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)合實測數(shù)據(jù)分析，并與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池在高海拔嚴寒溫度場景存在容量下降快、使用壽命短等問題相對比，驗證了鐵鋰電池在青藏高原地區(qū)適當場景應用的可行性。

【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 文獻標志碼：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用研究[J]. 移動通信， 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)鉛酸蓄電池因為具備電壓恒定、放電性能好和維護工作量小等優(yōu)勢，成為過去十幾年來通信基站建設儲能系統(tǒng)的首選。但是，在鐵塔公司青海現(xiàn)場的實際運行中發(fā)現(xiàn)，鉛酸蓄電池的預期壽命周期與實際運行周期往往差距巨大。理論預計8年左右的壽命周期，在實際運行3年左右可能就會損壞，在某些環(huán)境比較惡劣的地方，實際運行時間更短，這些問題會導致產(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客車領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)將提升一個檔次，同時也可創(chuàng)造極大的經(jīng)濟效益。

鐵鋰電池與鉛酸電池設備成本、購置成本、充放電特性、運行維護、保護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行實測比對研究，分析驗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要求

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

首當其沖的是環(huán)保問題，鉛酸電池的本質(zhì)原理就是不同價位的鉛元素相互轉(zhuǎn)化的一個交替的氧化還原反應過程，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，隨著三大運營商基站業(yè)務的合并，共用基站時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、地形復雜等一系列狀況，后備電源必須具有非常高的環(huán)境適應能力。

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、低氣壓適應能力好；支持遠程后臺統(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)濟較好的地區(qū)，經(jīng)常能看到鐵鋰電池作為后備電源應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)定備電有待驗證。

3 磷酸鐵鋰離子電池

3.1 充放電機理模型電極反應如下：

正極：

LiFePO4←→Li1-xFePO4+xLi++xe-

負極：

6C+xLi++xe-←→LixC6

總的反應式：

6C+LiFePO4←→Li1-xFePO4+LixC6

磷酸鐵鋰電池體系的工作原理：當對磷酸鐵鋰電池進行充電時，電池正極活性物質(zhì)發(fā)生氧化反應上生成鋰離子和自由電子，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極，而自由電子則通過負載回路遷移到電池的負極形成電流。作為負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，結(jié)合的鋰離子越多，充入的電池容量越大。同理，在對電池進行放電時，鑲嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，發(fā)生氧化反應，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動到正極。在磷酸鐵鋰電池的充放電過程中，鋰離子在正負極液相之間來回運動，而自由電子則在外部回路（導線）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)如今通信基站建設的備選之一。

電池中的鋰離子從電池正極流向負極，導致電池電壓的上升?？梢钥吹剑姿徼F鋰電池能量轉(zhuǎn)化效率高，0.8 C電流充電可以充入標稱容量的96%，充電時間僅需1小時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，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)驗和海量數(shù)據(jù)，對兩種蓄能電池進行了全面對比分析。

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。

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 保護功能對比

鉛酸蓄電池與鐵鋰電池的保護性能對比分析如表3所示。

4.4 青藏高原基站鐵鋰電池運行測試分析研究

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行驗證測試。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）。

驗證方式：切斷市電，移除通信設備，使用2500 W的負載進行放電，使用上位機軟件監(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，移除通信設備，使用2500 W的負載進行放電，使用上位機軟件監(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%。

上述兩個實測分別從鐵鋰電池的循環(huán)壽命及低溫性能進了環(huán)閉獨立測試，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化程度的產(chǎn)物，在高海拔低氣壓運行條件下，不會出現(xiàn)類似于鉛酸電池因為內(nèi)外部壓差而引起的鼓脹現(xiàn)象。

5 結(jié)論

青藏高原基站復雜的環(huán)境條件，導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，從電化學特性及保護功能兩個層面對鉛酸蓄電池與磷酸鐵鋰電池進行了點對點橫向?qū)Ρ?，深刻地反應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典型站點進行實測后，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性恰當?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用在青藏高原大部分地域作為后備電源的優(yōu)異條件。當然，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，單個基站內(nèi)通信設備及負載電流成倍增加，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)者探索驗證的方向。

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