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东莞市锂辉电池科技有限公司

锂辉电池公司官方博客

 
 
 

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锂辉电池公司是一家专注于高品质锂电池研发、生产、销售的高科技绿色能源企业。公司目前拥有国际领先水平的自动化生产设备。具有日产8万只锂电池的生产能力。产品包括各种型号的圆柱型、聚合物锂电芯及PACK封装,并能为客户提供定制服务。公司产品具有容量设计灵活性、高比能量、尺寸薄、形状多样性、性能优异等卓越特点,产品广泛应用于智能穿戴电子设备、智能手机、平板电脑、医疗设备、电子烟、电动工具、移动电源、航模、玩具和电动自行车等,为全球客户提供安全环保的绿色移动电源解决方案。

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铁锂电池在无线基站中的应用研究探讨 _18650电池  

2012-10-06 15:52:06|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  磷酸亚铁锂电池(以下简称“铁锂电池”),是近几年兴起来的用磷酸亚铁锂作正极材料的一种锂离子电池,由于铁锂电池具有体积小、重量轻、寿命长、耐高温、大电流冲放电能力强、安全、环保等优点,无线设备制造商、电信运营商、铁锂电池供应商都在投入资源,针对各种应用场景和应用环境下的新建基站和搬迁改造基站,进行基于铁锂电池的节能减排需求收集、方案和产品规划、架构设计、产品开发、产品测试和实验局验证,保证解决方案和产品的技术、质量、成本、交付竞争力,以便大规模推广和部署。

  本文针对经济落后地区市电差、无市电以及经济发达地区市电良好三种市电场景下的典型无线站点,采用铁锂电池和采用铅酸电池备电的两种不同能源解决方案进行了TCO对比分析,与业界共同探讨铁锂电池和铅酸电池解决方案的优、劣势,共同推动铁锂电池在无线通讯行业的规模应用以及铁锂电池的成本优化和技术提升,为基站的节能减排、绿色环保做出贡献。

  一、铁锂电池解决方案的背景

  1、无市电差或者无市电地区在一些发展中国家,例如非洲许多的国家,电力基础设施非常落后,很多郊区、农村、山区没有市电,或者市电不稳定,市电每日停电时间可以超出12小时,但通讯网络需要覆盖到这些地区,需要在这些地区建设通讯基站。

  在这些通讯基站,过去通常配置双油机加小容量铅酸电池(每日停电时间超出12小时)或者单油机加小容量铅酸电池(每日停电时间小于12小时)作为供电解决方案,市电一停电,就启动油机,油机出现了故障电池才放电。油机工作时间较长,站点的油耗非常大,对周围住宅的噪声污染和空气污染也较大,此外每天油机运行时间较长,油机的维护次数增大,维护人工成本和备件成本增大。随着油费和人力成本的上涨,油费每升突破了8元RMB,假设为7.5KVA油机,带载率为25%,油耗大约1升/小时,无市电情况下的双油机轮流切换工作一年下来油费就有7万元RMB,这让全网平均APRU值本来就只有几十元RMB的运营商头痛不已,考虑到这些经济落后地区的APRU值更低,在这些地区建设基站投资回报周期更长了。法国电信在肯尼亚的分支,全网运维费用1500万欧元,其中有700万是能源方面的运维支出,主要就是加油的油费以及油机运维的人工、材料成本。

  为了减少无线基站油机的运行时间,甚至去掉油机,从2009年开始,无线设备制造商为无线运营商提供了新的站点能源解决方案。针对无市电站点,油机+大容量GEL电池混合供电方案取代了传统的双油机方案,油机带载率提高到50%~80%,油机运行时间小于12小时,节省燃油40%,油机维护周期拉长一倍以上,每年维护油机的工作量减少,节约油机备件更换成本,而且降低了油机噪声干扰以及对空气的污染。针对有市电但市电不稳定站点,市电+AGM快冲电池供电方案取代了传统的市电+油机方案,实现在市电停电小于6小时单次停电时间小于3小时地区去掉油机或者只需按照比例配置少量的移动油机。随着铁锂电池技术日趋成熟,从2011年开始,无线设备制造商又推出了新一代基于铁锂电池的油机+铁锂电池、市电+铁锂电池混合供电解决方案,取消了高温环境下的空调配置或者降低了空调配置,进一步节省了燃油消耗。

  2、市电良好地区在市电良好地区,比如在人口密集、经济发达的大、中城市,3G网络、4G网络70%的业务会在室内发生,室内覆盖网络的供电方案对网络质量有较大影响。室内覆盖基本采用分布式基站实现,典型安装场景包括地库、楼内弱电井、楼道、楼顶、大楼天井等。上述站点数量多,站点空间比较狭窄,缺乏空调等温控设备,环境恶劣,需要防尘、防水、防盗等,建设速度要快,需要提供稳定、可靠、易安装、少维护的供电和备电解决方案。目前室内覆盖分布式基站主要有三种供电方式:(1)交流型,直接采用市电供电,投资小,但无备电,基站设备可靠性差,后期备电改造费用比初期建设高还高。(2)交流型,采用UPS提供后备电源,提供稳定纯净的交流电源,具有短时备电,容易实现远距离供电,但电能多级变换,整体效率低。(3)直流型,直流电源供电,提供可靠的动力保障,可集中供电也可单独供电,供电方案可靠,是室内覆盖首先方案。

  我们针对室内分布式基站,早期推出了壁挂式电源,内含一个60A整流模块和一组48V 38Ah GEL电池备电,其安装方式灵活,可以壁挂,可以抱杆,充分利用机房空间,节省占地面积。随着小容量铁锂电池产品系列产品日趋成熟,国内外移动运营商都提出了在市电良好地区的室内覆盖或者室外微型基站使用铁锂电池做为短时备电的需求,我们将适时推出用铁锂电池取代铅酸电池的壁挂式电源以及一体化室外电源满足市场需求。

  二、铁锂电池特性介绍

  铁锂电池是近几年兴起来的用磷酸亚铁锂作正极材料的一种锂离子电池,中国在这个产业上,无论技术、设备、原料和市场均有一定的积累,产业研究报告认为未来2~3年,铁锂电池将可能随着市场推广和应用,规模量产后成本稳步下降而进一步提升市场占有率。铁锂电池一般包括正极、负极、电解质、隔膜、正负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、PTC、电池壳等。铁锂电池工作原理是:电池充电时,正极材料中的锂离子脱离出来,经过电解液穿过隔膜进入负极材料中;电池放电时,锂离子又从负极中脱离出来,经过电解液,穿过隔膜回到正极材料(如图1所示)。

  铁锂电池和铅酸电池对比有以下优势:

  ·体积小、重量轻:铁锂电池体积和重量约为铅酸电池的二分之一不到。一组48V 200Ah铁锂电池重量只有120Kg,而同等容量的一组48V 200Ah GEL电池(4节12V200Ah GEL电池)重量合计达到290Kg(为兼容室外柜电池舱尺寸,大容量48V 100Ah、200Ah铁锂电池体积与4节12V100Ah GEL铅酸电池尺寸兼容)。

  ·寿命长:作浮冲用,在环境温度2 0℃时条件下,12V GEL电池寿命是10年,而铁锂电池寿命是20年,是12VGEL的2倍。作循环用,在80%DOD/环境温度25℃条件下,2V GEL铅酸电池0.15C充放电,循环次数只有800次,而铁锂电池0.5C充放电,循环次数可达3000次以上,接近2VGEL的4倍。

  ·耐高温:铅酸电池高温特性差,一般温度相对于20℃每升高10℃,铅酸电池寿命将缩短一半,在环境温度60℃时铅酸蓄电池已不能正常工作。作浮冲用,在环境温度40℃条件下,12V GEL电池寿命只有2.5年,而铁离电池寿命是10年,是12V GEL的4倍。作循环使用,为保证循环次数,环境温度超出30℃时,铅酸电池就要用空调降温,增加空调成本和空调能耗,而铁锂电池,环境温度45℃以内时,可用风扇散热,即使在100%DOD/环境温度55℃条件下,铁锂电池0.3C3充放电循环还能达到1000次。

  ·大电流充放电能力强:GEL铅酸电池最大持续充、放电流小于0.2C10,而铁锂电池最大持续充电电流可以达到0.5C3,最大持续放电电流可以达到1C3。铅酸蓄电池0.5C10放电放出的容量仅为0.1C10的55%左右,而铁锂电池0.5C3放电放出的容量为0.1C3的95%左右。

  ·安全、环保:铅酸蓄电池主要原料是铅与硫酸,生产和使用过程中对环境的污染比较严重。而铁锂电池对环境无污染、无毒,符合ROHS规定,更环保,另外电池结构稳定,不会因为过程、温度过高、短路而产生爆炸或者燃烧。

  与传统铅酸电池比较,铁锂电池主要的问题是:初始成本价格较高,其他各项指标明显占优。由于目前铁锂电池的机械化程度不高,还没有实现大规模生产、需要专门蓄电池管理系统、锂材料价格较高的影响,目前铁锂电池初始成本是铅酸蓄电池的4倍。但如果考虑电池循环寿命、浮冲寿命、深度放电率、快速充电、极好的高温特性,在以下应用场景在全成本上将具有竞争力。

  ·在频繁停电的四类市电区域,短时备电,循环使用。该场景利用铁锂电池的深度放电率、长循环寿命,以及支持大电流快速充电特性,可以在极度恶劣的市电环境下应用,保证循环寿命,取代2V AGM快充电池在市电+快冲电池方案中的应用。

  ·在无市电区域,深度循环使用。该应用利用铁锂电池深度放电率以及长循环寿命,取代2V GEL电池在油机+电池方案中的应用。

  ·在频繁停电的三类、四类市电区域,短时备电,循环使用。该场景利用铁锂电池的深度放电率、长循环寿命,以及支持大电流快速充电特性,可以在极度恶劣的市电环境下应用,保证循环寿命,取代2V AGM快充电池在市电+快冲电池方案中的应用。

  现阶段用于无线基站的铁锂电池,大部分是与直流开关电源系统配套使用的,铁锂电池组电压等级为48V,常用的铁锂电池组容量等级有5Ah、10Ah、20Ah、30Ah、40Ah、50Ah、100Ah、150Ah、200Ah。铁锂电池组通过并联,可以形成多种容量,满足不同应用场景下的备电需求。

  三、铁锂电池和铅酸电池解决方案TCO对比

  1、市电差或者无市电地区

  基于铁锂电池储能的解决方案组成示如下意图。其中一体化油机集成了油箱和ATS,铁锂电池系统包括铁锂电池组和BMU(BMU为铁锂电池管理单元,BMU具有过放、过冲、过流、温度等保护功能,并使电池系统与直流电源良好通讯),直流电源系统集成了AC/DC整流模块、防雷、配电等,直流电源系统和铁锂电池系统安装在室外电源柜,无线BBU(基带单元)&RSU(射频单元)、微波IDU(微波室内单元)、DCPD(直流配电)等则安装在室外BTS柜。ATS、油机控制屏、铁锂电池BMU、环境和温度等监控信号汇总到直流电源CSU,然后再通过BBU提供的IP链路传到后台网管。

  无市电时供电方案是油机+大容量铁锂电池(图2示意图去掉市电);市电每日停电小于6小时,则不需要油机,供电方案是市电+大容量铁锂电池(图2示意图去掉油机);市电停电大于6小时,供电方案是市电+大容量铁锂电池+油机(如图2所示)。

  工作原理:

  ·无市电时,油机+大容量铁锂电池解决方案

  电池放电深度达到85%时(可设置),启动油机给设备供电并给电池充电,电池充满后油机停止工作由电池给设备供电,油机、电池循环工作,如果电池放电达到85%但油机启动失败则给后台发出告警。

  ·有市电但市电差时,市电+大容量铁锂电池、市电+大容量铁锂电池+油机解决方案

  当有市电时,市电给设备供电并且快速对铁锂电池进行充电。当市电停电时,电池给设备供电。当电池放电深度达到85%时(可设置),市电还未恢复,如果有油机则启动油机给设备供电并给电池充电,电池充满后油机停止工作由电池给设备供电,如果无油机或者启动油机失败则给后台网管发出告警。

  铁锂电池持续充电电流可以达到0.5C,脉冲充电电流可以达到1C,充电电流一般设置在0.3~0.5C,保证3个小时内充满。当市电电压偏低时,直流电源输出功率下降,为防止过载,直流电源可以自动调低充电电流。

  上述解决方案具有降低OPEX,节省燃油、节省油机维护工作量、节省空调配置成本和空调能耗(电费、油费),减少油机和空调噪声的特点。在上述解决方案中,用铁锂电池作为快冲电池和深循环电池,相比AGM快冲电池和GEL电池的优、劣势有:

  上述基于铁锂电池的供电方案主要应用在经济落后的无市电偏远农村、山区、海岛、沙漠中高温地区以及经济发展中的市电不稳定的城区、郊区。

  下面针对上述无市电以及市电差两种电网场景,选择典型无线室外站进行站点能源TCO对比分析。

  ·无市电

  通过上面的定量对比分析,对于无市电的郊区、农村,油机+铁锂电池方案比油机+2V GEL方案单站节约成本分别达到18万和5万元多,这种场景下单站铁锂电池初期配置成本比铅酸高出1万多元,但GEL电池站点因为增加了空调对电池制冷,单位小时耗油量增加了,最终累积10年的油费增加较多;对于有市电的城区、郊区站点,市电+铁锂电池方案比市电+AGM快冲电池方案,单站10年节约成本4万元左右,节约成本不明显,主要是在高温地区采用铁锂电池后不用装空调,省了空调的配置成本和空调的电费,此外减少了空调的噪声,对于基站需要安装在居民院子的情况有利。

  目前铁锂电池初始成本是铅酸电池的4倍,随着铁锂电池的量产、生产工艺改进与提高、锂离子材料的价格下降,铁锂电池的价格会逐步下降,文中基于铁锂电池的混合供电方案,方案成本竞争力会逐步提升。

  当然,传统的铅酸电池技术也在改良,例如电池供应商南都、纳奇去年推出了高温铅酸电池,该产品可在35℃~40℃环境温度下长时间工作,同等温度条件下,较普通铅酸电池寿命提升一倍以上。高温铅酸电池在高温地区,需要采用市电+快冲电池方案的站点,将逐步取代普通AGM快冲电池,并与铁锂电池形成一定程度的竞争。

  另外,以往的铁锂电池寿命试验通常是在单体上进行,因此需要补充进行大容量组合电池的循环寿命试验,并就串并联对寿命衰减的影响进行评估。

  2、市电良好地区

  铁锂电池因为体积小、重量轻、放电电流大倍率放电性能好、耐高温的特性,除了在上述市电差或者无市电地区作为大容量储能场景,在市电较好、功耗较小的室内/高铁/隧道分布式基站RRU、以及室外一体化微基站(SmallCell),均可以作为短时备电的选择。

  充分发挥锂离子电池体积小、重量轻的优势,将锂离子电池系统与直流开关电源或整流器有机集成为一体化直流不间断电源系统,满足分布式基站RRU供电以及室外一体化微基站供电解决方案的要求,是未来中小型直流电源系统的技术发展趋势之一。

  针对分布式基站RRU,中兴通讯壁挂式电源原来是用小容量铅酸电池(一组38Ah GEL电池)作为后备电电池,后续将被替换成更小容量的铁锂电池(比如10Ah、20Ah)。

  针对室外一体化微基站(BBU和RRU共同封装在一个金属壳子里,防护等级IP55,采用自然冷却),为实现站点设备全部室外化、自然冷却,各家无线设备供应商预计将在近年推出一体化直流电源,把整流模块与铁锂电池用金属外壳包在一起,体积在10~20升之间,整流模块10A,铁锂电池容量10Ah、20Ah,满足直流供电和短时备电需求,支持双扇区400W功耗的微基站以及回传设备(纯室外微波或者WIFI设备)。

  下表是市电良好、高温环境下,铁锂电池和12VGEL电池作浮冲、短时备电情况下的TCO对比分析。

  可见,以10年为一个TCO考察周期,作浮冲用、40℃环境温度下,因为铁锂电池10年内不需要更换,即使相比12V GEL电池初期投入成本略高,但10年后TCO却略低,如果考虑上站更换电池的人工成本,TCO相差还要大些。国内移动运营商移动、联通、电信正是看中了铁锂电池的体积小、重量轻、温度适应范围广、绿色环保无污染的特点,从09年开始就逐步利用铁锂电池作为RRU拉远、一体化微基站的后备电池方案,如果铁锂电池成本进一步下降,相信这些场景下铁锂电池的市场占有率将急速提升。


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