青藏高原基站铁锂电池蓄能电源测试与应用研究

汪永寿+杜发辉+翟宇明

【摘 要】为提高基站蓄电池使用能效，通过研究新型铁锂电池原理，结合实测数据分析，并与传统铅酸蓄电池在高海拔严寒温度场景存在容量下降快、使用寿命短等问题相对比，验证了铁锂电池在青藏高原地区适当场景应用的可行性。

【关键词】磷酸铁锂电池 高原基站 倍率放电 容量测试

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.018 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）08-0091-06

引用格式：汪永寿，杜发辉，翟宇明. 青藏高原基站铁锂电池蓄能电源测试与应用研究[J]. 移动通信， 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

传统铅酸蓄电池因为具备电压恒定、放电性能好和维护工作量小等优势，成为过去十几年来通信基站建设储能系统的首选。但是，在铁塔公司青海现场的实际运行中发现，铅酸蓄电池的预期寿命周期与实际运行周期往往差距巨大。理论预计8年左右的寿命周期，在实际运行3年左右可能就会损坏，在某些环境比较恶劣的地方，实际运行时间更短，这些问题会导致产生巨大成本损失。

磷酸铁锂电池是近几年兴起并在纯电动客车领域得到大范围推广的一种新型锂电池，相比传统铅酸电池来说具有比能量高、使用寿命长、可100% DOD（Depth of Discharge，放电深度）放电、环保无污染等优势，因此在低海拔地区基站经常能看到它们的身影。高原地区通信基站若也能使用新型铁锂电池的储能系统，基站总体能源系统将提升一个档次，同时也可创造极大的经济效益。

铁锂电池与铅酸电池设备成本、购置成本、充放电特性、运行维护、保护及寿命等方面都存在差异。虽然铁锂电池在性能上明显优于铅酸电池，但应用于青藏高原基站中，铁锂电池是否能满足基站蓄能电源的多方面综合要求，需要对铁锂电池与铅酸电池在综合性能上进行实测比对研究，分析验证铁锂电池作为基站蓄能电源的可行性。

2 青藏高原基站蓄能电源性能指标要求

目前青藏高原基站应用的蓄能电源仍以阀控式免维护铅酸蓄电池为主，电信运营商坚持使用铅酸电池的主要原因是其低廉的价格优势，但是随着锂离子电池的快速发展，自动化程度不断提升，价格逐年下降，传统铅酸电池的优势不保，并且问题日渐突出。

首当其冲的是环保问题，铅酸电池的本质原理就是不同价位的铅元素相互转化的一个交替的氧化还原反应过程，制造生产过程中不可避免的会出现不同形式的污染。其次，随着三大运营商基站业务的合并，共用基站时对基站功率及后备电源的性能提出了更高的要求。最后，对于高海拔地区存在的气压低、温差大、地形复杂等一系列状况，后备电源必须具有非常高的环境适应能力。

因此，高原环境下对基站后备电源提出了新的要求：绿色环保，对环境友好；体积比能量大，放电倍率高以及循环寿命长；高低温、低气压适应能力好；支持远程后台统一监控。

铁锂电池是一种正极材料为磷酸铁锂的环保蓄电池，起步虽晚但发展迅速，现如今在广深江浙沪等经济较好的地区，经常能看到铁锂电池作为后备电源应用在各种类型的通信基站中，但目前青藏地区对铁锂电池应用较少，能否在高海拔超低温情况下做到稳定备电有待验证。

3 磷酸铁锂离子电池

3.1 充放电机理模型电极反应如下：

正极：

LiFePO4←→Li1-xFePO4+xLi++xe-

负极：

6C+xLi++xe-←→LixC6

总的反應式：

6C+LiFePO4←→Li1-xFePO4+LixC6

磷酸铁锂电池体系的工作原理：当对磷酸铁锂电池进行充电时，电池正极活性物质发生氧化反应上生成锂离子和自由电子，生成的锂离子经过电解液运动到负极，而自由电子则通过负载回路迁移到电池的负极形成电流。作为负极的疏松多孔活性炭做为锂离子的载体与之结合，发生还原反应，结合的锂离子越多，充入的电池容量越大。同理，在对电池进行放电时，镶嵌在负极碳层中的锂离子脱出，发生氧化反应，锂离子通过电解液又迁移回正极，生成的电子通过外部回路运动到正极。在磷酸铁锂电池的充放电过程中，锂离子在正负极液相之间来回运动，而自由电子则在外部回路（导线）上来回迁移。

3.2 充放电特性

对锂电池的特性研究主要以磷酸铁锂电池开展分析，磷酸铁锂电池在最近几年的深入研究中发现了其独有特性：安全性普遍高于其它种类的电池、热稳定性较高且具有抗高温性。此外，对环境友好，不会造成二次污染，本体不具备对人体造成伤害的重金属元素，是真正放心的无公害绿色材料，故磷酸铁锂电池往往成为现如今通信基站建设的备选之一。

电池中的锂离子从电池正极流向负极，导致电池电压的上升。可以看到，磷酸铁锂电池能量转化效率高，0.8 C电流充电可以充入标称容量的96%，充电时间仅需1小时15分钟。放电特性图中，铁锂电池的放电特性和它们的放电倍率有关，放电电流越小，放电容量越大；放电电流越大，放电容量越小；不管是何种倍率下的放电，其过程中的电压基本不会发生较大的波动，比较稳定。故铁锂电池蓄能作为中小型通信基站的蓄能电池可以得到很好的体现。

4 铁锂电池蓄能优劣对比及测试

4.1 特征参数对比

通信基站的建设方案中，铁锂电池蓄能能否胜出铅酸蓄能，关键在于铁锂电池是否具有绝对性的性能优势。为此，笔者根据多年工作经验和海量数据，对两种蓄能电池进行了全面对比分析。

通过表1特征参数表明，铅酸蓄能电池具备的优势是：价格低廉、安全性较好以及单体容量大；铁锂电池具备的优势是：放电温宽广、体积比能量和重量比能量较高、使用周期较长和充放电效率高等特点。

4.2 BMS对比

传统铅酸电池和新型铁锂电池的电池能量管理系统（BMS）比较分析

4.3 保护功能对比

铅酸蓄电池与铁锂电池的保护性能对比分析如表3所示。

4.4 青藏高原基站铁锂电池运行测试分析研究

为了测试高原基站场景对磷酸铁锂电池的影响，分别对在运行5年后的黄南藏族自治州同仁县基站与刚新建的果洛藏族自治州玛沁县基站进行验证测试。通过在高海拔地区不同海拔、温度、气候情况下对铁锂电池进行全程监测，对比放电容量及曲线来说明铁锂电池的可靠性。

基站1测试条件如下：

青海黄南州同仁终端站，2011年12月9日安装（至今正常运行5年）；

配置及安装方式：300 Ah，6只4850铁锂电池集成式安装；

测试环境：海拔2600 m；室内温度22 ℃（空调环境）。

验证方式：切断市电，移除通信设备，使用2500 W的负载进行放电，使用上位机软件监控测试过程中的放电情况。

从基站1的测试数据中不难看出，在青海高海拔地区运行5年后的铁锂电池放出的容量为其额定容量的95.3%，容量衰减率不到5%。

基站2测试条件如下：

青海果洛州玛沁终端站，2016年11月2日安装（新建站）；

配置及安装方式：300 Ah，3只48100铁锂电池分立式安装；

测试环境：海拔3400 m；室内温度0 ℃（无空调）；

测试方法：切断市电，移除通信设备，使用2500 W的负载进行放电，使用上位机软件监控测试过程中的放电情況，数据参见表5和图5所示。

基站2中铁锂电池放出的容量为额定容量的93%，低温环境下（0 ℃）容量保存率为93%。

上述两个实测分别从铁锂电池的循环寿命及低温性能进了环闭独立测试，从测试结果不难看出铁锂电池这两方面的性能比之铅酸电池要好很多，并且得益于铁锂电池电芯为高自动化程度的产物，在高海拔低气压运行条件下，不会出现类似于铅酸电池因为内外部压差而引起的鼓胀现象。

5 结论

青藏高原基站复杂的环境条件，导致对基站后备电源的技术要求大大提高，本文从磷酸铁锂电池的工作原理着手，研究了此类锂离子电池的充放电模型，从电化学特性及保护功能两个层面对铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池进行了点对点横向对比，深刻地反应出磷酸铁锂电池作为基站后备电源的显著优势。

通过对青藏高原两个典型站点进行实测后，不难看出铁锂电池优秀的放电倍率、低温性能及高海拔适应性恰当地符合了该地区的要求，可以确切地说，磷酸铁锂电池已经具备了替代铅酸电池应用在青藏高原大部分地域作为后备电源的优异条件。当然，目前由于磷酸铁锂电池本身材料体系的局限性，在超低温（低于-20 ℃的条件下）室外无空调环境并不能完全替换。随着铁塔公司的成立，单个基站内通信设备及负载电流成倍增加，在有限的安装面积内配置更多的通信设备、获得更高效的备电能力是大势所趋，也是今后更多基站从业者探索验证的方向。

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