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通信电源
磷酸铁锂电池在直流供电系统中应用
文章来源:本站原创  发布时间:2014-08-08  浏览次数:972

磷酸铁锂电池在直流供电系统中应用

 

郭彦申 李进壮

(总参通信工程设计研究院 邮编110005)

摘  要:针对通信局(站)采用铅酸蓄电池作备用电池的局限性,本文提出了磷酸铁锂电池(LiFePO4)代替铅酸电池的可行性及使用范围,并就其在通信局(站)应用的技术方案、关键技术和经济指标进行分析论证。

关键词:磷酸铁锂电池 直流供电系统 间歇式充电


1.前言

蓄电池组是通信电源系统中不可缺少要素,是交流电源中断后确保通信设备持续供电的最后保障。阀控式密封铅酸蓄电池组由于技术成熟、初期成本低、维护简洁、与电源设备配合简单等因素成为通信局(站)主要备用电池,但其具有功率能量低、环境要求高、在线确定容量困难、循环使用寿命短短、不适合大电流充放电、污染严重等缺点,需要寻找一种能够替代阀控式铅酸蓄电池组的备用电池。本文就相关问题进行探讨。

2.通信局(站)应用分析

2.1必要性及可行性分析

锂离子电池指以两种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成。其充放电化学反应方程式为:

LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4;

FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4(1-x)LiFePO4;

目前常见的锂离子电池及其性能比较详见表1。LiFePO4和阀控式密封铅酸蓄电池性能比较详见2。

通过表1、2分析可知,LiFePO4与其他锂离子电池相比具有循环寿命长、安全性能好、价格适中和环保无污染特性,在锂离子电池中是一种最理想的备用电源;LiFePO4与铅酸电池组相比,具有适合大电流放电、循环寿命长、耐高温、体积小、重量轻、无污染等优点,适合在通信局(站)代替阀控式密封铅酸蓄电池。



表1  各种常用锂离子电池组的性能特点

表2  LiFePO4和阀控式密封铅酸蓄电池的性能比较 



2.2.主要技术优点

LiFePO4主要优点:标称电压3.2V,48V系统由15只或16只电池串联组成,与阀控式密封铅酸蓄电池相比,串联电池节数少、可靠性高;工作温度范围广,充电工作温度0~45℃,放电工作温度-20~60℃;解决了包括爆炸在内的安全问题;电池组的开路电压、容量一致性好;放电性能好、适合大电流放电;电池组的循环寿命应不少于1000次;电池组电磁兼容性好;整个生产过程清洁无毒;磷酸铁锂电池采用磷酸源、锂源和铁源材料,无战略资源及稀有资源,价格便宜。

2.3.使用范围

当前大多中小型通信局(站)机房由非专用机房改造而成,交流电源、承重、环境温湿度等要素根本达不到通信机房标准要求。安装阀控式密封蓄电池组时需要进行加固处理,备用电池充放电频繁,蓄电池组寿命很短,2~3年就需要更换。中小型通信局(站)的负荷容量一般比较小,可采用LiFePO4代阀控式密封蓄电池组。LiFePO4能量密度高,重量只是铅酸蓄电池组的三分之一左右,对机房承重要求比较低,不需要特别考虑电池机房承重加固;LiFePO4比能量高、整组电池的重量和体积小,可以与设备同机架安装,占地面积小,节省土建投资;LiFePO4适应的环境条件宽泛,循环寿命长,可以降低机房环境条件的整治、减少更换备用电池的频率;综合性价比高,采LiFePO4节省机房改造费用、环境条件保持的维护费用,自身寿命也比铅酸蓄电池组长。

当前LiFePO4单体容量不大于100Ah,系统容量不大于500 Ah, 特别适应于设在恶劣环境地区的中小型通信局(站)的直流供电系统,后备时间4小时左右时负荷不宜大于100A,根据后备时间长短,可相应增减负荷容量。

3.直流供电系统应用方案

3.1 技术方案

LiFePO4在通信局(站)直流供电系统的应用主要是作为后备电池,其系统组成由高频开关组合电源、直流供电系统及相应的配电设备组成,直流供电系统通常由16只单体电池组成,利用并联间歇充电方式在线运行,如图1所示。

正常情况下,交流市电通过高频开关整流模块变换为48V直流电源,给所供负载供电。同时实时在线监测LiFePO4的实时容量,当实际容量低于一定值(可设)时,高频开关组合电源给LiFePO4充电,直到容量达到一定范围。当市电停电后,由LiFePO4给负载供电,直至放电到终止电压;当市电恢复后,由监控系统自动转换到整流模块工作状态,同时为负载供电、LiFePO4充充电。

3.2 技术难点

3.2.1电池管理系统

电池管理系统的英文翻译为Battery Management System,主要用于对蓄电池充放电过程进行管理,提高蓄电池使用寿命和安全性,并为用户提供相关信息的电路系统的总称,一般由监测、保护电路、电气、通讯接口、热管理装置等组成,用BMS表示。 LiFePO4的BMS电池管理系统应具有以下功能:

精确地监测电池组的各种运行参数,如单体模块电压、电池组总电压、电池温度、电流和容量等,其中电压显示精度优于0.5%、电流显示精度优于2%、容量显示精度优于5%;通过测出的电池参数预计电池组的荷电状态值(State of Charge)、最大允许充放电电流、放电深度等;根据电池当时的状态决定采用适当的充放电均衡策略,确保电池的性能发挥到最大程度;具有电池组过充/过流告警、放电欠压/过流告警、充电过压告警、放电欠压告警、极性反接告警、容量过低告警、温度/电压/电流传感器失效告警功能;具有精确充放电管理功能。可以对电池逐只进行充电管理和检测,采用间歇式充放电管理模式,有利于维护电池的寿命和性能。

3.2.2 BMS与既设电源监控系统融合问题

BMS系统是由大量电子电路组成的不同功能板块集成,直接和LiFePO4模块集合,完成对电池管理的预定功能。由于LiFePO4在通信局(站)的应用属于试用阶段,至今还没有开发出针对LiFePO4的高频开关电源监控系统,而是在采用铅酸蓄电池组的高频开关电源监控系统基础上,对BMS系统进行改造。由于LiFePO4与铅酸电池组的充电、放电机理不同,电池管理的内容存在差距,其监控单元无法通用,成不匹配问题。LiFePO4监控内容更加复杂,目前没有通用的标准协议。应开发针对LiFePO4的电源监控系统,同时把BMS管理系统的非电池保护单元直接设置在电源监控系统内。

3.2.3容量计算

目前国家及通信行业标准没有LiFePO4在通信局(站)应用的容量配置计算方法,通信电源工程人员无法可依。根据放电性能,给出其容量计算公式: 

其中--电池组容量(Ah),根据计算容量及电池型号确定。--安全系数,无特别规定时取1.25。--负荷容量(W)。--后备时间,单位小时。

3.3 经济分析

备用电池的经济技术分析不仅强调初期设备安装的工程费,更要强调整个生命周期的购置安装费用、附属设施的成本、运营维护费、寿命终止销毁费等的综合性价比。这里备用电池的综合性能分析用下公式表示:

其中——综合性价比指数。越小,电池越经济,反之亦然。——备用电池寿命周期内的各种费用综合,包括设备的购置安装费用、附属设施的成本、运营维护费、寿命终止销毁费等。当不计取运营维护费、寿命终止销毁费时为初期投资。——通信设备工作负荷。——备用电池的使用寿命。

以某典型通信局(站)为例进行经济技术分析。该站直流通信负荷为48V/100A。根据上述计算规则进行比较,详见表3。

性能分析基本要求:阀控式密封铅酸蓄电池循环使用寿命不低于400 次,寿命按5 年折算,LiFePO4循环使用寿命不低于1000 次,寿命按10 年折算。铅酸电池组安装面积按宽600mm、深800mm 标准机柜折算,由于可以靠墙安装,每个机柜面积按1.75 m2计算;LiFePO4安装面积按宽600mm、深600mm 标准机柜,和其他机柜相邻安装,每个机柜面积按1.8 m2计算。根据规范要求,装蓄电池组的机房承重要求为16kN/m2,LiFePO4机房承重要求为6kN/m2。由于阀控式密封铅酸蓄电池和LiFePO4均属于免维电池,维护费和寿命终止销毁费统一不计取。

根据市场调研,机房基本造价按2000元/m2计取。为满足承重要求机房增加费用,6kN/m2标准按600元/m2、16kN/m2标准按1000元/m2计取。铅酸电池组的安装价格按48元/Ah/48V;LiFePO4的造价按160元/Ah/48V。



表3 锂离子电池组和铅酸蓄电池组综合性价比较表


从初期投资看,采用锂离子电池明显大于采用阀控式密封铅酸蓄电池组,一般为1.5~2.5倍。

从全寿命周期内其综合性价比指数看,电池短时间放电时(电池后备时间小于3小时),采用LiFePO4的性价比明显优于阀控式密封铅酸蓄电池组;长时间放电(电池后备时间大于6小时),采用LiFePO4的性价比与阀控式密封铅酸蓄电池组相比略高但差距不大。

4.结束语

在通信局(站),LiFePO4代替铅酸电池不仅在直流供电系统,理论上还可以用在UPS电源系统、风光互补新能能源系统和240V高压直流供电系统中,其应用的瓶颈仍然是BMS管理系统与其他电源监控系统的无缝融合。


参考文献

1  吴宇平,锂离子电池——应用于实践.[M],北京:化学工业出版社,2011.12

2  黄可龙、王兆祥、刘素琴,锂离子电池原理与关键技术.[M],北京:化学工业出版社,2007.12

3  王秋虹、郑胜国.化学电源.[M],重庆:重庆通信学院.2006.7

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