磷酸铁锂电池在电力通信系统应用探讨

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摘 要：该文分析了磷酸铁锂电池的原理、特性，通过和目前电力系统通信普遍采用的铅酸电池比较，对磷酸铁锂电池应用于电力通信电源系统的可行性进行了探讨，提出该类型电池用于电力通信电源系统的应用方法和前景。

关键词：电力通信 电源 磷酸铁锂电池

中D分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0034-04

Lithium Iron Phosphate Battery Applied in Power Communication System to Discuss

Zhang Heming1 Wei Yong1 Meng Xian1 Zhang Jingna2 Dai Xuejiao2

（1.State Grid Hebei Electric Power Company & Telecommunication Branch；2.Hebei Electric Design & Research Institute， Shijiazhuang Hebei， 050031，china）

Abstract： This paper analyzes the principle and characteristic of lithium iron phosphate batteries. Compared with the Lead-acid batteries which are widely used in power system，the feasibility of lithium iron phosphate batteries applied to power communication system is discussed.The application methods and prospects of the lithium iron phosphate batteries used in power communication system are put forward in this paper.

Key Words： Power communication； Power； Lithium iron phosphate battery

电力通信电源系统作为电力通信专网的重要组成部分，其可靠性和续航能力直接影响着电力通信网的安全、可靠运行。多年来，铅酸阀控蓄电池以其维护简便，放电率高和寿命长等特点，广泛应用于通信电源系统。近年来，电池储能技术得到快速发展，以锂电池为代表的储能电池技术异军突起，已广泛应用于电动汽车、自行车等领域，取得了丰富的应用经验。随着聚合物磷酸铁锂电池技术的逐渐成熟，通信领域也开始应用于通信电源系统的研究，蓄电池厂商也积极开展通信铁锂电池的开发和实验，并已经形成产品系列开始商用。

1 磷酸铁锂电池的基本原理和特性

磷酸铁锂电池内部结构由极板、隔板、电解液、外壳、安全阀、端子等组成。磷酸铁锂材料为磷酸盐类嵌锂材料，晶体结构稳定，充放电过程中不易发生变形或破坏；锂离子反复的嵌入和脱出只会引起负极材料的层间距变化，也不会引起材料晶体结构的破坏。因此磷酸铁锂有很好的抗高温和抗过充电性能，同时循环性能也很好；另外，以凝胶聚合物电解质代替液体电解质，电池无漏液，电池的尺寸形状容易设计，安全性更高[1]。具体来说磷酸铁离子电池有以下几种特性：

（1）能量密度高。

（2）安全性强。

（3）高低温性能优越。

（4）高效率输出。

（5）长循环寿命。

（6）环保及节能减排。

2 磷酸铁锂电池和铅酸电池的比较

磷酸铁锂电池应用于电力通信系统，主要应用场景包括调度大楼或通信电源机房容积与建筑物承重不能满足铅酸电池的体积和重量，市电不稳定且停送电频繁，较高的环境温度，等等。以下将结合各种应用场景的功耗、后备时间进行电池容量比较和分析。

（1）铁锂电池与铅酸电池的性能对比。

目前，电力系统普遍采用铅酸阀控蓄电池组，表1为磷酸铁锂电池和铅酸电池性能比较。

按照表1、表2中磷酸铁锂电池的性能参数比较，磷酸铁锂电池在重量、体积、循环寿命、高、低温性能、充放电率等，都明显优于铅酸电池，在实际应用中，电力通信电源宜选择15～16只磷酸铁锂电池单体电池组成蓄电池组。

（2）典型通信站电池配置综合比较。

以常见的电力通信站点配置的300 Ah铅酸蓄电池为例，对配置两种电池进行比较。

①容量。

表3是某品牌的铅酸蓄电池恒电流放电参数。对于300 Ah的铅酸电池，其恒荷载电流53.4 A，满足5 h的续航能力。

表4是某品牌的磷酸铁离子电池恒电流放电参数，要满足其荷载电流50 A，5 h的续航能力，只需配置200 Ah蓄电池组。

通过比较可得出，铁锂电池放电容量受不同放电率的影响效应优于铅酸电池，故可选较小容量的电池满足相同通信负载的续航需求。即选择200 Ah铁离子电池其效能于300 Ah铅酸电池相近。

②面积和荷载。

表5给出了300 Ah、200 Ah铁离子电池和300 Ah铅酸电池的安装方式、安装尺寸和重量、压强。

通过对比，一组48 V/200 Ah铁锂电池组与一组48 V/300 Ah 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%，前者重量是后者的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%。同是一组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%，前者重量是后者的34%。故采用铁锂电池可有效的缓解通信机房面积受限或荷载受限。对于机房面积紧张或由于楼层荷载不能扩容的通信电源应用场所，不失为一种较好的解决措施。

③环境温度。

铅酸电池适用的环境温度为25℃，温度每升高10℃，使用寿命约降低50%[2]，在40℃～50℃高温环境下连续使用，铅酸电池寿命1～2年，胶体电池是3～4年。磷酸铁锂电池循环寿命长，耐受环境温度高，m应温度35℃，在55℃环境温度下，仍具有很好的放电性能，且其高温寿命明显高于铅酸电池。同时，使用磷酸铁锂电池可将机房内环境温度调至调高30℃～35℃，节能减排明显。

在中低压配电通信电源应用场所，如开闭所、供电所、电源配电箱、变压器台、柱上开关等环境条件恶劣且停电频繁的场所，磷酸铁锂电池的高温特性和循环寿命长，非常适合应用于其后备电源。

④经济性。

以效能相同的300 Ah铅酸电池和200 Ah磷酸铁离子电池进行经济性比较。按目前市场价格，一组8 V/300 Ah 铅酸电池市场国产品牌价格约16 800 元，进口品牌价格约为40 000元。48V/200 Ah铁锂电池价格约27 200元，约是国产价格的1.6倍，进口价格的0.7倍。磷酸铁离子的适用寿命（常温）比铅酸长约1/3，而高温下的使用寿命为铅酸电池的2倍，所以，如两种电池都以国产电池进行经济比较，其经济性相当，若与进口铅酸电池进行经济比较，磷酸铁离子电池经济性占优。综合考虑机房面积减少、重量减少可以降低机房建设成本等因素，磷酸铁离子电池综合性价比优于铅酸蓄电池。

4 磷酸铁锂电池在电力通信电源系统的应用

（1）电池组的组成。

电池组包括两部分：电池模块和电池管理系统，其中电池模块由一个或多个电池组合而成[3]。

电池管理系统（BMS）主要包括：智能充电管理、电池的均衡管理、智能间歇式充放电管理以及通信及检测功能，具有过充保护、过放电保护、过放电电流保护、短路保护，温度控制等功能。

电源管理系统需要注意的是磷酸铁锂电池的充电环境温度一般为0℃～55℃，低于0℃充电对电池会有不可逆的破坏，高于55℃充电可能会出现析锂现象而发生危险。无论是否具有电池管理系统（BMS），都需要对电池的单体温度进行有效的监控。

（2）磷酸铁锂电池工作方式。

目前，磷酸铁锂电池在通信系统中应用的工作方式主要有三种：

①磷酸铁锂电池替代原有铅酸电池，蓄电池直接挂接在系统母排上，处于在线浮充状态；

②为磷酸铁锂电池配置BMS系统，控制电池的充放电过程，蓄电池挂接在系统母排上，处于在线浮充状态；

③为磷酸铁锂电池配置BMS系统，控制电池的充放电过程及系统工作状态，蓄电池经转换装置挂接在系统母排上，处于智能间歇式充放电状态。

（3）磷酸铁锂电池在电力通信电源系统的典型实际应用。

①机房面积和荷载受限的调度大楼、通信站通信机房。

在电力调度大楼通信电源室，一般都有2～4组容量在500～1 000 Ah蓄电池作为备用电源，电源室铅酸电池占地面积大、重量过重，当供电荷载增大而引起扩容需求时，室内空间和楼层荷载限制制约了蓄电池扩容的可能。采用一体化开关电源配合磷酸铁锂电池，可有效的降低机房中电源及电池的占地面积，满足设备扩容的需求。同时铁电池耐高温性能优异，可以将室内空调启动温度提高到35℃左右，能够降低空调的能耗。

②停电频繁的通信站点

在生活区、办公区和偏远郊县的站点，由于供电条件限制，经常出现频繁停电，由于磷酸铁锂电池具有长循环寿命和高放电率，在这些站点采用铁锂电池，可有效的提高通信设备供电安全可靠性，综合效益明显。

③变电站、供电所无空调的通信站点。

在县域通信网，部分变电站和供电所规模小、配置小，基本上都没有空调，而且市电供电不可靠，铅酸电池在恶劣环境下工作的寿命短、更换频繁、维护成本高。由于磷酸铁锂电池高温性能好、可深度充放电，循环寿命长，体积小、重量轻，安装轻便，能有效改善通信设备供电质量，提高运行率。

④终端接入通信网。

在终端接入通信网的开闭所、配电箱、变压器台、柱上开关等场所，环境分散、场所小、环境恶劣，一般采用后备电池容量较小，且由于环境条件恶劣，采用铅酸蓄电池寿命通常不超过2年，且体积大，不易内置集成。采用磷酸铁锂电池，耐高温性能优异，寿命达到5～10年，由于体积小，可很容易内嵌在设备箱体内，为设计、安装、维护带来相当的便利。

5 结语

磷酸铁离子电池依其质量轻、体积小、能量密度高、耐高低温、循环寿命长、大电流放电、环保无污染等优点，在电力通信电源系统有一定的应用空间。在现阶段，可实验性的引入电力通信电源系统，进一步验证其性能和效果，积累运行维护经验，随着磷酸铁锂电池产品自身性能的不断提高，生产成本的进一步下降，可逐步代替传统的铅酸蓄电池在电力通信网广泛应用。

参考文献

[1] 禹筱元，刘业祥，胡国荣.锂离子电池用有机电解液和聚合物电解质的进展[J].材料导报，2003，17（5）：58-61.

[2] 桂长清.通信用阀控式铅酸电池检测与维护技术[J].蓄电池，1998（3）：28-33.

[3] 中国通信标准化协会.YDB 032-2009通信用后备式锂离子电池组[Z].2009.