磷酸亚铁锂电池在通信后备中的应用0

2019-05-07 10:42:10 来源: 襄阳信息港

随着我国经济的快速增长,各项建设取得巨大成就,与此同时也耗费了巨大的资源,废弃物和环境有害物质特别是温室气体的大量排放对环境产生了严重的破坏,全球气候变暖、污染严重。我国政府在哥本哈根会议上提出相应的治理措施和治理目标并做出了郑重的承诺。因此,节能减排势在必行,且刻不容缓。

虽然通信产业不是高能耗、高污染的行业,但是通信行业的能耗也不容忽视。2009年,三大通信运营商的电力消耗是289亿度,比2008年增长26%左右,随着运营商络和用户规模的进一步扩大和通信业务种类和数量的迅猛增长,通信业的能耗还将保持快速增长,因此,通信行业的节能减排任务也将更为迫切和艰巨。

1 通信基站空调能耗不容忽视

我们知道,通信业的能耗主要来自于通信设备和空调设备,其中空调的用电量所占比例高达40%~50%。因此,降低空调系统的能耗,必然成为通信运营企业节能工作的重点。降低空调能耗简单且收效的办法就是将空调运行温度提高。有试验表明,某交换机房仅将其空调温度设定值提高一度,一个月之后,其电费支出减少了10%以上。

以基站为例,按基站面积20 m2,单位面积的冷负荷指标为300 kW/m2,基站机房内的冷负荷为Q=6 kW来测算。大部分基站采用的空调为立柜式空调器,采用R22作为制冷媒介,其制冷能效比(EER)一般为3.35,所以空调的耗电平均功率为6 kW/3.35 = 1.8 kW,空调器在基站的使用基本都是以制冷工况运行,因此,空调每天的耗电在1.8 kW×24h = 43.2 kWh。如果空调设定温度25℃,由于一般机房室内温度在不开空调情况下,至少比室外温度高5~10℃,根据华中地区一年的气温数据,每年4月下旬到10月上旬约有180天气温在20℃以上,即空调一年约有180天在运行,整年耗电为 43.2 kWh×180 = 7776 kWh。假如温度设定在35℃,则空调只需要运行约80天,其全年耗电为43.2 kWh×80 = 3456 kWh。

目前,通信后备电池大多采用阀控式密封铅酸蓄(VRLA)电池,其维护方便、浮充寿命长、安全性能好等的特点非常适用于通信后备电源。近10年来,此类电池在通信行业得到了长足发展,应用量逐年增大。然而VRLA电池在使用过程中对环境温度的要求较高,特别是在夏天高温季节下使用,如果没有空调降温,其使用寿命将大大缩短(见表1),因此通信基站通常都配备空调设备。

表1 通信基站寿命与空调温度的关系图

此外,随着通信络技术及设备的飞速发展与升级,通信后备电源对蓄电池提出了新的要求,VRLA电池已经不能完全覆盖通信后备电源的需求,特别是在一些特定的应用场景,比如户外高温环境、短时备电等情况。因此,开发新型通信用后备式蓄电池,补充VRLA电池的不足,具有非常重要的意义。

2 磷酸亚铁锂电池带来的解决方案

锂离子电池的应用已广范为世人熟知和接受。众所周知,锂离子电池多用于数码产品和移动电子终端,这类电池产品所用的电极材料由钴酸锂/石墨、镍钴锰酸锂/石墨或锰酸锂/石墨体系组成。磷酸亚铁锂/石墨体系电极是近几年在锂离子电池研发中创新的材料体系,由于正极采用了磷酸亚铁锂的材料,其制备的电池属于锂离子电池中的一种特殊产品。

磷酸亚铁锂(简称鉄锂)材料是一种橄榄石型结构的磷酸盐铁锂化合物,其作为锂离子电池正极材料的结构和反应如图2所示。

图1 磷酸亚铁锂电池正极材料的结构和反应

磷酸亚铁锂材料自1997年被首次报道以来,经过十余年的研究攻关,突破了材料的制备工艺,于2004年实现商业化。与其他传统正极材料层状的钴酸锂(LiCoO2)、层状镍钴锰酸锂Li(NiCoMn)1O2和尖晶石型的锰酸锂(LiMn2O4)相比,橄榄石型磷酸亚铁锂的显著特点是安全性好、循环寿命长、耐高温。相关性能的比较见表2。

表2 相关材料性能比较

由于优越的性能特点,使得磷酸亚铁锂电池在诸多应用领域中成为的解决方案,对通信后备电源来说无疑是一种崭新的选择,而电动汽车和储能市场也都将目光瞄准了鉄锂电池。

由于铁锂电池的工作温度上限可达60℃,在使用铁锂电池的情况下,空调温度的设定不受电池工作温度的限制,而仅决定于通信设备。一般通信设备在35℃以下完全可以正常工作,因此,空调制冷可以设定在35℃,如此,则通信的空调能耗将下降40%~50%左右。

3 磷酸亚铁锂电池技及产品

随着通信络设备技术的发展,户外建站方式逐步被用户接受,用量逐渐增多。根据北美、欧洲的建站经验,超过50%的基站选用户外建站方式,中国、南亚、东南亚等新兴市场户外产品应用方兴未艾。户外柜供电系统较多的应用是满足站点空间小、面积小、不方便建站的地方,因此减少户外柜体积和占地面积可方便站点寻址并降低建站成本,如在城市楼顶或过道安装时,减少体积和面积可以减少租金和增加站点选择灵活性。户外柜通信供电系统大多的安装形式是放置在H型杆或塔架安装,重量轻就能减少配套钢结构的投资。铁锂电池相对于目前大量应用的铅酸电池在体积和重量方面有明显的优势,相同容量规格下体积减少近1/3,重量减少近2/3,铁电池应用到户外柜将较大地减少初始投资。

南都公司利用现有成熟的磷酸亚铁锂电池技术结合聚合物专利和PACK技术,开发出南都“NPF系列”磷酸亚铁锂通信后备电源,将铁锂电池设计成标准的1U、2U3和3U高的机架式电池模块,从而地节省户外机柜的体积,也解决了户外柜配套蓄电池的高温问题,而用于室内基站可大大上调空调的高温上限设置以达到节能减排的作用。

3.1 NPF系列鉄锂电池的结构

南都通信后备用鉄锂电池产品由铁锂电池组、电池保护电路和电池均衡单元组成,并且具有监控模块和充放电管理模块可供选配,如图2所示。

图2 NPF系列鉄锂电池的结构

3.2 NPF系列鉄锂电池的工作原理

NPF系列鉄锂电池的工作原理如图3所示。

图3 工作原理示意

直流输入经由滤波后分两路,一路直接供给负载,另一路经过DC/DC转换后给铁锂电池组进行充电。在电正常的情况下,系统为负载提供需要的功率,同时给系统内部的通信铁锂电池组充电。在电断电的情况下,由系统内部的通信铁锂电池组为负载提供需要的电能,保证直流电源系统正常运行,实现不间断供电功能。

系统采用国外集成芯片公司所开发的芯片作为模拟前端采集电芯数据和传输中断控制信息,由系统控制大脑(MCU)对相关信息采取并快速进行反馈和控制。各单元功能介绍如下。

l 铁锂电池组:化学电源,主要后备供电部件。

l 电池保护:对铁锂电池组可能出现的过充、过放、过流、过温、短路等进行保护。

l 电池均衡:对铁锂电池组可能出现的不一致进行均衡调节。

l 充放电管理:充电限流与放电回路管理。

l 监控部分:支撑系统的集中监控。

3.3 NPF系列锂电产品

“48NPFC10型” 48V10Ah鉄锂后备电源系统如图4所示。

图4 “48NPFC10型”48V10Ah鉄锂后备电源系统

“48NPFC50型”48V50Ah鉄锂后备电源系统如图5所示。

图5 “48NPFC50型”48V50Ah鉄锂后备电源系统

3.4 “免维护”和降低成本

通信维护从早劳动密集型的手工、现场作业发展到现在远程监控维护,使得维护的效率大大提高,可靠性大大增强。但是,传统通信后备电池一直未单独纳入监控,而是通过开关电源来监控电池总电压、总电流等参数,但这些参数远远不能反映电池在实际运行时的健康状态、容量大小、一致性等。虽然进行定期核对性放电、浮充电压检测等维护工作可以弥补,但造成了大量的维护工作量,因此,准确地监测电池的可用容量及健康状态是新型电池的必然要求。由于锂离子电池在消费电子产品上的大量应用,其电池电量算法、电池参数测量和分析处理技术非常成熟,这些技术可以成熟地用在铁锂电池上,且铁锂电池的使用本身需要BMS控制电路的辅助,因此,铁锂电池可以非常方便地纳入通信络远程监控系统,做到通信后备电池的真正“免维护”。

针对移动通信室分系统电源方案,我们选择“VRLA电池”和“鉄锂电池”进行对比,两种后备电源的室分系统动环运营成本的对比见表3。

表3 两种后备电源的室分系统动环运营成本的对比

所以,从综合效益来看,鉄锂电池不仅能实现节能减排目的,还能减少开支降低成本。

4 结束语

综上所述,铁锂电池在通信的应用可以有效地降低空调能耗,甚至可在没有空调的环境使用,且其体积小,重量轻,可以极其方便地用于户外柜,从而降低运营商的建设资源要求,从维护的角度来看,铁锂电池可以真正做到“免维护”,有效减少了通信电池的维护工作量。相比较传统的铅酸电池,铁锂电池的应用可以显著节约物质资源和能量资源优化推广公司
,降低排放,达到“节能减排”的效果。

[作者简介]王路,哈尔滨工业大学电化学工程专业硕士,现任浙江南都电源动力股份有限公司锂电事业部总经理,曾获部科技进步二等奖两项、军队科技进步三等奖一项、省科技进步三等奖一项;喻小平,哈尔滨工业大学专业电化学,现任浙江南都电源动力股份有限公司工程师;刘长虹,哈尔滨工业大学电化学工程专业,现任浙江南都电源动力股份有限公司行业总监。

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