青藏高原基站鐵鋰電池蓄能電源測試與應(yīng)用研究

汪永壽+杜發(fā)輝+翟宇明

【摘 要】為提高基站蓄電池使用能效，通過研究新型鐵鋰電池原理，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析，并與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池在高海拔嚴(yán)寒溫度場景存在容量下降快、使用壽命短等問題相對比，驗(yàn)證了鐵鋰電池在青藏高原地區(qū)適當(dāng)場景應(yīng)用的可行性。

【關(guān)鍵詞】磷酸鐵鋰電池 高原基站 倍率放電 容量測試

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.018 中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）08-0091-06

引用格式：汪永壽，杜發(fā)輝，翟宇明. 青藏高原基站鐵鋰電池蓄能電源測試與應(yīng)用研究[J]. 移動(dòng)通信， 2017，41（8）： 91-96.

Research on Test and Application of Lithium-Iron Battery Energy Storage for the Base Station on Qinghai-Tibet Plateau

WANG Yongshou DU Fahui ZHAI Yuming

[Abstract] In order to enhance the use efficacy of base station battery， the principle of novel lithium-iron battery was investigated in this paper. Combined with the analysis of tested data， lithium-iron battery was compared with the traditional lead-acid battery in fast decrease of capacity and short use life in the conditions of high altitude and low temperature. The feasibility of the application of lithium-iron battery in the appropriate conditions on Qinghai-Tibet plateau was verified.

[Key words]lithium iron phosphate battery plateau base station high-rate discharge capacity test

1 引言

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池因?yàn)榫邆潆妷汉愣?、放電性能好和維護(hù)工作量小等優(yōu)勢，成為過去十幾年來通信基站建設(shè)儲能系統(tǒng)的首選。但是，在鐵塔公司青?，F(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，鉛酸蓄電池的預(yù)期壽命周期與實(shí)際運(yùn)行周期往往差距巨大。理論預(yù)計(jì)8年左右的壽命周期，在實(shí)際運(yùn)行3年左右可能就會損壞，在某些環(huán)境比較惡劣的地方，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間更短，這些問題會導(dǎo)致產(chǎn)生巨大成本損失。

磷酸鐵鋰電池是近幾年興起并在純電動(dòng)客車領(lǐng)域得到大范圍推廣的一種新型鋰電池，相比傳統(tǒng)鉛酸電池來說具有比能量高、使用壽命長、可100% DOD（Depth of Discharge，放電深度）放電、環(huán)保無污染等優(yōu)勢，因此在低海拔地區(qū)基站經(jīng)常能看到它們的身影。高原地區(qū)通信基站若也能使用新型鐵鋰電池的儲能系統(tǒng)，基站總體能源系統(tǒng)將提升一個(gè)檔次，同時(shí)也可創(chuàng)造極大的經(jīng)濟(jì)效益。

鐵鋰電池與鉛酸電池設(shè)備成本、購置成本、充放電特性、運(yùn)行維護(hù)、保護(hù)及壽命等方面都存在差異。雖然鐵鋰電池在性能上明顯優(yōu)于鉛酸電池，但應(yīng)用于青藏高原基站中，鐵鋰電池是否能滿足基站蓄能電源的多方面綜合要求，需要對鐵鋰電池與鉛酸電池在綜合性能上進(jìn)行實(shí)測比對研究，分析驗(yàn)證鐵鋰電池作為基站蓄能電源的可行性。

2 青藏高原基站蓄能電源性能指標(biāo)要求

目前青藏高原基站應(yīng)用的蓄能電源仍以閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池為主，電信運(yùn)營商堅(jiān)持使用鉛酸電池的主要原因是其低廉的價(jià)格優(yōu)勢，但是隨著鋰離子電池的快速發(fā)展，自動(dòng)化程度不斷提升，價(jià)格逐年下降，傳統(tǒng)鉛酸電池的優(yōu)勢不保，并且問題日漸突出。

首當(dāng)其沖的是環(huán)保問題，鉛酸電池的本質(zhì)原理就是不同價(jià)位的鉛元素相互轉(zhuǎn)化的一個(gè)交替的氧化還原反應(yīng)過程，制造生產(chǎn)過程中不可避免的會出現(xiàn)不同形式的污染。其次，隨著三大運(yùn)營商基站業(yè)務(wù)的合并，共用基站時(shí)對基站功率及后備電源的性能提出了更高的要求。最后，對于高海拔地區(qū)存在的氣壓低、溫差大、地形復(fù)雜等一系列狀況，后備電源必須具有非常高的環(huán)境適應(yīng)能力。

因此，高原環(huán)境下對基站后備電源提出了新的要求：綠色環(huán)保，對環(huán)境友好；體積比能量大，放電倍率高以及循環(huán)壽命長；高低溫、低氣壓適應(yīng)能力好；支持遠(yuǎn)程后臺統(tǒng)一監(jiān)控。

鐵鋰電池是一種正極材料為磷酸鐵鋰的環(huán)保蓄電池，起步雖晚但發(fā)展迅速，現(xiàn)如今在廣深江浙滬等經(jīng)濟(jì)較好的地區(qū)，經(jīng)常能看到鐵鋰電池作為后備電源應(yīng)用在各種類型的通信基站中，但目前青藏地區(qū)對鐵鋰電池應(yīng)用較少，能否在高海拔超低溫情況下做到穩(wěn)定備電有待驗(yàn)證。

3 磷酸鐵鋰離子電池

3.1 充放電機(jī)理模型電極反應(yīng)如下：

正極：

LiFePO4←→Li1-xFePO4+xLi++xe-

負(fù)極：

6C+xLi++xe-←→LixC6

總的反應(yīng)式：

6C+LiFePO4←→Li1-xFePO4+LixC6

磷酸鐵鋰電池體系的工作原理：當(dāng)對磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，電池正極活性物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)上生成鋰離子和自由電子，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，而自由電子則通過負(fù)載回路遷移到電池的負(fù)極形成電流。作為負(fù)極的疏松多孔活性炭做為鋰離子的載體與之結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)，結(jié)合的鋰離子越多，充入的電池容量越大。同理，在對電池進(jìn)行放電時(shí)，鑲嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，發(fā)生氧化反應(yīng)，鋰離子通過電解液又遷移回正極，生成的電子通過外部回路運(yùn)動(dòng)到正極。在磷酸鐵鋰電池的充放電過程中，鋰離子在正負(fù)極液相之間來回運(yùn)動(dòng)，而自由電子則在外部回路（導(dǎo)線）上來回遷移。

3.2 充放電特性

對鋰電池的特性研究主要以磷酸鐵鋰電池開展分析，磷酸鐵鋰電池在最近幾年的深入研究中發(fā)現(xiàn)了其獨(dú)有特性：安全性普遍高于其它種類的電池、熱穩(wěn)定性較高且具有抗高溫性。此外，對環(huán)境友好，不會造成二次污染，本體不具備對人體造成傷害的重金屬元素，是真正放心的無公害綠色材料，故磷酸鐵鋰電池往往成為現(xiàn)如今通信基站建設(shè)的備選之一。

電池中的鋰離子從電池正極流向負(fù)極，導(dǎo)致電池電壓的上升?？梢钥吹?，磷酸鐵鋰電池能量轉(zhuǎn)化效率高，0.8 C電流充電可以充入標(biāo)稱容量的96%，充電時(shí)間僅需1小時(shí)15分鐘。放電特性圖中，鐵鋰電池的放電特性和它們的放電倍率有關(guān)，放電電流越小，放電容量越大；放電電流越大，放電容量越小；不管是何種倍率下的放電，其過程中的電壓基本不會發(fā)生較大的波動(dòng)，比較穩(wěn)定。故鐵鋰電池蓄能作為中小型通信基站的蓄能電池可以得到很好的體現(xiàn)。

4 鐵鋰電池蓄能優(yōu)劣對比及測試

4.1 特征參數(shù)對比

通信基站的建設(shè)方案中，鐵鋰電池蓄能能否勝出鉛酸蓄能，關(guān)鍵在于鐵鋰電池是否具有絕對性的性能優(yōu)勢。為此，筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)和海量數(shù)據(jù)，對兩種蓄能電池進(jìn)行了全面對比分析。

通過表1特征參數(shù)表明，鉛酸蓄能電池具備的優(yōu)勢是：價(jià)格低廉、安全性較好以及單體容量大；鐵鋰電池具備的優(yōu)勢是：放電溫寬廣、體積比能量和重量比能量較高、使用周期較長和充放電效率高等特點(diǎn)。

4.2 BMS對比

傳統(tǒng)鉛酸電池和新型鐵鋰電池的電池能量管理系統(tǒng)（BMS）比較分析

4.3 保護(hù)功能對比

鉛酸蓄電池與鐵鋰電池的保護(hù)性能對比分析如表3所示。

4.4 青藏高原基站鐵鋰電池運(yùn)行測試分析研究

為了測試高原基站場景對磷酸鐵鋰電池的影響，分別對在運(yùn)行5年后的黃南藏族自治州同仁縣基站與剛新建的果洛藏族自治州瑪沁縣基站進(jìn)行驗(yàn)證測試。通過在高海拔地區(qū)不同海拔、溫度、氣候情況下對鐵鋰電池進(jìn)行全程監(jiān)測，對比放電容量及曲線來說明鐵鋰電池的可靠性。

基站1測試條件如下：

青海黃南州同仁終端站，2011年12月9日安裝（至今正常運(yùn)行5年）；

配置及安裝方式：300 Ah，6只4850鐵鋰電池集成式安裝；

測試環(huán)境：海拔2600 m；室內(nèi)溫度22 ℃（空調(diào)環(huán)境）。

驗(yàn)證方式：切斷市電，移除通信設(shè)備，使用2500 W的負(fù)載進(jìn)行放電，使用上位機(jī)軟件監(jiān)控測試過程中的放電情況。

從基站1的測試數(shù)據(jù)中不難看出，在青海高海拔地區(qū)運(yùn)行5年后的鐵鋰電池放出的容量為其額定容量的95.3%，容量衰減率不到5%。

基站2測試條件如下：

青海果洛州瑪沁終端站，2016年11月2日安裝（新建站）；

配置及安裝方式：300 Ah，3只48100鐵鋰電池分立式安裝；

測試環(huán)境：海拔3400 m；室內(nèi)溫度0 ℃（無空調(diào)）；

測試方法：切斷市電，移除通信設(shè)備，使用2500 W的負(fù)載進(jìn)行放電，使用上位機(jī)軟件監(jiān)控測試過程中的放電情況，數(shù)據(jù)參見表5和圖5所示。

基站2中鐵鋰電池放出的容量為額定容量的93%，低溫環(huán)境下（0 ℃）容量保存率為93%。

上述兩個(gè)實(shí)測分別從鐵鋰電池的循環(huán)壽命及低溫性能進(jìn)了環(huán)閉獨(dú)立測試，從測試結(jié)果不難看出鐵鋰電池這兩方面的性能比之鉛酸電池要好很多，并且得益于鐵鋰電池電芯為高自動(dòng)化程度的產(chǎn)物，在高海拔低氣壓運(yùn)行條件下，不會出現(xiàn)類似于鉛酸電池因?yàn)閮?nèi)外部壓差而引起的鼓脹現(xiàn)象。

5 結(jié)論

青藏高原基站復(fù)雜的環(huán)境條件，導(dǎo)致對基站后備電源的技術(shù)要求大大提高，本文從磷酸鐵鋰電池的工作原理著手，研究了此類鋰離子電池的充放電模型，從電化學(xué)特性及保護(hù)功能兩個(gè)層面對鉛酸蓄電池與磷酸鐵鋰電池進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)橫向?qū)Ρ?，深刻地反?yīng)出磷酸鐵鋰電池作為基站后備電源的顯著優(yōu)勢。

通過對青藏高原兩個(gè)典型站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測后，不難看出鐵鋰電池優(yōu)秀的放電倍率、低溫性能及高海拔適應(yīng)性恰當(dāng)?shù)胤狭嗽摰貐^(qū)的要求，可以確切地說，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)具備了替代鉛酸電池應(yīng)用在青藏高原大部分地域作為后備電源的優(yōu)異條件。當(dāng)然，目前由于磷酸鐵鋰電池本身材料體系的局限性，在超低溫（低于-20 ℃的條件下）室外無空調(diào)環(huán)境并不能完全替換。隨著鐵塔公司的成立，單個(gè)基站內(nèi)通信設(shè)備及負(fù)載電流成倍增加，在有限的安裝面積內(nèi)配置更多的通信設(shè)備、獲得更高效的備電能力是大勢所趨，也是今后更多基站從業(yè)者探索驗(yàn)證的方向。

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