磷酸鐵鋰電池（簡(jiǎn)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(zhǎng)、耐高溫、體積小、重量輕、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)通信、電動(dòng)汽車、國(guó)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(jiǎn)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(guò)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(guó)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(lái)說(shuō)，要求蓄電池體積更小、重量更輕、壽命更長(zhǎng)、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(guò)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(zhǎng)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(guò)程清潔無(wú)毒，所有原料都無(wú)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(guò)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(guò)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。
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(wú)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(wú)市電或三四類市電地區(qū)的太陽(yáng)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)萘俊⑷萘拷档偷臅r(shí)對(duì)機(jī)房空間及承重要求過(guò)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(lái)，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(yáng)直射，內(nèi)置的鉛酸蓄電池壽命通常不超過(guò)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(zhǎng)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(yíng)成本。
村通等無(wú)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)節(jié)省電費(fèi)有效降低運(yùn)營(yíng)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(guó)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)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。
.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(yáng)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。
深圳移動(dòng)試點(diǎn)案例-容量保持率VS時(shí)間測(cè)試情況
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(wú)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(wú)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(guò)試點(diǎn)體現(xiàn)出來(lái)，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(lái)的電費(fèi)節(jié)省的定量效果；對(duì)于室外站和無(wú)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(yíng)過(guò)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(yíng)成本的降低。
關(guān)于磷酸鐵鋰電池在調(diào)高空調(diào)啟動(dòng)溫度的宏基站中應(yīng)用的TCO預(yù)期如下，長(zhǎng)期看因鐵電池站點(diǎn)空調(diào)耗電量的節(jié)省而降低了運(yùn)營(yíng)成本，鉛酸電池與鐵電池的站點(diǎn)TCO費(fèi)用在第三年可達(dá)到平衡。其鐵電池與鉛酸電池的TCO分析情況如下圖：
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(lái)；
（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(guò)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(wú)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(guò)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。
