淺談鐵鋰電池基站節(jié)能減排應(yīng)用思路

摘要：通信用磷酸鐵鋰電池(本文簡稱“鐵電池”)目前已在多個通信運營商進(jìn)行試點，同時也是目前通信電源領(lǐng)域的一個熱點技術(shù)。本文通過介紹磷酸鐵鋰電池在基站節(jié)能減排應(yīng)用上體現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢，并結(jié)合磷酸鐵鋰電池在多個移動省市分公司的實際應(yīng)用情況，借助具體的數(shù)據(jù)分析，指出了磷酸鐵鋰電池，尤其是大容量磷酸鐵鋰電池在通信運營商基站節(jié)能減排中大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池 節(jié)能減排基站節(jié)能

1. 背景介紹

通信業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，各種通信設(shè)備不斷增加，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所需的電力等能源需求日益增長，通信業(yè)面臨著巨大的成本壓力。能源消耗已嚴(yán)重影響到電信企業(yè)的效益和發(fā)展。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，中國2015年將使全國碳排放強度比2010年下降17%。通信業(yè)同樣責(zé)無旁貸，綠色通信再次被聚焦。根據(jù)阿爾卡特朗訊與清華大學(xué)媒介調(diào)查實驗室4月19日在北京發(fā)布的一項調(diào)查報告顯示，綠色信息通信技術(shù)在中國信息通信技術(shù)行業(yè)得到較高認(rèn)知，39%的信息通信技術(shù)企業(yè)已制定了碳減排的五年計劃，下降幅度從1%到20%不等。

我國已經(jīng)成為通信大國，龐大的電信網(wǎng)絡(luò)一方面造成能源消耗的居高不下——機房的電子設(shè)備、基站和空調(diào)都消耗著大量電能;另一方面，機房空調(diào)大量使用氟利昂，基站為數(shù)眾多的蓄電池及每年退網(wǎng)淘汰的電子和電器設(shè)備，如不妥善處置，都可能對環(huán)境構(gòu)成威脅。作為國民經(jīng)濟重要組成部分的電信運營企業(yè)來說，節(jié)能減排勢在必行。而基站節(jié)能是通信行業(yè)節(jié)能的重中之重。

2. 通信用磷酸鐵鋰電池的發(fā)展

磷酸鐵鋰電池憑借其出色的特性(能量密度高/安全性強/高溫性能優(yōu)異/高功率輸出/長循環(huán)壽命/環(huán)保)，已逐漸走入人們的視野。早期其多數(shù)運用在電動汽車行業(yè)，近年來通信行業(yè)也對于鐵電池的應(yīng)用進(jìn)行了更多的思考。作為歷次技術(shù)革新的先驅(qū)，行業(yè)內(nèi)關(guān)于鐵電池的試點活動已全面鋪開。

國內(nèi)各電源廠商積極配合，已形成相對完善的通信用磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品線。其產(chǎn)品形式主要為12V、48V電池模塊，容量等級多數(shù)集中在10AH~150AH。比亞迪鐵電池已推出200AH產(chǎn)品R12200，較之傳統(tǒng)的10AH~150AH，200AH鐵電池在體積、重量上具有更加突出優(yōu)勢，可最大程度上滿足通信行業(yè)節(jié)能減排的需求。

48V鐵電池模塊規(guī)格參數(shù)表

12V鐵電池模塊規(guī)格參數(shù)表

由上表分析不難得出：比亞迪12V/200Ah鐵電池模塊F12200具有更加突出的優(yōu)勢：容量較R12150鐵電池模塊增加33%，體積增加12%，重量基本相同。相同容量下，體積更小、重量更輕，運用于通信行業(yè)節(jié)能減排的優(yōu)勢更加明顯。

3. 通信用磷酸鐵鋰電池節(jié)能減排應(yīng)用思路

中國目前有逾百萬個移動通信基站。按照中國移動的統(tǒng)計，基站耗電占總耗電量的70%以上。開展基站節(jié)能降耗成為一個迫切需要解決的問題,可以說基站節(jié)能是通信行業(yè)節(jié)能減排的重中之重。

比亞迪作為鋰電池行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，依托鐵電池優(yōu)異的高溫性能，提出以下基于通信基站的節(jié)能減排解決思路：涵蓋IDC機房、宏基站、邊際網(wǎng)村通基站。

3.1 IDC機房鐵電池解決思路

(1) 措施一：IDC機房鐵鋰電池“儲能電站”思路

隨著通信業(yè)的高速發(fā)展，新技術(shù)的不斷應(yīng)用，諸如Web2.0、PSP、網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)、電子商務(wù)等業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，使得通信業(yè)的IDC業(yè)務(wù)有了非常大的提升?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的大的IDC機房內(nèi)，運行著數(shù)千臺的服務(wù)器，如何為這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行提供綠色節(jié)能、安全可靠的供電保障，是目前需要迫切解決的問題。

眾所周知，IDC機房中蓄電池組宜分兩組或多組安裝，其總?cè)萘坑尚铍姵鬲毩⑾蜇?fù)載供電的時間確定。但實際由于IDC機房服務(wù)器在通信系統(tǒng)中重要性，往往需達(dá)到一類市電不可用度指標(biāo)，電池的作用僅為備電，放電次數(shù)極少，往往是放置到壽命結(jié)束，不符合行業(yè)內(nèi)節(jié)能減排的大環(huán)境。

比亞迪依托磷酸鐵鋰電池超長循環(huán)壽命、體積小、重量輕的特性優(yōu)勢，提出一種利用磷酸鐵鋰電池組作為“儲能電站”的創(chuàng)新解決思路，即：采用大容量磷酸鐵鋰電池組作為IDC機房后備電池，在夜間話務(wù)量低、電網(wǎng)壓力小時對鐵電池組進(jìn)行充電;在日間話務(wù)量高、電網(wǎng)壓力大時對負(fù)載供電，以減少電能浪費，錯峰調(diào)谷，均衡用電負(fù)荷，提高能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排。

此方案采用鐵電池有以下優(yōu)勢：

a) 長循環(huán)壽命，常溫1C充放電循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，尤其適用于此種頻繁充放電的場合;

b) 能量轉(zhuǎn)化效率高，鐵電池的轉(zhuǎn)化效率高達(dá)95%，綠色節(jié)能;

c) 優(yōu)良的高倍率放電特性，鐵電池在3C以上放電依然能放出標(biāo)稱容量的90%以上，能有效降低蓄電池組配置總?cè)萘?

d) 體積小、重量輕，節(jié)省機房加固成本，減少資源消耗。

(2) 措施二：HVDC用磷酸鐵鋰電池組

HVDC(高壓直流供電系統(tǒng))的系統(tǒng)效率和供電可靠性均要大大高于UPS供電系統(tǒng)，這一點已經(jīng)得到了業(yè)內(nèi)人士的公認(rèn)，HVDC替代UPS系統(tǒng)已是大勢所趨。

而鐵電池的高倍率放電特性和體積小重量輕的特點，為其和HVDC系統(tǒng)并列放置在機房內(nèi)提供可能。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：傳統(tǒng)選擇2組3 0 0 A h鉛酸電池的基站，選用鐵鋰電池時只需要2組200A h;1組48 V/200A h鐵鋰電池組與1組48 V/300 A h鉛酸電池組在同樣的安裝方式下，前者占地面積是后者的59%，重量是后者的28%。若考慮在機房承重條件相同的情況下，鐵鋰電池可采用雙層雙列安裝，而鉛酸電池需采用單層雙列安裝，則前者占地面積是后者的29%。同是1組48 V/300 Ah的鐵鋰電池組和鉛酸電池組，在同樣的安裝方式下，前者占地面積是后者的59%，重量是后者的34%。由上：鐵電池配合HVDC實現(xiàn)更大限度的節(jié)能減排。

3.2 空間緊張的室內(nèi)宏基站鐵電池解決思路

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料：目前，基站內(nèi)空調(diào)設(shè)定工作溫度一般為20℃~28℃左右，如果將工作溫度提高到30℃甚至更高(35 ~ 40℃)，則空調(diào)的用電量會下降至50%左右，由上表對比可知，空調(diào)用電一般占到基站用電總量的50%左右，所以提高空調(diào)工作溫度是簡單有效的實現(xiàn)通信基站節(jié)能減排的方法。基站中設(shè)備對溫度最敏感的部分是蓄電池組，溫度每上升10℃，鉛酸電池的壽命減少一半，磷酸鐵鋰電池可以耐受高溫55℃而壽命不受影響，所以可直接將基站溫度設(shè)置值調(diào)高，實現(xiàn)節(jié)能減排。

依托磷酸鐵鋰電池優(yōu)良的高溫性能和循環(huán)壽命，我們提出此類空間緊張的室內(nèi)宏基站，采用鐵電池+戶外電池柜作為后備電池組，放置在室外，有效節(jié)約占地，節(jié)能降耗。而同比鉛酸電池采用此種方案則需加裝戶外電池保溫箱。

此方案下：初始投資基本相同，節(jié)能減排效果優(yōu)勢明顯。1組48V/ 300Ah鉛酸電池價格約18720元(約1.3元/1V·Ah)，1組48V/200Ah鐵鋰電池價格約40320元(4.2元/1 V·Ah)，1組電池保溫箱價格約1萬元，1組鐵鋰電池(不需保溫箱)價格是1組鉛酸電池(含保溫箱)的1.4倍。規(guī)模化生產(chǎn)后，磷酸鐵鋰電池價格降至3.5元/ V·Ah時，1組鐵鋰電池(不需保溫箱)價格是3.36萬元，兩者費用基本相等。另外，機房面積減少、重量減少可以降低機房建設(shè)成本，鐵鋰電池循環(huán)壽命更優(yōu)可以延長電池更換周期，高溫性能可以節(jié)約空調(diào)用電等。

3.3 無空調(diào)/邊遠(yuǎn)站點鐵電池解決思路

村通工程的基站多設(shè)在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村，規(guī)模小、配置小，基本上都沒有空調(diào)，接通市電成本過高或市電停電頻繁，同時由于鉛酸電池對溫度敏感，在惡劣環(huán)境條件下工作的壽命短、更換頻繁，導(dǎo)致此類基站的維護(hù)成本過高。

對于無空調(diào)且市電停電頻繁站點，采用鐵電池作為后備電源，具有明顯的優(yōu)勢，其高溫性能優(yōu)異，無空調(diào)站點中鐵電池的容量衰減與有空調(diào)的站點電池容量衰減相比基本相同，無恒溫措施對電池衰減的延緩作用影響不大。

對于市電引入成本過高的站點，采用鐵電池配合太陽能光伏供電，相比較與鉛酸電池具有不可替代的作用。鐵電池高溫性能好、可深度充放電、循環(huán)壽命長，體積小、重量輕，安裝輕便。

比亞迪技校聯(lián)通光電混合實驗局(鐵鋰電池工作環(huán)境為樓梯間、無空調(diào)、太陽直射)，負(fù)載大約為1500W。優(yōu)先太陽能供電，即先使用太陽能供給負(fù)載，多余能量存入鐵鋰電池，在太陽能不足時，再由鐵鋰電池(放出儲存能量)提供負(fù)載用電。

具體測試場景與測試數(shù)據(jù)如下。

fig.1 比亞迪技校聯(lián)通光電混合實驗局

fig.2實驗局鐵鋰電池容量保存率

fig.3 節(jié)能減排效益

此試點方案中，鐵鋰電池接近每天一個充放電循環(huán)，實驗局自2011年5月建成以來，鐵電池性能良好，運行穩(wěn)定，共計節(jié)能減排3286977Wh，達(dá)到預(yù)期節(jié)能減排30%的效果。

同時，該項目充分驗證了鐵電池極其優(yōu)異的高溫性能、突出的循環(huán)壽命，鐵鋰電池運用于無空調(diào)基站或室外站點具有突出的優(yōu)勢，對通信行業(yè)的節(jié)能減排具有顯著的效果。目前容量保存率為91.5%。

4. 通信用磷酸鐵鋰電池推廣案例及市場展望

隨著行業(yè)內(nèi)對鐵電池的廣泛重視，比亞迪作為鋰電池傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)，進(jìn)一步加大了與國內(nèi)運營商的鐵電池試點合作活動，目前已在廣東、福建、廣西、云南、重慶、北京、河北、江蘇等各省市移動分公司建立了關(guān)于鐵電池的合作關(guān)系。以下是試點典型案例分析。

fig.1北京移動 fig.2海南移動 fig.3 河北電信

(高碑店/朝陽公園戶外站) (戶外站點) (核心機房4000Ah場景)

fig.4重慶移動 fig.5廣東移動

(民安大道戶外燈桿站) (沙井烏江工業(yè)園2400Ah場景)

比亞迪鐵電池試點已在全國多個省市展開，目前最長的在網(wǎng)時間最長已達(dá)3年。從全國各地試點站情況來看，目前鐵電池組的平均容量保存率在90%以上，可靠性良好。

通信用磷酸鐵鋰電池組通過試點分析得出以下結(jié)論：

第一：采用鐵電池節(jié)能效益非常突出。得益于其優(yōu)越的高倍率放電特性和高溫性能，在減少基站電池組容量的配置的同時，更加適用于基站升溫技術(shù)，減少基站中空調(diào)開啟時間，實現(xiàn)節(jié)能減排。由前述各容量鐵電池的對比，采用大容量 (200Ah以上)鐵電池，其綜合效益更加突出。

第二：鐵電池具有優(yōu)異的高溫性能，于室外站和無空調(diào)的村通站則可以大力推廣磷酸鐵鋰電池，以節(jié)能減排;

第三：雖然鐵電池的一次性投入成本稍高，但長期運行的性價比要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)閥控式鉛酸電池;

當(dāng)然，鐵電池在國內(nèi)通信行業(yè)的應(yīng)用也并非一蹴而就。影響鐵鋰電池大規(guī)模使用的主要因素，主要是價格過高以及對可靠性的擔(dān)心。老化試驗;壽命和溫度、電壓、倍率、深度、內(nèi)阻的關(guān)系;容量和溫度、倍率、內(nèi)阻的關(guān)系等數(shù)據(jù)方面，目前磷酸鐵鋰電池還不能提供足夠可信的數(shù)據(jù)支撐。至于現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用，目前鐵電池在通信行業(yè)最長的試用時間也就在三年左右，還不能得出可以大規(guī)模使用的結(jié)論。同時國內(nèi)運行商對鐵電池的試點，多數(shù)集中在小容量鐵電池組，其中大部分是48V 10AH~100AH，對于大容量(200AH及以上)試點力度不夠，制約了鐵電池更大規(guī)模的應(yīng)用。

隨著鐵電池應(yīng)用的進(jìn)一步加大，相關(guān)在網(wǎng)數(shù)據(jù)的逐步完善，可以預(yù)見，隨著節(jié)能減排的不斷深入，磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)中將獲得廣泛的應(yīng)用。