通信用磷酸铁锂电池的节能减排应用

李志华

（深圳市比亚迪锂电池有限公司）

1 磷酸铁锂铁电池简介

1990年，索尼公司率先在实验室推出了以Li－Co O2为正极材料的锂离子电池，并于1991年开始产业化。与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池在工作电压、能量密度、循环寿命等方面都具有显著优势，在过去的二十年间锂离子电池被广泛应用于便携电子设备、电动工具等领域。近几年，随着全球对节能减排的关注，锂离子电池也逐渐被应用于通信、国家电网以及电动汽车等多种行业。对于通信电源行业节能减排来说，要求蓄电池体积更小、重量更轻、寿命更长、更耐高温、维护更容易、性能更稳定、更环保等，通信用磷酸铁锂电池应运而生。

通信用磷酸铁锂电池与传统的铅酸蓄电池相比，具有以下优点：

（1）能量密度高：标称电压为3.2 V，能量密度是铅酸电池的4倍左右，体积小、重量轻；

（2）安全性强：磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定，电池不燃烧、不爆炸、安全性好；

（3）高温性能好：外部温度55℃时电池正常工作；

（4）高功率输出：标准放电为0.2C、可3C以上充放；

（5）长循环寿命：常温1C充放电，单体经5000次循环后容量仍大于80%；

（6）环保：整个生产过程清洁无毒，所有原料都无毒。

2 现阶段通信用磷酸铁锂电池产品形式

铅酸蓄电池组电压等级为24 V、36 V、48 V、96 V、240 V、384 V等，常用的蓄电池组容量从50－3 000 Ah不等。

现阶段磷酸铁锂电池产品形式主要有12 V、48 V模块两种类型，容量等级为10 Ah、20 Ah、50 Ah、150 Ah、200 Ah等，电池模块通过串并联，可以形成多种电压等级、多种容量的电池组，满足开关电源和UPS备电的各种需求。

目前磷酸铁锂电池产品的主要以下三种规格，以比亚迪公司部分产品为例：

（1）12 V 模块化电池

规 格 尺寸（mm）深×宽×高 重量／kg 420×105×116 7 100 Ah／12 V 50 Ah／12 V 510×104×234 14 150 Ah／12 V 510×254×158 29 543×111×210 20 200 Ah／12 V

（2）48 V模块化电池19英寸宽（又称“集成式磷酸铁锂电池组”）

规 格 尺寸（mm） 重量（kg）420×89×460 36 50 Ah／48 V

（3）240 V／336 V／384 V模块化电池组

12 V或48 V电池模块进行串联组合可以形成240 V、336 V、384 V电池组，满足 UPS交流电源系统、240 V／336 V高压直流电源系统（HVDC）的备电需求（见图1～图3）。

图1 12 V磷酸铁锂电池

图2 48 V磷酸铁锂电池

图3 384 V UPS用磷酸铁锂电池

3 通信用磷酸铁锂电池节能减排方向

通信用磷酸铁锂电池应用相比传统的铅酸蓄电池更能体现 “节能”、“节材”、“节地”等节能减排工作的需求，如何让其合理的应用于移动通信电源行业呢？

思路是：理清行业需求；分析产品优势；制定差异化的节能减排的应用方案；进行具体的数据对比分析。

3.1 通信电源行业对蓄电池的三类典型需求

（1）通信用直流开关电源系统

鉴于通信的高可靠性要求，完善的通信电源解决方案要求开关电源系统配置蓄电池。通信主设备、附属设备种类众多，开关电源应用场景也很多，总结主要有以下几种：户外型基站、村通等无空调的基站、空间紧张的室内宏基站、直流供电的室内覆盖／分布式信源站、无市电或三四类市电地区的太阳能光伏基站、直流供电方案的WLAN站点等。

（2）通信用UPS交流电源系统

UPS交流电源系统主要应用于供配电系统的交流主回路部分，通信行业应用UPS交流电源系统的场景主要如下：交流供电的室内覆盖／分布站、交流供电的微蜂窝站、嵌入式UPS供电的数据机房、交流供电方案的WLAN站点等。

（3）通 信 用240 V／336 V 高 压 直 流电源系统（HVDC）

通信用高压电源直流系统（HVDC）是目前通信机房应用的新型供电系统，其配套电池组电压等级有240 V和336 V两种，蓄电池容量通常为50 Ah～200 Ah。

3.2 磷酸铁锂电池应用于通信行业的三大优势

对于通信行业，主要关注磷酸铁锂电池的三大优势：

（1）体积小、重量轻——对于民用住宅内的站点，可节省承重加固的费用，进一步加速站点的建设，“节材”优势更加明显。

（2）高温性能优异——优异的高温性能可成倍增加户外站电池的寿命，降低维护及更换电池费用，提供系统可靠性；此外在有空调的基站中，可以尝试将空调设置为35度时启动，能有效降低基站平均电耗，“节能”优势更加明显。

（3）高功率放电——铁电池在3C以上放电依然能放出全部容量的90%以上，高功率、深度放电的优势能有效降低目前UPS备用电池的总容量、容量降低时对机房空间及承重要求过大等问题也伴随得到解决，“节地”优势更加明显。

3.3 通信用磷酸铁锂电池节能减排应用方向

比亚迪将通信行业三大典型需求与铁电池的三大产品优势有机的结合起来，行成了独特的通信用铁电池电源系统解决方案，提出了通信电源行业节能减排的几种应用方案。

（1）室外一体化铁电池电源解决方案

室外通信基站太阳直射，内置的铅酸蓄电池寿命通常不超过2年，本方案采用磷酸铁锂电池，耐高温性能优异，寿命达到5～10年。

此方案中电池的体积小，重量轻，耐高温、长使用寿命等优势在“节能”“节材”“节地”三个方面实现节能减排的目的，同时有效降低维护运营成本。

（2）空间紧张的室内宏基站电源解决方案

采用一体化开关电源配合铁电池，则可降低室内宏基站中电源及铅酸电池的占地面积，满足设备扩容的需求。同时铁电池耐高温性能优异，可以将站内空调启动温度提高到35度左右，能够降低空调的能耗，通过节省电费有效降低运营成本，在“节能”“节地”“节材”三方面达到节能减排的目的。

（3）室内覆盖／分布式站电源解决方案

原有2G网络的室内覆盖，加之3G及WLAN热点的不断新建，室内覆盖站的数量将进一步增多。由于室内覆盖站点取电一般就近选择市电，选择48 V通信电池模块或铁电池UPS进行备电则可有效解决该类问题。

（4）通信用高压直流电源系统（HVDC）供电方案

针对数据中心的供电方案，行业专家提出了通信用240 V／336 V高压直流电源系统。该系统对蓄电池的要求的特点是高电压（240 V／336 V）、短时间、大电流放电。如采用机架式磷酸铁锂电池组则可以与HVDC系统以列头柜形式并列安放，不用单独建立电池房，也可节省供电系统的占地面积，提高通信设备机架装机率。

4 通信用磷酸铁锂电池应用的节能减排案例及效益分析

自2009年起，比亚迪公司与国内运营商开始试点合作，以下是与广东移动和重庆移动试点的案例分析。

4.1 广东移动试点案例

与深圳移动自2010年4月开始试点，试点主要类型是宏基站和UPS直放站，其中比亚学校站的电池放置于站外朝南侧，处于太阳直射状态，模拟极高温度下测试容量衰减（见图4）；九州宾馆站采用72 V150 Ah铁电池与3 k VA在线式UPS配合（见图5），相关试点分别于2010年5月9月 及2011年1月3月进行四次全容量测试（见图6）。

图4 比亚学校—电池放置户外

图5 九州宾馆站—微蜂窝站（UPS）

图6 深圳移动试点案例－容量保持率VS时间测试情况

4.2 重庆移动试点案例

重庆移动试点案例如图7、图8所示。

图7 重庆移动试点案例

图8 重庆移动试点－容量保持率VS时间测试情况

4.3 通信用铁电池电源系统试点总结

（1）室内宏基站铁电池的试点效果与铅酸电池相比略有优势；室外宏基站铁电池的容量衰减比铅酸电池少15%，优势明显。

（2）铁电池与开关电源配合试点效果好于与UPS配合的微蜂窝站，分析原因是开关电源的电池管理相关参数可以调整，而UPS的电池管理默认按铅酸电池设定，没有人机界面调整。

综述，对于室外站和无空调的村通站则可以大力推广磷酸铁锂电池；对于室内基站可探索取消空调或者升温至30～35度，以节能减排。

5 通信用磷酸铁锂电池推广难点及展望

磷酸铁锂电池在移动通信行业属于新生事物，在进行试点验证新产品优势的同时必定会暴露问题，解决问题才能促进其在通信行业的广泛应用：

（1）基站中应用铁锂电池已经成熟，建议运营商大力推广；

（2）240 V（或336 V）高压直流系统中应用铁锂电池正在进行探索，如果成功将大大减少机房中电池组的占地面积，成功提高装机率，促进IDC产业发展；

（3）小场景如室内覆盖，WLAN等需进一步加强对铁锂电池UPS或铁锂电池插框电源的应用，全面优化现网质量；

（4）随着移动通信行电源的发展，磷酸铁锂电池需要预留单体电池运行数据采样的统一接口，以便于后续全面智能的电池管理方式的推广；BMS的发展方面将不是管理电池，而是全面监控电池的工作状态并与远端监控系统通信。

中国锂电领军企业——比亚迪将依托强大电池研发团队，运用高水平设计，全自动化产线，专业的方案支持，全面配合中国运营商推广并应用磷酸铁锂电池。