磷酸铁锂电池在移动通信系统中的应用.ppt

中国移动研发项目结题汇报报告,2010年11月22日,项目名称：磷酸铁锂电池在移动通信系统中的应用研究,一.开题计划完成情况,目 录,二、主要研究成果,研究背景及目标（开题报告）,目前在通信行业中所大量使用的阀控式密封铅酸蓄电池，经过数年的建设及运行维护，还主要存在以下比较突出的问题：能量重量比、能量体积比都较低，电池重量重，占地面积大，对于楼板承重和机房面积要求较高，给机房、基站选址带来很大的困难；运行环境温度要求高，阀控式密封铅酸蓄电池能够正常工作的温度范围比较窄，对于环境相对恶劣的一些直放站等室外一体化基站，由于温度变化范围大，阀控式铅酸蓄电池的使用寿命大大降低；充放电效率低，随着充放电频次的增加，充放电效率会逐步下降；阀控式铅酸蓄电池寿命短，基站中使用年限约为35年。铅酸蓄电池中大量使用铅，而铅是重金属，对人体和环境都将造成危害，为此铅酸电池对环境污染较大。,基于上述原因，需要寻找新型能源设备并研究其在通信领域中的运用；目前市场上应用的锂离子电池主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等几种主流锂电池，钴酸锂、锰酸锂电池能量密度最高，磷酸铁锂电池次之，但钴酸锂、锰酸锂电池因大容量安全性难以解决，故只有小容量电池在使用，如手机电池、笔记本电池、军方等使用，且造价昂贵。近几年磷酸铁锂电池虽然能量密度比钴酸锂、锰酸锂电池低，但其安全性已得到认可，开始逐步应用于电动车领域，单体磷酸铁锂电池容量目前我国做的最大（我国拥有自主知识产权），产品已有1200AH，批量产品已有700AH、1000AH，电动轿车、摩托车、电动公交车等已有应用产品。,研究背景及目标（开题报告）,磷酸铁锂电池虽然相对于钴酸锂、锰酸锂电池能量密度比低（但能量密度却远远高于铅酸电池），但其制造成本也远小于钴酸锂、锰酸锂，我国锂矿储量（主要在新疆）非常丰富，制造原材料充足，加上其安全可靠性远远高于钴酸锂、锰酸锂电池，非常适合做动力电池，目前电动车的应用前景非常广阔。,研究背景及目标（开题报告）,目前了解的磷酸铁锂电池的特点（有待实验验证）充放电循环次数约2000次（相当于目前使用的阀控式铅酸蓄电池500次的4倍）。温度范围宽，可使用于-20+70环境中，高温对其寿命的影响很小（应用于基站的话，可提升空调温度或关闭空调，节能效果显著）。体积和重量相当于同容量阀控式铅酸蓄电池的1/3左右。可快充、快放，充电效率高，大电流放电容量折损小（节能）。绿色环保，废旧电池可完全回收，对环境无污染。,研究背景及目标（开题报告）,基于上述原因，目前我国锂储量非常丰富，磷酸铁锂电池的制造研究技术世界领先，大规模现代化制造线逐步成熟，供应不存在问题，不存在生产瓶颈。通过磷酸铁锂电池在开关电源系统、UPS系统的适用研究，一旦适合在通信系统应用，其优点将会解决楼板的承重问题；减小蓄电池的占地面积；温度范围宽将会减少空调耗电、节能并且解决室外电源的备用电池等繁杂问题；废旧电池回收方面环保等，有助于提升整个中国移动的能效水平、降低TCO等，其一定会成为铅酸蓄电池的替代产品，在通信电源领域具有革命性的意义。,研究背景及目标（开题报告）,1、鉴于磷酸铁锂电池宣传的高寿命、宽温度范围、大电流充放电性能优异、体积小、重量轻、节能环保等突出特点，特制订本研究方案，以研究其在通信系统应用的可行性、适应性、安全性等。2、研究其组成-48V系统后与开关电源的适应性：充电参数设置、蓄电池管理、电压均衡性测试等。3、评价磷酸铁锂电池应用情况，进行与阀控式铅酸蓄电池、胶体电池等各方面综合对比。最终目标：将磷酸铁锂电池安全可靠的应用于通信系统。,研究背景及目标（开题报告）,1.1 研究背景及目标（开题报告）,磷酸铁锂电池仅在电动车等民用方面有一定经验，在通信领域还是空白,1.2 主要研究内容及分工（开题报告）,（1）铁锂电池的技术特性和参数（2）适用于通信电源系统的关键技术指标：充电方式、充电电压、放电终止电压、充放电特性、温度特性、不同倍率不同电压充放电；（3）组成48V系统的电池组只数（4）充电电压均衡性测试（5）容量均衡性测试（6）高低温充放电特性（7）安全性方面，包括过充、大电流充放电、安全电压等级、阻燃性能（8）循环寿命及浮充寿命（9）与铁锂电池配套的开关电源系统的适应性,试验室试验内容,1.2 主要研究内容及分工（开题报告）,试验站试验内容,在河南移动现有郑州基站建立磷酸铁锂电池试验站，在郑州市区选取了4个室内宏基站和1个室外宏基站作为磷酸铁锂电池试验站，在每个试验站安装监控系统采集每一只单体电池的电压等。1、磷酸铁锂电池用于通信电源系统的适应性、安全性等；2、确定磷酸铁锂电池在通信电源系统中的各种技术参数；3、得出磷酸铁锂电池的容量特性、充放电特性；4、提出系统安全运行的技术方案；5、评价磷酸铁锂电池的应用情况包括与阀控铅酸蓄电池、胶体电池各方面进行综合对比等；,1.3 开题计划完成情况总结,从2008年9月第一批电池送检开始，一直到2010年10月，开题报告中计划的试验室检测和试验站测试内容大部分已经完成，但是还有一些需要长时间测试的项目正在进行：（1）16只成组电池的高压及低压（3.6V、3.45V、3.4V）长期充电和放电均衡性需进一步验证。（2）高低温环境充放电循环性能试验（3）循环寿命及低电压充电寿命试验（4）安全性试验 过充电、过放电、壳体阻燃性能、安全阀开启后性能（易燃易爆性能）、针刺、挤压、短路等特性。,一.开题计划完成情况,目 录,二、主要研究成果,2.1 试验基本情况,试验室试验情况,从2009年8月第一批由浙江佳贝思送检60Ah磷酸铁锂电池开始，到目前共有4个企业8种型号，容量范围10Ah700Ah的铁锂电池送样检测（目前仍有部分电池的试验正在进行），这8种型号的铁锂电池根据制作工艺不同分为以下三类：第一类、不含BMS系统的单体电池；第二类、用较小容量电池并联组成容量较大的电池（40Ah），不含BMS系统；第三类、将BMS系统和多只电池封装在一起组成48V电池组。,2.1 试验基本情况,由于测试的样品中含BMS系统的单体电池最大只有40Ah，因此我们测试的重点是不含BMS系统的单体电池：,2.1 试验基本情况,48V电源系统中的设置参数,试验室测试结果,2.1 试验基本情况,2.1 试验基本情况,2.1 试验基本情况,试验室测试结果,大电流放电能力较强,高温充放电能力较强,电压均衡性目前正常,2.1 试验基本情况,试验站基本情况统计表,试验站测试情况,2.1 试验基本情况,2.1 试验基本情况,2.1 试验基本情况,2.1 试验基本情况,2.1 试验基本情况,试验站测试情况,阶段性容量测试,日常监控数据,电池组的0.55C容量（能够达到10小时率容量（0.1C）的98%以上,5个试验站中运行时间最长的已经超过半年，目前运行情况良好,电池组的0.55C容量基本上能够达到初始容量的90%以上,2.2 主要结论及技术特点分析,参数的设置符合正常运行要求,实验站情况,4个宏基站各2组300Ah,1个室外一体化站2组200Ah,5月10月,8月10月,未采用均衡电路,均运行良好电压离散性均在可控范围内,2.2 主要结论及技术特点分析,磷酸铁锂电池的高温充放电特性较好，高温40、60的放电容量与25时的容量基本一致,磷酸铁锂电池的大电流放电特性较好，可以用1C(A)电流甚至更大电流进行快速充电,磷酸铁锂电池的均衡性特点还需要进一步完善,2.3 发现的问题及技术发展趋势,电池组开始均充,容量基本充满，个别单体电压过高,个别单体电压超过安全电压,电池内部发热，压力增大,充电电压均衡性带来的安全性问题,？,解决办法,电池上盖安装压力安全阀,改变充电方式减少浮充时间,2.3 发现的问题及技术发展趋势,放电电压均衡性问题 放电电压严重不均衡一般发生在放电末期，不会造成安全性问题，但多度放电会使电池损坏。目前，48V电源系统中的电池终止电压按总电压设置，在放电过程有个别落后电池的电压较快，会达到0V甚至反极，对该电池造成永久性损坏。铅酸电池也存在类似情况。建议重新考虑电池放电终止电压的判定方法。低温20以下放电情况应用 如果在低温20以下应用于通信电源供电系统，磷酸铁锂电池应采取保温措施。,2.4 引入策略分析,主要性能比较,2.4 引入策略分析,2V-300Ah铅酸阀控电池单体与3.3V-300Ah磷酸铁锂电池单体对比,目前磷酸铁锂电池单体容量达到1000Ah以上,2.4 引入策略分析,经济评价,磷酸铁锂电池在能量重量比、能量体积比、循环寿命、高温性能、放电特性等方面比阀控式密封铅酸蓄电池要优越很多，以下对2个分别采用2组48V-300Ah阀控式铅酸电池和2组48V-300Ah磷酸铁锂电池的基站进行全面的经济比较：,2.4 引入策略分析,采用阀控式铅酸电池（1）2组电池购置费：2x24x300 x2元/AH=57600元；（2）基站承重加固费：4000元6000元/站；（3）因其体积大导致机房面积加大，租金增加，在其5年使用期内增加的费用：100元/月x12x5=6000元；（4）基站空调1kw每天运行12小时，5年的空调电费：1kwx12hx365x5x0.9元/度=19710元；（5）使用年限：5年；寿命期内总费用：88310元，年均费用：17662元/年,经济评价,2.4 引入策略分析,采用磷酸铁锂电池（1）2组电池购置费：2x16x300 x15元/AH=144000元；（2）基站承重加固费：0元/站；（3）因其体积小，租用机房面积相对铅酸电池减少几平方，相对减少机房租金；（4）空调电费：采用磷酸铁锂电池后无需机房空调，基站可采用自然通风，能耗大大降低，节能效果明显；（5）使用年限15年；寿命期内总费用：144000元，年均费用：9600元/年,经济评价,2.4 引入策略分析,根据磷酸铁锂电池的技术特点，建议在以下情况下推广使用：（1）比阀控式铅酸电池寿命长，可以解决基站蓄电池频繁更换问题。（2）体积小重量轻，基站按照铁锂蓄电池无需再做承重加固，民房基本可满足要求，用在市中心机房面积比较紧张的宏基站，能够大大减轻选址难度。（3）大量基站可采用室外一体化基站，放置在楼顶或空地，减轻了新建站租赁机房难的问题，铁锂电池的高温充放电特性好，不再需要空调保证，具备通风就可以，且其寿命不会因为温度高而大量折损。（4）室内分布基站的墙挂电源可增加锂电池，提高安全可靠性。,推广价值,2.4 引入策略分析,（5）体积小重量轻，用在通信枢纽，将大大减少电池室的面积，尤其是IDC数据中心，UPS系统将因蓄电池的体积缩小而节约大量面积。（6）相对容量（特别是大电流放电情况）铁锂电池比铅酸电池较大，在同样负荷及备用时间的情况下，其铁锂电池比铅酸电池设计容量要小。（7）大电流充放电特性好，能更好地用于太阳能供电系统。（8）充放电循环次数多，特别适合充放制工作环境，车载通信、太阳能供电基站，以及市电质量不好、停电频繁的基站。,推广价值,37,结束,谢谢大家！,