酸鐵鋰電池在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

1、研發(fā)項目結(jié)題報告（上報集團版）項目名稱及編號磷酸鐵鋰電池在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究主要研究單位及負(fù)責(zé)人（聯(lián)系方式）中國移動通信集團河南有限公司網(wǎng)絡(luò)管理中心、規(guī)劃技術(shù)部康彩云 張樂他研究單位及負(fù)責(zé)人（聯(lián)系方式）中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司 董 雯訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司 陳燕昌是否集團重點(是/否)否是否聯(lián)合項目（是/否）是項目經(jīng)費（萬元）項目起止時間2009年8月2010年10月專業(yè)類別通信電源研究類別超前研究關(guān)鍵詞索引（35個）磷酸鐵鋰電池、電壓均衡性、充放電特性、參數(shù)設(shè)置、容量測試該項目在

2、研究單位內(nèi)部的評審結(jié)果通過該項目在研究單位內(nèi)部的評審意見：描述評審專家組對該項目在技術(shù)先進性，創(chuàng)新性，取得的總體效益，可推廣性等方面的評價。磷酸鐵鋰電池在體積、重量、寬溫度范圍、大電流充放電特性等方面優(yōu)于現(xiàn)網(wǎng)閥控電池，通過實驗室及試驗站的研究試驗，在總體經(jīng)濟效益等方面具有可推廣價值。 項目的簡介：簡要描述該項目的目的和意義，解決的問題，取得的社會和經(jīng)濟效益等。在目前的通信領(lǐng)域，使用的基本上都是閥控式密封鉛酸蓄電池，由于閥控式鉛酸蓄電池重量、體積都比較大，普通民房很難滿足承重要求，給基站的選址帶來很大困難；另外由于閥控式鉛酸蓄電池能夠正常工作的溫度范圍較窄，在一些室外站中，由于溫度變化范圍大，閥

3、控式鉛酸蓄電池的使用壽命大大降低，既影響了通信設(shè)備的運行可靠性，又大大增加了維護費用?；谏鲜鰡栴}，磷酸鐵鋰電池在能量重量比、能量體積比、循環(huán)壽命、高溫性能、放電特性等方面比閥控式密封鉛酸蓄電池要優(yōu)越很多，能更好的適應(yīng)在惡劣環(huán)境下應(yīng)用。如果能在通信領(lǐng)域替代鉛酸電池，可以在節(jié)約機房面積，節(jié)省樓板加固費用，節(jié)省空調(diào)設(shè)備投資，降低空調(diào)電費等方面降低成本。但是，磷酸鐵鋰電池僅在電動車等民用方面有一定經(jīng)驗，在通信領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段。本項目對鐵鋰電池的性能參數(shù)、參數(shù)配置、對現(xiàn)有通信供電系統(tǒng)的適應(yīng)性、安全可靠性等在試驗室進行了大量試驗，取得相應(yīng)試驗數(shù)據(jù)，并且在實際通信基站的使用過程中得到進一步證實、驗

4、證，為以后的實施提供經(jīng)驗。對現(xiàn)有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的符合度： 目前中國移動尚沒有關(guān)于鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該項目的專利情況： 無該項目研發(fā)存在的主要問題及今后的設(shè)想：1、成組電池長期浮充狀態(tài)下的均衡性問題從目前的試驗室和試驗站的應(yīng)用情況來看，長期充電的均衡性問題并不突出，但試驗運行時間畢竟都不到一年，隨著運行時間的推移，是否會由于長期充電使其均衡性變差而引起安全性問題，還需進一步試驗。當(dāng)均衡性變差時，每組電池內(nèi)部可能會有12只單體電池在均充后期電壓到達(dá)安全電壓上限，內(nèi)部發(fā)熱，壓力增大，會導(dǎo)致電池爆炸等極端情況發(fā)生，為提高安全性，可以采取在磷酸鐵鋰電池的上蓋安裝壓力安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部壓力增大到一定程度時，

5、安全閥將自動打開；另外可以考慮改變充電方式，減少浮充時間，來進一步提高電池的安全性，不過這種方式需要對開關(guān)電源進行改造。2、放電電壓均衡性與終止電壓設(shè)置的問題放電電壓嚴(yán)重不均衡一般發(fā)生在放電末期，不會造成安全性問題，但多度放電會使電池?fù)p壞。目前，48v電源系統(tǒng)中的電池終止電壓按總電壓設(shè)置，如果在放電過程有個別電池的電壓較快下降到終止電壓（如2.0v），與其它電池的電壓相差較大（如 3.1v左右），在這種情況下，如果按照系統(tǒng)終止電壓設(shè)定，會對個別電池造成永久性損壞（鉛酸電池也存在類似情況）。建議重新考慮電池放電終止電壓的判定方法。3、低溫20以下放電情況應(yīng)用磷酸鐵鋰電池的高溫充放電特性比鉛酸電池

6、好很多，低溫0的充放電特性也能夠符合循環(huán)充放電連續(xù)性，但是在低溫20時，放電沒有問題，但放電后再充電時，只能充回放出電量的90%，所以在低溫20以下應(yīng)用于通信電源供電系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池應(yīng)采取保溫措施。 項目研究成果的主體內(nèi)容（3000字以上，可附在表格后）：一、背景情況在目前的通信電源領(lǐng)域，使用的基本上都是閥控式密封鉛酸蓄電池，在機房、基站建設(shè)及運行維護過程中，主要有以下兩個問題比較突出：（1）大量基站位于人口比較密集城市中心區(qū)域，基站機房一般設(shè)在辦公樓或居民樓中，由于閥控式鉛酸蓄電池對于樓板承重和機房面積要求比較高，給基站的選址帶來很大困難；（2）由于閥控式鉛酸蓄電池能夠正常工作的溫度范圍較

7、窄，在一些直放站等室外一體化基站中，由于環(huán)境惡劣，溫度變化范圍大，閥控式鉛酸蓄電池的使用壽命大大降低，既影響了通信設(shè)備的運行可靠性，又大大增加了維護費用?；谏鲜鰡栴}，磷酸鐵鋰電池在能量重量比、能量體積比、循環(huán)壽命、高溫性能、放電特性等方面比閥控式密封鉛酸蓄電池要優(yōu)越很多，能更好的適應(yīng)在惡劣環(huán)境下應(yīng)用（如高溫、大電流充放電等）。但是，磷酸鐵鋰電池僅在電動車等民用方面有一定經(jīng)驗，在通信領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段。鐵鋰電池的性能參數(shù)、參數(shù)配置、對現(xiàn)有通信供電系統(tǒng)的適應(yīng)性、安全可靠性等需要在試驗室進行試驗，取得相應(yīng)試驗數(shù)據(jù)，并且在實際通信基站的使用過程中得到進一步證實、驗證，同時為以后的實施提供經(jīng)驗。

8、本報告是對試驗室及試驗站進行測試情況的總結(jié)。二、內(nèi)容及方法對磷酸鐵鋰電池的測試包括技術(shù)特性、性能參數(shù)、適用于通信電源系統(tǒng)的參數(shù)配置、應(yīng)用的安全可靠性，并根據(jù)測試結(jié)果提出應(yīng)用于通信電源系統(tǒng)存在的問題及解決方案。測試方法包括試驗室測試和試驗站測試兩部分，具體內(nèi)容如下：1、試驗室測試（1）鐵鋰電池的技術(shù)特性和參數(shù)（2）適用于通信電源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：充電方式、充電電壓、放電終止電壓、充放電特性、溫度特性、不同倍率不同電壓充放電；（3）組成48v系統(tǒng)的電池組只數(shù)（4）電壓均衡性測試（5）高低溫放電特性（6）安全性方面，包括過充、大電流充放電、安全電壓等級、阻燃性能（7）循環(huán)壽命及浮充壽命（9）與鐵鋰

9、電池配套的開關(guān)電源系統(tǒng)的適應(yīng)性。（10）其它2、試驗站測試在試驗站需要測試48v系統(tǒng)成組（每組采用16只電池）磷酸鐵鋰電池在長期浮充狀態(tài)下的性能，具體測試方案如下：選4個室內(nèi)宏基站和1個室外站，每站選用300ah蓄電池組2組，采用均充電壓56.8v（3.55v/只），浮充電壓54.4v（3.4v/只）。同時采用監(jiān)控系統(tǒng)記錄和維護人員定期上站巡視兩種方式進行測試，觀察電池的運行狀況，浮充運行時間從5月到10月份。試驗結(jié)束后，測量蓄電池端電壓變化情況并驗證成組蓄電池的容量情況，進行階段性評估；若性能完好可繼續(xù)在線運行，在之后的12年內(nèi)可繼續(xù)進行跟蹤測試及評估。三、試驗基本情況1、試驗室試驗情況從2

10、009年8月第一批由浙江佳貝思送檢60ah磷酸鐵鋰電池開始，到目前共有4個企業(yè)8種型號，容量范圍10ah700ah的鐵鋰電池送樣檢測（目前仍有部分電池的試驗正在進行），這8種型號的鐵鋰電池根據(jù)制作工藝不同分為以下三類：第一類、不含bms系統(tǒng)的單體電池，有兩個企業(yè)6個型號鐵鋰電池屬于此類型；第二類、用較小容量電池并聯(lián)組成容量較大的電池（40ah），不含bms系統(tǒng)；第三類、將bms系統(tǒng)和多只電池封裝在一起組成48v電池組。試驗室試驗情況表表31序號電池廠家電池型號樣品數(shù)量試驗情況說明 備注1浙江佳貝思60ah4+2+17只4只串聯(lián)試驗，2只作單只試驗2100ah16+4+323只16只串聯(lián)試驗，4

11、只串聯(lián)試驗,3只作單只試驗3200ah16+4+323只16只串聯(lián)試驗，4只串聯(lián)試驗,3只作單只試驗4200ah4+3=7只4只串聯(lián)試驗,3只作單只試驗新型號5深圳雷天300ah16+4+323只16只串聯(lián)試驗，4只串聯(lián)試驗,3只作單只試驗6700ah4+2+17只4只串聯(lián)試驗，2只作單只試驗7北方車輛所（201所）40ah4+3+916只4只一組串聯(lián)試驗，3只作單只試驗第二類8南都電源10ah一組48v(15只成組)具有bms系統(tǒng)2、試驗站測試情況與河南移動進行項目合作，在鄭州移動現(xiàn)有基站建立磷酸鐵鋰電池試驗站，目前共有5個站，10組電池，其中8組采用深圳雷天300ah電池，2組采用浙江佳貝

12、斯200ah電池。安裝時間最早的2組電池已經(jīng)在線運行了5個多月，目前10組電池全部運行正常。四、主要結(jié)論及技術(shù)特點分析1、參數(shù)的設(shè)置符合正常運行要求5個試驗站一直運行正常，磷酸鐵鋰電池組在正常浮充狀態(tài)下，以及市電發(fā)生斷電后的充放電過程中，都沒有產(chǎn)生異常情況，能夠滿足對通信設(shè)備的正常供電。說明各種充放電參數(shù)的設(shè)置符合實際正常運行要求。9月份進行的階段性容量測試結(jié)果也表明每組電池的總體容量沒有什么大的變化，個別電池有較小變化，具體情況詳見以下章節(jié)。2、放電容量特性好以0.1c(a)、0.25c(a)、0.55c(a)、1c(a)電流放電時，其容量最大值和最小值相差約10%，而鉛酸蓄電池0.1c(a

13、)、0.25c(a)、0.55c(a)電流放電時其容量最大值和最小值相差約45%。3、磷酸鐵鋰電池的高溫充放電特性較好在高溫40、60的充放情況正常，其充放電容量與25時的容量基本一致。4、磷酸鐵鋰電池的低溫充放電特性0充放電特性（1）0以1c(a)充放電特性符合循環(huán)充放電連續(xù)性要求。（2）0以1c(a)放電，放出容量為25時約90%，放電情況正常。（3）0以1c(a)充電，充電容量為放電容量，充電情況正常。-20充放電特性（1）-20以1c(a)充放電特性不能符合循環(huán)充放電連續(xù)性要求。（2）-20以1c(a)放電，放電開始時電壓降到終止電壓（2.6v）以下，大約放出10%容量后電壓回升到終止

14、電壓（2.6v）以上，最高電壓不超過3.0v，放出容量為25時約80%。（3）-20以1c(a)充電，充電容量為放電容量約90%，欠充10%，下一次放電只能放出充進去的容量。（4）-20以0.11c(a)放電，放出容量為25時約60%左右，放電情況正常。-30充放電特性在低溫-30鐵鋰電池在沒有采取任何保溫措施情況下，采用0.1c(a)放電電流進行放電時已不能正常工作。5、磷酸鐵鋰電池的大電流放電特性較好在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，以1c(a)電流放電與0.1c(a)放電容量相差在10%之內(nèi)，以0.55c(a)電流放電與0.1c(a)放電容量相差在5%左右，高倍率（大電流）條件下放電容量比鉛酸蓄電池大?？梢?/p>

15、用1c(a)電流甚至更大電流進行快速充電。6、均衡性特點還需要進一步完善目前在試驗室和試驗站測試的成組電池電壓均衡性都在正常范圍內(nèi)，但是由于測試時間較短，還需要根據(jù)進一步的測試結(jié)果才能得出最終結(jié)論。五、發(fā)現(xiàn)的問題及技術(shù)發(fā)展趨勢1、充電電壓均衡性帶來的安全性問題從目前的試驗室和試驗站的應(yīng)用情況來看，長期充電的均衡性問題并不突出，但試驗時間畢竟都不到一年，隨著運行時間的推移，是否會由于長期充電使其均衡性變差而引起安全性問題，還需進一步試驗。目前佳貝斯提供的100ah、200ah磷酸鐵鋰電池在上蓋安裝了壓力安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部發(fā)熱壓力增大到一定程度時，安全閥將自動打開以避免如電池爆炸等極端情況的發(fā)生。

16、這種方式基本上能解決在充電時由于電池電壓不均衡而產(chǎn)生的安全問題，另外可以考慮改變充電方式，減少浮充時間，來進一步提高電池的安全性，不過這種方式需要對開關(guān)電源進行改造。2、放電電壓均衡性與終止電壓設(shè)置的問題放電電壓嚴(yán)重不均衡一般發(fā)生在放電末期，不會造成安全性問題，但多度放電會使電池?fù)p壞。目前，48v電源系統(tǒng)中的電池終止電壓按總電壓設(shè)置，如果在放電過程有個別電池的電壓較快下降到終止電壓（如2.0v），與其它電池的電壓相差較大（如 3.1v左右），在這種情況下，如果按照系統(tǒng)終止電壓設(shè)定，即使個別電池的電壓下降到2.0v，但電池組的總電壓在45v以上，不能終止放電，繼續(xù)放電后導(dǎo)致下降最快的電池電壓很快

17、達(dá)到0v甚至反極，對該電池造成永久性損壞。鉛酸電池也存在類似情況。建議重新考慮電池放電終止電壓的判定方法。根據(jù)試驗室測試情況，鉛酸電池以0.1c(a)放電時，從終止電壓1.8v到0v大約有5%左右容量，鐵鋰電池(200ah) 以0.1c(a)放電，從終止電壓2.6v到0v大約有3%左右容量。說明磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池類似，在單體電池到達(dá)終止電壓后的放電容量都很小。3、低溫20以下放電情況應(yīng)用在實驗室30環(huán)境下，以0.1c(a)放電，終止電壓為2.6v，電池不能正常放電。因此，如果在低溫20以下應(yīng)用于通信電源供電系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池應(yīng)采取保溫措施。 在-20環(huán)境下，以1c(a)放電，終止電壓為2.

18、6v，充放電特性不能符合循環(huán)充放電連續(xù)性要求，如果在低溫20應(yīng)用于通信電源供電系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池應(yīng)采取保溫措施。4、引入策略分析性能比較重量體積比較48v-300ah磷酸鐵鋰電池組與閥控式鉛酸電池組比較表表6-1電池類型重量（kg）體積（l×w×h）安裝方式占地面積（m2）單位面積樓板承重（kg/m2）磷酸鐵鋰電池1541000×360×300單層單列立放0.36428閥控式鉛酸電池6401800×320×550雙層單列臥放0.5761111主要性能比較磷酸鐵鋰電池與閥控式鉛酸電池主要性能比較表表6-2序號項目磷酸鐵鋰電池閥控式鉛酸電

19、池備注1標(biāo)稱電壓3.3v2.0v2能量體積比(160210)kwh/m3(7095)kwh/m33能量重量比(90120) wh/kg(3438) wh/kg410小時率容量c10c10c1053小時率容量c30.95c100.75c1061小時率容量c10.9c100.55c107大電流放電性能好（可1c、3c放電）一般8大電流充電好（可3c電流充電）一般（最大充電電流0.25c）9過充性能差較好10高溫度充放電性能好（可60充放電）一般11循環(huán)壽命2000 3000次300500次鐵鋰電池有待驗證經(jīng)濟評價磷酸鐵鋰電池在能量重量比、能量體積比、循環(huán)壽命、高溫性能、放電特性等方面比閥控式密封鉛

20、酸蓄電池要優(yōu)越很多，以下對2個分別采用2組48v-300ah閥控式鉛酸電池和2組48v-300ah磷酸鐵鋰電池的基站進行全面的經(jīng)濟比較：采用閥控式鉛酸電池（1）2組電池購置費：2x24x300x2元/ah=57600元；（2）基站承重加固費：4000元6000元/站；（3）因其體積大導(dǎo)致機房面積加大，租金增加，在其5年使用期內(nèi)增加的費用：100元/月x12x5=6000元；（4）基站空調(diào)1kw每天運行12小時，5年的空調(diào)電費： 1kwx12hx365x5x0.9元/度=19710元；（5）使用年限：5年；壽命期內(nèi)總費用：88310元，年均費用：17662元/年。采用磷酸鐵鋰電池（1）2組電池購置費：2x16x300x15元/ah=144000元；（2）基站承重加固費：0元/站；（3）因其體積小，租用機房面積相對鉛酸電池減少幾平方，相對減少機房租金；（4）空調(diào)電費：采用磷酸鐵鋰電池后無需機房空調(diào)，基站可采用自然通風(fēng)，能耗大大降低，節(jié)能效果明顯；（5）使用年限15年；壽命期內(nèi)總費用：144000元，年均費用：9600元/年。環(huán)保效益壽命終了后鉛酸蓄電池回收費用較高，對環(huán)境的污染大，其在制造期間的酸氣排放對員工及環(huán)境的危害大。磷酸鐵鋰電池的制造過程為綠色生產(chǎn)，后期回收原材料可循環(huán)利用。推廣價值根據(jù)磷酸鐵鋰電池的