浅谈铁锂电池基站节能减排应用思路

深圳市比亚迪锂电池有限公司
       摘要：通信用磷酸铁锂电池（本文简称“铁电池”）目前已在多个通信运营商进行试点，同时也是目前通信电源领域的一个热点技术。本文通过介绍磷酸铁锂电池在基站节能减排应用上体现的技术优势，并结合磷酸铁锂电池在多个移动省市分公司的实际应用情况，借助具体的数据分析，指出了磷酸铁锂电池，尤其是大容量磷酸铁锂电池在通信运营商基站节能减排中大规模应用的发展前景。
       关键词：磷酸铁锂电池 节能减排基站节能
       1. 背景介绍
       通信业的迅猛发展带动了网络规模的不断扩大，各种通信设备不断增加，网络设备所需的电力等能源需求日益增长，通信业面临着巨大的成本压力。能源消耗已严重影响到电信企业的效益和发展。根据“十二五”规划，中国２０１５年将使全国碳排放强度比２０１０年下降１７％。通信业同样责无旁贷，绿色通信再次被聚焦。根据阿尔卡特朗讯与清华大学媒介调查实验室4月１９日在北京发布的一项调查报告显示，绿色信息通信技术在中国信息通信技术行业得到较高认知，３９％的信息通信技术企业已制定了碳减排的五年计划，下降幅度从1％到２０％不等。
       我国已经成为通信大国，庞大的电信网络一方面造成能源消耗的居高不下--机房的电子设备、基站和空调都消耗着大量电能；另一方面，机房空调大量使用氟利昂，基站为数众多的蓄电池及每年退网淘汰的电子和电器设备，如不妥善处置，都可能对环境构成威胁。作为国民经济重要组成部分的电信运营企业来说，节能减排势在必行。而基站节能是通信行业节能的重中之重。
       2. 通信用磷酸铁锂电池的发展
       磷酸铁锂电池凭借其出色的特性（能量密度高/安全性强/高温性能优异/高功率输出/长循环寿命/环保），已逐渐走入人们的视野。早期其多数运用在电动汽车行业，近年来通信行业也对于铁电池的应用进行了更多的思考。作为历次技术革新的先驱，行业内关于铁电池的试点活动已全面铺开。
       国内各电源厂商积极配合，已形成相对完善的通信用磷酸铁锂电池产品线。其产品形式主要为12V、48V电池模块，容量等级多数集中在10AH~150AH。比亚迪铁电池已推出200AH产品R12200，较之传统的10AH~150AH，200AH铁电池在体积、重量上具有更加突出优势，可最大程度上满足通信行业节能减排的需求。
       48V铁电池模块规格参数表
   
       12V铁电池模块规格参数表
   
       由上表分析不难得出：比亚迪12V/200Ah铁电池模块F12200具有更加突出的优势：容量较R12150铁电池模块增加33%，体积增加12%，重量基本相同。相同容量下，体积更小、重量更轻，运用于通信行业节能减排的优势更加明显。
       3. 通信用磷酸铁锂电池节能减排应用思路
       中国目前有逾百万个移动通信基站。按照中国移动的统计，基站耗电占总耗电量的70%以上。开展基站节能降耗成为一个迫切需要解决的问题,可以说基站节能是通信行业节能减排的重中之重。
       比亚迪作为锂电池行业的领军企业，依托铁电池优异的高温性能，提出以下基于通信基站的节能减排解决思路：涵盖IDC机房、宏基站、边际网村通基站。
       3.1 IDC机房铁电池解决思路
       （1） 措施一：IDC机房铁锂电池“储能电站”思路
       随着通信业的高速发展，新技术的不断应用，诸如Web2.0、PSP、网络视频业务、电子商务等业务的蓬勃发展，使得通信业的IDC业务有了非常大的提升。现在国内已经出现的大的IDC机房内，运行着数千台的服务器，如何为这些网络设备的运行提供绿色节能、安全可靠的供电保障，是目前需要迫切解决的问题。
       众所周知，IDC机房中蓄电池组宜分两组或多组安装，其总容量由蓄电池独立向负载供电的时间确定。但实际由于IDC机房服务器在通信系统中重要性，往往需达到一类市电不可用度指标，电池的作用仅为备电，放电次数极少，往往是放置到寿命结束，不符合行业内节能减排的大环境。
       比亚迪依托磷酸铁锂电池超长循环寿命、体积小、重量轻的特性优势，提出一种利用磷酸铁锂电池组作为“储能电站”的创新解决思路，即：采用大容量磷酸铁锂电池组作为IDC机房后备电池，在夜间话务量低、电网压力小时对铁电池组进行充电；在日间话务量高、电网压力大时对负载供电，以减少电能浪费，错峰调谷，均衡用电负荷，提高能源利用率，实现节能减排。
       此方案采用铁电池有以下优势：
       a) 长循环寿命，常温1C充放电循环寿命达到2000次以上，尤其适用于此种频繁充放电的场合；
       b) 能量转化效率高，铁电池的转化效率高达95%，绿色节能；
       c) 优良的高倍率放电特性，铁电池在3C以上放电依然能放出标称容量的90%以上，能有效降低蓄电池组配置总容量；
       d) 体积小、重量轻，节省机房加固成本，减少资源消耗。
       （2） 措施二：HVDC用磷酸铁锂电池组
       HVDC（高压直流供电系统）的系统效率和供电可靠性均要大大高于UPS供电系统，这一点已经得到了业内人士的公认，HVDC替代UPS系统已是大势所趋。
       而铁电池的高倍率放电特性和体积小重量轻的特点，为其和HVDC系统并列放置在机房内提供可能。相关数据表明：传统选择2组3 0 0 A h铅酸电池的基站，选用铁锂电池时只需要2组200A h；1组48 V/200A h铁锂电池组与1组48 V/300 A h铅酸电池组在同样的安装方式下，前者占地面积是后者的59%，重量是后者的28%。若考虑在机房承重条件相同的情况下，铁锂电池可采用双层双列安装，而铅酸电池需采用单层双列安装，则前者占地面积是后者的29%。同是1组48 V/300 Ah的铁锂电池组和铅酸电池组，在同样的安装方式下，前者占地面积是后者的59%，重量是后者的34%。由上：铁电池配合HVDC实现更大限度的节能减排。
       3.2 空间紧张的室内宏基站铁电池解决思路
       据相关统计资料：目前，基站内空调设定工作温度一般为20℃~28℃左右，如果将工作温度提高到30℃甚至更高（35 ~ 40℃），则空调的用电量会下降至50%左右，由上表对比可知，空调用电一般占到基站用电总量的50%左右，所以提高空调工作温度是简单有效的实现通信基站节能减排的方法。基站中设备对温度最敏感的部分是蓄电池组，温度每上升10℃，铅酸电池的寿命减少一半，磷酸铁锂电池可以耐受高温55℃而寿命不受影响，所以可直接将基站温度设置值调高，实现节能减排。
       依托磷酸铁锂电池优良的高温性能和循环寿命，我们提出此类空间紧张的室内宏基站，采用铁电池+户外电池柜作为后备电池组，放置在室外，有效节约占地，节能降耗。而同比铅酸电池采用此种方案则需加装户外电池保温箱。
       此方案下：初始投资基本相同，节能减排效果优势明显。1组48V/ 300Ah铅酸电池价格约18720元（约1.3元/1V·Ah），1组48V/200Ah铁锂电池价格约40320元（4.2元/1 V·Ah），1组电池保温箱价格约1万元，1组铁锂电池（不需保温箱）价格是1组铅酸电池（含保温箱）的1.4倍。规模化生产后，磷酸铁锂电池价格降至3.5元/ V·Ah时，1组铁锂电池（不需保温箱）价格是3.36万元，两者费用基本相等。另外，机房面积减少、重量减少可以降低机房建设成本，铁锂电池循环寿命更优可以延长电池更换周期，高温性能可以节约空调用电等。
       3.3 无空调/边远站点铁电池解决思路
       村通工程的基站多设在偏远的农村，规模小、配置小，基本上都没有空调，接通市电成本过高或市电停电频繁，同时由于铅酸电池对温度敏感，在恶劣环境条件下工作的寿命短、更换频繁，导致此类基站的维护成本过高。
       对于无空调且市电停电频繁站点，采用铁电池作为后备电源，具有明显的优势，其高温性能优异，无空调站点中铁电池的容量衰减与有空调的站点电池容量衰减相比基本相同，无恒温措施对电池衰减的延缓作用影响不大。
       对于市电引入成本过高的站点，采用铁电池配合太阳能光伏供电，相比较与铅酸电池具有不可替代的作用。铁电池高温性能好、可深度充放电、循环寿命长，体积小、重量轻，安装轻便。
       比亚迪技校联通光电混合实验局（铁锂电池工作环境为楼梯间、无空调、太阳直射），负载大约为1500W。优先太阳能供电，即先使用太阳能供给负载，多余能量存入铁锂电池，在太阳能不足时，再由铁锂电池（放出储存能量）提供负载用电。
       具体测试场景与测试数据如下。
   
   fig.1 比亚迪技校联通光电混合实验局
   
   fig.2实验局铁锂电池容量保存率
   
   fig.3 节能减排效益
       此试点方案中，铁锂电池接近每天一个充放电循环，实验局自2011年5月建成以来，铁电池性能良好，运行稳定，共计节能减排3286977Wh，达到预期节能减排30%的效果。
       同时，该项目充分验证了铁电池极其优异的高温性能、突出的循环寿命，铁锂电池运用于无空调基站或室外站点具有突出的优势，对通信行业的节能减排具有显着的效果。目前容量保存率为91.5%。
       4. 通信用磷酸铁锂电池推广案例及市场展望
       随着行业内对铁电池的广泛重视，比亚迪作为锂电池传统优势企业，进一步加大了与国内运营商的铁电池试点合作活动，目前已在广东、福建、广西、云南、重庆、北京、河北、江苏等各省市移动分公司建立了关于铁电池的合作关系。以下是试点典型案例分析。
   
   fig.1北京移动 fig.2海南移动 fig.3 河北电信
   （高碑店/朝阳公园户外站） （户外站点） （核心机房4000Ah场景）
   
   fig.4重庆移动 fig.5广东移动
   （民安大道户外灯杆站） （沙井乌江工业园2400Ah场景）
       比亚迪铁电池试点已在全国多个省市展开，目前最长的在网时间最长已达3年。从全国各地试点站情况来看，目前铁电池组的平均容量保存率在90%以上，可靠性良好。
       通信用磷酸铁锂电池组通过试点分析得出以下结论：
       第一：采用铁电池节能效益非常突出。得益于其优越的高倍率放电特性和高温性能，在减少基站电池组容量的配置的同时，更加适用于基站升温技术，减少基站中空调开启时间，实现节能减排。由前述各容量铁电池的对比，采用大容量 （200Ah以上）铁电池，其综合效益更加突出。
       第二：铁电池具有优异的高温性能，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，以节能减排；
       第三：虽然铁电池的一次性投入成本稍高，但长期运行的性价比要远高于传统阀控式铅酸电池；
当然，铁电池在国内通信行业的应用也并非一蹴而就。影响铁锂电池大规模使用的主要因素，主要是价格过高以及对可靠性的担心。老化试验；寿命和温度、电压、倍率、深度、内阻的关系；容量和温度、倍率、内阻的关系等数据方面，目前磷酸铁锂电池还不能提供足够可信的数据支撑。至于现网应用，目前铁电池在通信行业最长的试用时间也就在三年左右，还不能得出可以大规模使用的结论。同时国内运行商对铁电池的试点，多数集中在小容量铁电池组，其中大部分是48V 10AH~100AH，对于大容量（200AH及以上）试点力度不够，制约了铁电池更大规模的应用。
       随着铁电池应用的进一步加大，相关在网数据的逐步完善，可以预见，随着节能减排的不断深入，磷酸铁锂电池在通信行业中将获得广泛的应用。<