目前已經(jīng)在報(bào)批稿階段,,在各行業(yè)中走在最前列,。本文僅結(jié)合現(xiàn)有應(yīng)用案例,分析討論了通信用磷酸鐵鋰電池的節(jié)能減排應(yīng)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(duì)此類新型蓄電池予以關(guān)注和研究。