??? 磷酸亞鐵鋰電池(以下簡稱“鐵鋰電池”)，是近幾年興起來的用磷酸亞鐵鋰作正極材料的一種鋰離子電池，由于鐵鋰電池具有體積小、重量輕、壽命長、耐高溫、大電流沖放電能力強(qiáng)、安全、環(huán)保等優(yōu)點，無線設(shè)備制造商、電信運(yùn)營商、鐵鋰電池供應(yīng)商都在投入資源，針對各種應(yīng)用場景和應(yīng)用環(huán)境下的新建基站和搬遷改造基站，進(jìn)行基于鐵鋰電池的節(jié)能減排需求收集、方案和產(chǎn)品規(guī)劃、架構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品測試和實驗局驗證，保證解決方案和產(chǎn)品的技術(shù)、質(zhì)量、成本、交付競爭力，以便大規(guī)模推廣和部署。
本文針對經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)市電差、無市電以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)市電良好三種市電場景下的典型無線站點，采用鐵鋰電池和采用鉛酸電池備電的兩種不同能源解決方案進(jìn)行了TCO對比分析，與業(yè)界共同探討鐵鋰電池和鉛酸電池解決方案的優(yōu)、劣勢，共同推動鐵鋰電池在無線通訊行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用以及鐵鋰電池的成本優(yōu)化和技術(shù)提升，為基站的節(jié)能減排、綠色環(huán)保做出貢獻(xiàn)。
一、鐵鋰電池解決方案的背景
1、無市電差或者無市電地區(qū)在一些發(fā)展中國家，例如非洲許多的國家，電力基礎(chǔ)設(shè)施非常落后，很多郊區(qū)、農(nóng)村、山區(qū)沒有市電，或者市電不穩(wěn)定，市電每日停電時間可以超出12小時，但通訊網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋到這些地區(qū)，需要在這些地區(qū)建設(shè)通訊基站。
在這些通訊基站，過去通常配置雙油機(jī)加小容量鉛酸電池(每日停電時間超出12小時)或者單油機(jī)加小容量鉛酸電池(每日停電時間小于12小時)作為供電解決方案，市電一停電，就啟動油機(jī)，油機(jī)出現(xiàn)了故障電池才放電。油機(jī)工作時間較長，站點的油耗非常大，對周圍住宅的噪聲污染和空氣污染也較大，此外每天油機(jī)運(yùn)行時間較長，油機(jī)的維護(hù)次數(shù)增大，維護(hù)人工成本和備件成本增大。隨著油費和人力成本的上漲，油費每升突破了8元RMB，假設(shè)為7.5KVA油機(jī)，帶載率為25%，油耗大約1升/小時，無市電情況下的雙油機(jī)輪流切換工作一年下來油費就有7萬元RMB，這讓全網(wǎng)平均APRU值本來就只有幾十元RMB的運(yùn)營商頭痛不已，考慮到這些經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的APRU值更低，在這些地區(qū)建設(shè)基站投資回報周期更長了。法國電信在肯尼亞的分支，全網(wǎng)運(yùn)維費用1500萬歐元，其中有700萬是能源方面的運(yùn)維支出，主要就是加油的油費以及油機(jī)運(yùn)維的人工、材料成本。
為了減少無線基站油機(jī)的運(yùn)行時間，甚至去掉油機(jī)，從2009年開始，無線設(shè)備制造商為無線運(yùn)營商提供了新的站點能源解決方案。針對無市電站點，油機(jī)+大容量GEL電池混合供電方案取代了傳統(tǒng)的雙油機(jī)方案，油機(jī)帶載率提高到50%~80%，油機(jī)運(yùn)行時間小于12小時，節(jié)省燃油40%，油機(jī)維護(hù)周期拉長一倍以上，每年維護(hù)油機(jī)的工作量減少，節(jié)約油機(jī)備件更換成本，而且降低了油機(jī)噪聲干擾以及對空氣的污染。針對有市電但市電不穩(wěn)定站點，市電+AGM快沖電池供電方案取代了傳統(tǒng)的市電+油機(jī)方案，實現(xiàn)在市電停電小于6小時單次停電時間小于3小時地區(qū)去掉油機(jī)或者只需按照比例配置少量的移動油機(jī)。隨著鐵鋰電池技術(shù)日趨成熟，從2011年開始，無線設(shè)備制造商又推出了新一代基于鐵鋰電池的油機(jī)+鐵鋰電池、市電+鐵鋰電池混合供電解決方案，取消了高溫環(huán)境下的空調(diào)配置或者降低了空調(diào)配置，進(jìn)一步節(jié)省了燃油消耗。
2、市電良好地區(qū)在市電良好地區(qū)，比如在人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大、中城市，3G網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)70%的業(yè)務(wù)會在室內(nèi)發(fā)生，室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的供電方案對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有較大影響。室內(nèi)覆蓋基本采用分布式基站實現(xiàn)，典型安裝場景包括地庫、樓內(nèi)弱電井、樓道、樓頂、大樓天井等。上述站點數(shù)量多，站點空間比較狹窄，缺乏空調(diào)等溫控設(shè)備，環(huán)境惡劣，需要防塵、防水、防盜等，建設(shè)速度要快，需要提供穩(wěn)定、可靠、易安裝、少維護(hù)的供電和備電解決方案。目前室內(nèi)覆蓋分布式基站主要有三種供電方式：(1)交流型，直接采用市電供電，投資小，但無備電，基站設(shè)備可靠性差，后期備電改造費用比初期建設(shè)高還高。(2)交流型，采用UPS提供后備電源，提供穩(wěn)定純凈的交流電源，具有短時備電，容易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，但電能多級變換，整體效率低。(3)直流型，直流電源供電，提供可靠的動力保障，可集中供電也可單獨供電，供電方案可靠，是室內(nèi)覆蓋首先方案。
我們針對室內(nèi)分布式基站，早期推出了壁掛式電源，內(nèi)含一個60A整流模塊和一組48V 38Ah GEL電池備電，其安裝方式靈活，可以壁掛，可以抱桿，充分利用機(jī)房空間，節(jié)省占地面積。隨著小容量鐵鋰電池產(chǎn)品系列產(chǎn)品日趨成熟，國內(nèi)外移動運(yùn)營商都提出了在市電良好地區(qū)的室內(nèi)覆蓋或者室外微型基站使用鐵鋰電池做為短時備電的需求，我們將適時推出用鐵鋰電池取代鉛酸電池的壁掛式電源以及一體化室外電源滿足市場需求。
二、鐵鋰電池特性介紹
鐵鋰電池是近幾年興起來的用磷酸亞鐵鋰作正極材料的一種鋰離子電池，中國在這個產(chǎn)業(yè)上，無論技術(shù)、設(shè)備、原料和市場均有一定的積累，產(chǎn)業(yè)研究報告認(rèn)為未來2～3年，鐵鋰電池將可能隨著市場推廣和應(yīng)用，規(guī)模量產(chǎn)后成本穩(wěn)步下降而進(jìn)一步提升市場占有率。鐵鋰電池一般包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、正負(fù)極引線、中心端子、絕緣材料、安全閥、PTC、電池殼等。鐵鋰電池工作原理是：電池充電時，正極材料中的鋰離子脫離出來，經(jīng)過電解液穿過隔膜進(jìn)入負(fù)極材料中；電池放電時，鋰離子又從負(fù)極中脫離出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜回到正極材料。
鐵鋰電池和鉛酸電池對比有以下優(yōu)勢：
·體積小、重量輕：鐵鋰電池體積和重量約為鉛酸電池的二分之一不到。一組48V 200Ah鐵鋰電池重量只有120Kg，而同等容量的一組48V 200Ah GEL電池(4節(jié)12V200Ah GEL電池)重量合計達(dá)到290Kg(為兼容室外柜電池艙尺寸，大容量48V 100Ah、200Ah鐵鋰電池體積與4節(jié)12V100Ah GEL鉛酸電池尺寸兼容)。
·壽命長：作浮沖用，在環(huán)境溫度2 0℃時條件下，12V GEL電池壽命是10年，而鐵鋰電池壽命是20年，是12VGEL的2倍。作循環(huán)用，在80%DOD/環(huán)境溫度25℃條件下，2V GEL鉛酸電池0.15C充放電，循環(huán)次數(shù)只有800次，而鐵鋰電池0.5C充放電，循環(huán)次數(shù)可達(dá)3000次以上，接近2VGEL的4倍。
·耐高溫：鉛酸電池高溫特性差，一般溫度相對于20℃每升高10℃，鉛酸電池壽命將縮短一半，在環(huán)境溫度60℃時鉛酸蓄電池已不能正常工作。作浮沖用，在環(huán)境溫度40℃條件下，12V GEL電池壽命只有2.5年，而鐵離電池壽命是10年，是12V GEL的4倍。作循環(huán)使用，為保證循環(huán)次數(shù)，環(huán)境溫度超出30℃時，鉛酸電池就要用空調(diào)降溫，增加空調(diào)成本和空調(diào)能耗，而鐵鋰電池，環(huán)境溫度45℃以內(nèi)時，可用風(fēng)扇散熱，即使在100%DOD/環(huán)境溫度55℃條件下，鐵鋰電池0.3C3充放電循環(huán)還能達(dá)到1000次。
·大電流充放電能力強(qiáng)：GEL鉛酸電池最大持續(xù)充、放電流小于0.2C10，而鐵鋰電池最大持續(xù)充電電流可以達(dá)到0.5C3，最大持續(xù)放電電流可以達(dá)到1C3。鉛酸蓄電池0.5C10放電放出的容量僅為0.1C10的55％左右，而鐵鋰電池0.5C3放電放出的容量為0.1C3的95％左右。
·安全、環(huán)保：鉛酸蓄電池主要原料是鉛與硫酸，生產(chǎn)和使用過程中對環(huán)境的污染比較嚴(yán)重。而鐵鋰電池對環(huán)境無污染、無毒，符合ROHS規(guī)定，更環(huán)保，另外電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會因為過程、溫度過高、短路而產(chǎn)生爆炸或者燃燒。
與傳統(tǒng)鉛酸電池比較，鐵鋰電池主要的問題是：初始成本價格較高，其他各項指標(biāo)明顯占優(yōu)。由于目前鐵鋰電池的機(jī)械化程度不高，還沒有實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、需要專門蓄電池管理系統(tǒng)、鋰材料價格較高的影響，目前鐵鋰電池初始成本是鉛酸蓄電池的4倍。但如果考慮電池循環(huán)壽命、浮沖壽命、深度放電率、快速充電、極好的高溫特性，在以下應(yīng)用場景在全成本上將具有競爭力。
·在頻繁停電的四類市電區(qū)域，短時備電，循環(huán)使用。該場景利用鐵鋰電池的深度放電率、長循環(huán)壽命，以及支持大電流快速充電特性，可以在極度惡劣的市電環(huán)境下應(yīng)用，保證循環(huán)壽命，取代2V AGM快充電池在市電+快沖電池方案中的應(yīng)用。
·在無市電區(qū)域，深度循環(huán)使用。該應(yīng)用利用鐵鋰電池深度放電率以及長循環(huán)壽命，取代2V GEL電池在油機(jī)+電池方案中的應(yīng)用。
·在頻繁停電的三類、四類市電區(qū)域，短時備電，循環(huán)使用。該場景利用鐵鋰電池的深度放電率、長循環(huán)壽命，以及支持大電流快速充電特性，可以在極度惡劣的市電環(huán)境下應(yīng)用，保證循環(huán)壽命，取代2V AGM快充電池在市電+快沖電池方案中的應(yīng)用。
現(xiàn)階段用于無線基站的鐵鋰電池，大部分是與直流開關(guān)電源系統(tǒng)配套使用的，鐵鋰電池組電壓等級為48V，常用的鐵鋰電池組容量等級有5Ah、10Ah、20Ah、30Ah、40Ah、50Ah、100Ah、150Ah、200Ah。鐵鋰電池組通過并聯(lián)，可以形成多種容量，滿足不同應(yīng)用場景下的備電需求。
三、鐵鋰電池和鉛酸電池解決方案TCO對比
1、市電差或者無市電地區(qū)
基于鐵鋰電池儲能的解決方案組成示如下意圖。其中一體化油機(jī)集成了油箱和ATS，鐵鋰電池系統(tǒng)包括鐵鋰電池組和BMU(BMU為鐵鋰電池管理單元，BMU具有過放、過沖、過流、溫度等保護(hù)功能，并使電池系統(tǒng)與直流電源良好通訊)，直流電源系統(tǒng)集成了AC/DC整流模塊、防雷、配電等，直流電源系統(tǒng)和鐵鋰電池系統(tǒng)安裝在室外電源柜，無線BBU(基帶單元)&RSU(射頻單元)、微波IDU(微波室內(nèi)單元)、DCPD(直流配電)等則安裝在室外BTS柜。ATS、油機(jī)控制屏、鐵鋰電池BMU、環(huán)境和溫度等監(jiān)控信號匯總到直流電源CSU，然后再通過BBU提供的IP鏈路傳到后臺網(wǎng)管。
無市電時供電方案是油機(jī)+大容量鐵鋰電池(圖2示意圖去掉市電)；市電每日停電小于6小時，則不需要油機(jī)，供電方案是市電+大容量鐵鋰電池(圖2示意圖去掉油機(jī))；市電停電大于6小時，供電方案是市電+大容量鐵鋰電池+油機(jī)。
工作原理：
·無市電時，油機(jī)+大容量鐵鋰電池解決方案
電池放電深度達(dá)到85%時(可設(shè)置)，啟動油機(jī)給設(shè)備供電并給電池充電，電池充滿后油機(jī)停止工作由電池給設(shè)備供電，油機(jī)、電池循環(huán)工作，如果電池放電達(dá)到85%但油機(jī)啟動失敗則給后臺發(fā)出告警。
·有市電但市電差時，市電+大容量鐵鋰電池、市電+大容量鐵鋰電池+油機(jī)解決方案
當(dāng)有市電時，市電給設(shè)備供電并且快速對鐵鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)市電停電時，電池給設(shè)備供電。當(dāng)電池放電深度達(dá)到85%時(可設(shè)置)，市電還未恢復(fù)，如果有油機(jī)則啟動油機(jī)給設(shè)備供電并給電池充電，電池充滿后油機(jī)停止工作由電池給設(shè)備供電，如果無油機(jī)或者啟動油機(jī)失敗則給后臺網(wǎng)管發(fā)出告警。
鐵鋰電池持續(xù)充電電流可以達(dá)到0.5C，脈沖充電電流可以達(dá)到1C，充電電流一般設(shè)置在0.3~0.5C，保證3個小時內(nèi)充滿。當(dāng)市電電壓偏低時，直流電源輸出功率下降，為防止過載，直流電源可以自動調(diào)低充電電流。
上述解決方案具有降低OPEX，節(jié)省燃油、節(jié)省油機(jī)維護(hù)工作量、節(jié)省空調(diào)配置成本和空調(diào)能耗(電費、油費)，減少油機(jī)和空調(diào)噪聲的特點。在上述解決方案中，用鐵鋰電池作為快沖電池和深循環(huán)電池，相比AGM快沖電池和GEL電池的優(yōu)、劣勢有：
上述基于鐵鋰電池的供電方案主要應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)落后的無市電偏遠(yuǎn)農(nóng)村、山區(qū)、海島、沙漠中高溫地區(qū)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的市電不穩(wěn)定的城區(qū)、郊區(qū)。
下面針對上述無市電以及市電差兩種電網(wǎng)場景，選擇典型無線室外站進(jìn)行站點能源TCO對比分析。
·無市電
通過上面的定量對比分析，對于無市電的郊區(qū)、農(nóng)村，油機(jī)+鐵鋰電池方案比油機(jī)+2V GEL方案單站節(jié)約成本分別達(dá)到18萬和5萬元多，這種場景下單站鐵鋰電池初期配置成本比鉛酸高出1萬多元，但GEL電池站點因為增加了空調(diào)對電池制冷，單位小時耗油量增加了，最終累積10年的油費增加較多；對于有市電的城區(qū)、郊區(qū)站點，市電+鐵鋰電池方案比市電+AGM快沖電池方案，單站10年節(jié)約成本4萬元左右，節(jié)約成本不明顯，主要是在高溫地區(qū)采用鐵鋰電池后不用裝空調(diào)，省了空調(diào)的配置成本和空調(diào)的電費，此外減少了空調(diào)的噪聲，對于基站需要安裝在居民院子的情況有利。
目前鐵鋰電池初始成本是鉛酸電池的4倍，隨著鐵鋰電池的量產(chǎn)、生產(chǎn)工藝改進(jìn)與提高、鋰離子材料的價格下降，鐵鋰電池的價格會逐步下降，文中基于鐵鋰電池的混合供電方案，方案成本競爭力會逐步提升。
當(dāng)然，傳統(tǒng)的鉛酸電池技術(shù)也在改良，例如電池供應(yīng)商南都、納奇去年推出了高溫鉛酸電池，該產(chǎn)品可在35℃～40℃環(huán)境溫度下長時間工作，同等溫度條件下，較普通鉛酸電池壽命提升一倍以上。高溫鉛酸電池在高溫地區(qū)，需要采用市電+快沖電池方案的站點，將逐步取代普通AGM快沖電池，并與鐵鋰電池形成一定程度的競爭。
另外，以往的鐵鋰電池壽命試驗通常是在單體上進(jìn)行，因此需要補(bǔ)充進(jìn)行大容量組合電池的循環(huán)壽命試驗，并就串并聯(lián)對壽命衰減的影響進(jìn)行評估。
2、市電良好地區(qū)
鐵鋰電池因為體積小、重量輕、放電電流大倍率放電性能好、耐高溫的特性，除了在上述市電差或者無市電地區(qū)作為大容量儲能場景，在市電較好、功耗較小的室內(nèi)/高鐵/隧道分布式基站RRU、以及室外一體化微基站(SmallCell)，均可以作為短時備電的選擇。
充分發(fā)揮鋰離子電池體積小、重量輕的優(yōu)勢，將鋰離子電池系統(tǒng)與直流開關(guān)電源或整流器有機(jī)集成為一體化直流不間斷電源系統(tǒng)，滿足分布式基站RRU供電以及室外一體化微基站供電解決方案的要求，是未來中小型直流電源系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢之一。
針對分布式基站RRU，中興通訊壁掛式電源原來是用小容量鉛酸電池(一組38Ah GEL電池)作為后備電電池，后續(xù)將被替換成更小容量的鐵鋰電池(比如10Ah、20Ah)。
針對室外一體化微基站(BBU和RRU共同封裝在一個金屬殼子里，防護(hù)等級IP55，采用自然冷卻)，為實現(xiàn)站點設(shè)備全部室外化、自然冷卻，各家無線設(shè)備供應(yīng)商預(yù)計將在近年推出一體化直流電源，把整流模塊與鐵鋰電池用金屬外殼包在一起，體積在10～20升之間，整流模塊10A，鐵鋰電池容量10Ah、20Ah，滿足直流供電和短時備電需求，支持雙扇區(qū)400W功耗的微基站以及回傳設(shè)備(純室外微波或者WIFI設(shè)備)。
下表是市電良好、高溫環(huán)境下，鐵鋰電池和12VGEL電池作浮沖、短時備電情況下的TCO對比分析。
可見，以10年為一個TCO考察周期，作浮沖用、40℃環(huán)境溫度下，因為鐵鋰電池10年內(nèi)不需要更換，即使相比12V GEL電池初期投入成本略高，但10年后TCO卻略低，如果考慮上站更換電池的人工成本，TCO相差還要大些。國內(nèi)移動運(yùn)營商移動、聯(lián)通、電信正是看中了鐵鋰電池的體積小、重量輕、溫度適應(yīng)范圍廣、綠色環(huán)保無污染的特點，從09年開始就逐步利用鐵鋰電池作為RRU拉遠(yuǎn)、一體化微基站的后備電池方案，如果鐵鋰電池成本進(jìn)一步下降，相信這些場景下鐵鋰電池的市場占有率將急速提升。
本文針對經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)市電差、無市電以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)市電良好三種市電場景下的典型無線站點，采用鐵鋰電池和采用鉛酸電池備電的兩種不同能源解決方案進(jìn)行了TCO對比分析，與業(yè)界共同探討鐵鋰電池和鉛酸電池解決方案的優(yōu)、劣勢，共同推動鐵鋰電池在無線通訊行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用以及鐵鋰電池的成本優(yōu)化和技術(shù)提升，為基站的節(jié)能減排、綠色環(huán)保做出貢獻(xiàn)。
一、鐵鋰電池解決方案的背景
1、無市電差或者無市電地區(qū)在一些發(fā)展中國家，例如非洲許多的國家，電力基礎(chǔ)設(shè)施非常落后，很多郊區(qū)、農(nóng)村、山區(qū)沒有市電，或者市電不穩(wěn)定，市電每日停電時間可以超出12小時，但通訊網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋到這些地區(qū)，需要在這些地區(qū)建設(shè)通訊基站。
在這些通訊基站，過去通常配置雙油機(jī)加小容量鉛酸電池(每日停電時間超出12小時)或者單油機(jī)加小容量鉛酸電池(每日停電時間小于12小時)作為供電解決方案，市電一停電，就啟動油機(jī)，油機(jī)出現(xiàn)了故障電池才放電。油機(jī)工作時間較長，站點的油耗非常大，對周圍住宅的噪聲污染和空氣污染也較大，此外每天油機(jī)運(yùn)行時間較長，油機(jī)的維護(hù)次數(shù)增大，維護(hù)人工成本和備件成本增大。隨著油費和人力成本的上漲，油費每升突破了8元RMB，假設(shè)為7.5KVA油機(jī)，帶載率為25%，油耗大約1升/小時，無市電情況下的雙油機(jī)輪流切換工作一年下來油費就有7萬元RMB，這讓全網(wǎng)平均APRU值本來就只有幾十元RMB的運(yùn)營商頭痛不已，考慮到這些經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的APRU值更低，在這些地區(qū)建設(shè)基站投資回報周期更長了。法國電信在肯尼亞的分支，全網(wǎng)運(yùn)維費用1500萬歐元，其中有700萬是能源方面的運(yùn)維支出，主要就是加油的油費以及油機(jī)運(yùn)維的人工、材料成本。
為了減少無線基站油機(jī)的運(yùn)行時間，甚至去掉油機(jī)，從2009年開始，無線設(shè)備制造商為無線運(yùn)營商提供了新的站點能源解決方案。針對無市電站點，油機(jī)+大容量GEL電池混合供電方案取代了傳統(tǒng)的雙油機(jī)方案，油機(jī)帶載率提高到50%~80%，油機(jī)運(yùn)行時間小于12小時，節(jié)省燃油40%，油機(jī)維護(hù)周期拉長一倍以上，每年維護(hù)油機(jī)的工作量減少，節(jié)約油機(jī)備件更換成本，而且降低了油機(jī)噪聲干擾以及對空氣的污染。針對有市電但市電不穩(wěn)定站點，市電+AGM快沖電池供電方案取代了傳統(tǒng)的市電+油機(jī)方案，實現(xiàn)在市電停電小于6小時單次停電時間小于3小時地區(qū)去掉油機(jī)或者只需按照比例配置少量的移動油機(jī)。隨著鐵鋰電池技術(shù)日趨成熟，從2011年開始，無線設(shè)備制造商又推出了新一代基于鐵鋰電池的油機(jī)+鐵鋰電池、市電+鐵鋰電池混合供電解決方案，取消了高溫環(huán)境下的空調(diào)配置或者降低了空調(diào)配置，進(jìn)一步節(jié)省了燃油消耗。
2、市電良好地區(qū)在市電良好地區(qū)，比如在人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大、中城市，3G網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)70%的業(yè)務(wù)會在室內(nèi)發(fā)生，室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的供電方案對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有較大影響。室內(nèi)覆蓋基本采用分布式基站實現(xiàn)，典型安裝場景包括地庫、樓內(nèi)弱電井、樓道、樓頂、大樓天井等。上述站點數(shù)量多，站點空間比較狹窄，缺乏空調(diào)等溫控設(shè)備，環(huán)境惡劣，需要防塵、防水、防盜等，建設(shè)速度要快，需要提供穩(wěn)定、可靠、易安裝、少維護(hù)的供電和備電解決方案。目前室內(nèi)覆蓋分布式基站主要有三種供電方式：(1)交流型，直接采用市電供電，投資小，但無備電，基站設(shè)備可靠性差，后期備電改造費用比初期建設(shè)高還高。(2)交流型，采用UPS提供后備電源，提供穩(wěn)定純凈的交流電源，具有短時備電，容易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，但電能多級變換，整體效率低。(3)直流型，直流電源供電，提供可靠的動力保障，可集中供電也可單獨供電，供電方案可靠，是室內(nèi)覆蓋首先方案。
我們針對室內(nèi)分布式基站，早期推出了壁掛式電源，內(nèi)含一個60A整流模塊和一組48V 38Ah GEL電池備電，其安裝方式靈活，可以壁掛，可以抱桿，充分利用機(jī)房空間，節(jié)省占地面積。隨著小容量鐵鋰電池產(chǎn)品系列產(chǎn)品日趨成熟，國內(nèi)外移動運(yùn)營商都提出了在市電良好地區(qū)的室內(nèi)覆蓋或者室外微型基站使用鐵鋰電池做為短時備電的需求，我們將適時推出用鐵鋰電池取代鉛酸電池的壁掛式電源以及一體化室外電源滿足市場需求。
二、鐵鋰電池特性介紹
鐵鋰電池是近幾年興起來的用磷酸亞鐵鋰作正極材料的一種鋰離子電池，中國在這個產(chǎn)業(yè)上，無論技術(shù)、設(shè)備、原料和市場均有一定的積累，產(chǎn)業(yè)研究報告認(rèn)為未來2～3年，鐵鋰電池將可能隨著市場推廣和應(yīng)用，規(guī)模量產(chǎn)后成本穩(wěn)步下降而進(jìn)一步提升市場占有率。鐵鋰電池一般包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、正負(fù)極引線、中心端子、絕緣材料、安全閥、PTC、電池殼等。鐵鋰電池工作原理是：電池充電時，正極材料中的鋰離子脫離出來，經(jīng)過電解液穿過隔膜進(jìn)入負(fù)極材料中；電池放電時，鋰離子又從負(fù)極中脫離出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜回到正極材料。
鐵鋰電池和鉛酸電池對比有以下優(yōu)勢：
·體積小、重量輕：鐵鋰電池體積和重量約為鉛酸電池的二分之一不到。一組48V 200Ah鐵鋰電池重量只有120Kg，而同等容量的一組48V 200Ah GEL電池(4節(jié)12V200Ah GEL電池)重量合計達(dá)到290Kg(為兼容室外柜電池艙尺寸，大容量48V 100Ah、200Ah鐵鋰電池體積與4節(jié)12V100Ah GEL鉛酸電池尺寸兼容)。
·壽命長：作浮沖用，在環(huán)境溫度2 0℃時條件下，12V GEL電池壽命是10年，而鐵鋰電池壽命是20年，是12VGEL的2倍。作循環(huán)用，在80%DOD/環(huán)境溫度25℃條件下，2V GEL鉛酸電池0.15C充放電，循環(huán)次數(shù)只有800次，而鐵鋰電池0.5C充放電，循環(huán)次數(shù)可達(dá)3000次以上，接近2VGEL的4倍。
·耐高溫：鉛酸電池高溫特性差，一般溫度相對于20℃每升高10℃，鉛酸電池壽命將縮短一半，在環(huán)境溫度60℃時鉛酸蓄電池已不能正常工作。作浮沖用，在環(huán)境溫度40℃條件下，12V GEL電池壽命只有2.5年，而鐵離電池壽命是10年，是12V GEL的4倍。作循環(huán)使用，為保證循環(huán)次數(shù)，環(huán)境溫度超出30℃時，鉛酸電池就要用空調(diào)降溫，增加空調(diào)成本和空調(diào)能耗，而鐵鋰電池，環(huán)境溫度45℃以內(nèi)時，可用風(fēng)扇散熱，即使在100%DOD/環(huán)境溫度55℃條件下，鐵鋰電池0.3C3充放電循環(huán)還能達(dá)到1000次。
·大電流充放電能力強(qiáng)：GEL鉛酸電池最大持續(xù)充、放電流小于0.2C10，而鐵鋰電池最大持續(xù)充電電流可以達(dá)到0.5C3，最大持續(xù)放電電流可以達(dá)到1C3。鉛酸蓄電池0.5C10放電放出的容量僅為0.1C10的55％左右，而鐵鋰電池0.5C3放電放出的容量為0.1C3的95％左右。
·安全、環(huán)保：鉛酸蓄電池主要原料是鉛與硫酸，生產(chǎn)和使用過程中對環(huán)境的污染比較嚴(yán)重。而鐵鋰電池對環(huán)境無污染、無毒，符合ROHS規(guī)定，更環(huán)保，另外電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會因為過程、溫度過高、短路而產(chǎn)生爆炸或者燃燒。
與傳統(tǒng)鉛酸電池比較，鐵鋰電池主要的問題是：初始成本價格較高，其他各項指標(biāo)明顯占優(yōu)。由于目前鐵鋰電池的機(jī)械化程度不高，還沒有實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、需要專門蓄電池管理系統(tǒng)、鋰材料價格較高的影響，目前鐵鋰電池初始成本是鉛酸蓄電池的4倍。但如果考慮電池循環(huán)壽命、浮沖壽命、深度放電率、快速充電、極好的高溫特性，在以下應(yīng)用場景在全成本上將具有競爭力。
·在頻繁停電的四類市電區(qū)域，短時備電，循環(huán)使用。該場景利用鐵鋰電池的深度放電率、長循環(huán)壽命，以及支持大電流快速充電特性，可以在極度惡劣的市電環(huán)境下應(yīng)用，保證循環(huán)壽命，取代2V AGM快充電池在市電+快沖電池方案中的應(yīng)用。
·在無市電區(qū)域，深度循環(huán)使用。該應(yīng)用利用鐵鋰電池深度放電率以及長循環(huán)壽命，取代2V GEL電池在油機(jī)+電池方案中的應(yīng)用。
·在頻繁停電的三類、四類市電區(qū)域，短時備電，循環(huán)使用。該場景利用鐵鋰電池的深度放電率、長循環(huán)壽命，以及支持大電流快速充電特性，可以在極度惡劣的市電環(huán)境下應(yīng)用，保證循環(huán)壽命，取代2V AGM快充電池在市電+快沖電池方案中的應(yīng)用。
現(xiàn)階段用于無線基站的鐵鋰電池，大部分是與直流開關(guān)電源系統(tǒng)配套使用的，鐵鋰電池組電壓等級為48V，常用的鐵鋰電池組容量等級有5Ah、10Ah、20Ah、30Ah、40Ah、50Ah、100Ah、150Ah、200Ah。鐵鋰電池組通過并聯(lián)，可以形成多種容量，滿足不同應(yīng)用場景下的備電需求。
三、鐵鋰電池和鉛酸電池解決方案TCO對比
1、市電差或者無市電地區(qū)
基于鐵鋰電池儲能的解決方案組成示如下意圖。其中一體化油機(jī)集成了油箱和ATS，鐵鋰電池系統(tǒng)包括鐵鋰電池組和BMU(BMU為鐵鋰電池管理單元，BMU具有過放、過沖、過流、溫度等保護(hù)功能，并使電池系統(tǒng)與直流電源良好通訊)，直流電源系統(tǒng)集成了AC/DC整流模塊、防雷、配電等，直流電源系統(tǒng)和鐵鋰電池系統(tǒng)安裝在室外電源柜，無線BBU(基帶單元)&RSU(射頻單元)、微波IDU(微波室內(nèi)單元)、DCPD(直流配電)等則安裝在室外BTS柜。ATS、油機(jī)控制屏、鐵鋰電池BMU、環(huán)境和溫度等監(jiān)控信號匯總到直流電源CSU，然后再通過BBU提供的IP鏈路傳到后臺網(wǎng)管。
無市電時供電方案是油機(jī)+大容量鐵鋰電池(圖2示意圖去掉市電)；市電每日停電小于6小時，則不需要油機(jī)，供電方案是市電+大容量鐵鋰電池(圖2示意圖去掉油機(jī))；市電停電大于6小時，供電方案是市電+大容量鐵鋰電池+油機(jī)。
工作原理：
·無市電時，油機(jī)+大容量鐵鋰電池解決方案
電池放電深度達(dá)到85%時(可設(shè)置)，啟動油機(jī)給設(shè)備供電并給電池充電，電池充滿后油機(jī)停止工作由電池給設(shè)備供電，油機(jī)、電池循環(huán)工作，如果電池放電達(dá)到85%但油機(jī)啟動失敗則給后臺發(fā)出告警。
·有市電但市電差時，市電+大容量鐵鋰電池、市電+大容量鐵鋰電池+油機(jī)解決方案
當(dāng)有市電時，市電給設(shè)備供電并且快速對鐵鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)市電停電時，電池給設(shè)備供電。當(dāng)電池放電深度達(dá)到85%時(可設(shè)置)，市電還未恢復(fù)，如果有油機(jī)則啟動油機(jī)給設(shè)備供電并給電池充電，電池充滿后油機(jī)停止工作由電池給設(shè)備供電，如果無油機(jī)或者啟動油機(jī)失敗則給后臺網(wǎng)管發(fā)出告警。
鐵鋰電池持續(xù)充電電流可以達(dá)到0.5C，脈沖充電電流可以達(dá)到1C，充電電流一般設(shè)置在0.3~0.5C，保證3個小時內(nèi)充滿。當(dāng)市電電壓偏低時，直流電源輸出功率下降，為防止過載，直流電源可以自動調(diào)低充電電流。
上述解決方案具有降低OPEX，節(jié)省燃油、節(jié)省油機(jī)維護(hù)工作量、節(jié)省空調(diào)配置成本和空調(diào)能耗(電費、油費)，減少油機(jī)和空調(diào)噪聲的特點。在上述解決方案中，用鐵鋰電池作為快沖電池和深循環(huán)電池，相比AGM快沖電池和GEL電池的優(yōu)、劣勢有：
上述基于鐵鋰電池的供電方案主要應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)落后的無市電偏遠(yuǎn)農(nóng)村、山區(qū)、海島、沙漠中高溫地區(qū)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的市電不穩(wěn)定的城區(qū)、郊區(qū)。
下面針對上述無市電以及市電差兩種電網(wǎng)場景，選擇典型無線室外站進(jìn)行站點能源TCO對比分析。
·無市電
通過上面的定量對比分析，對于無市電的郊區(qū)、農(nóng)村，油機(jī)+鐵鋰電池方案比油機(jī)+2V GEL方案單站節(jié)約成本分別達(dá)到18萬和5萬元多，這種場景下單站鐵鋰電池初期配置成本比鉛酸高出1萬多元，但GEL電池站點因為增加了空調(diào)對電池制冷，單位小時耗油量增加了，最終累積10年的油費增加較多；對于有市電的城區(qū)、郊區(qū)站點，市電+鐵鋰電池方案比市電+AGM快沖電池方案，單站10年節(jié)約成本4萬元左右，節(jié)約成本不明顯，主要是在高溫地區(qū)采用鐵鋰電池后不用裝空調(diào)，省了空調(diào)的配置成本和空調(diào)的電費，此外減少了空調(diào)的噪聲，對于基站需要安裝在居民院子的情況有利。
目前鐵鋰電池初始成本是鉛酸電池的4倍，隨著鐵鋰電池的量產(chǎn)、生產(chǎn)工藝改進(jìn)與提高、鋰離子材料的價格下降，鐵鋰電池的價格會逐步下降，文中基于鐵鋰電池的混合供電方案，方案成本競爭力會逐步提升。
當(dāng)然，傳統(tǒng)的鉛酸電池技術(shù)也在改良，例如電池供應(yīng)商南都、納奇去年推出了高溫鉛酸電池，該產(chǎn)品可在35℃～40℃環(huán)境溫度下長時間工作，同等溫度條件下，較普通鉛酸電池壽命提升一倍以上。高溫鉛酸電池在高溫地區(qū)，需要采用市電+快沖電池方案的站點，將逐步取代普通AGM快沖電池，并與鐵鋰電池形成一定程度的競爭。
另外，以往的鐵鋰電池壽命試驗通常是在單體上進(jìn)行，因此需要補(bǔ)充進(jìn)行大容量組合電池的循環(huán)壽命試驗，并就串并聯(lián)對壽命衰減的影響進(jìn)行評估。
2、市電良好地區(qū)
鐵鋰電池因為體積小、重量輕、放電電流大倍率放電性能好、耐高溫的特性，除了在上述市電差或者無市電地區(qū)作為大容量儲能場景，在市電較好、功耗較小的室內(nèi)/高鐵/隧道分布式基站RRU、以及室外一體化微基站(SmallCell)，均可以作為短時備電的選擇。
充分發(fā)揮鋰離子電池體積小、重量輕的優(yōu)勢，將鋰離子電池系統(tǒng)與直流開關(guān)電源或整流器有機(jī)集成為一體化直流不間斷電源系統(tǒng)，滿足分布式基站RRU供電以及室外一體化微基站供電解決方案的要求，是未來中小型直流電源系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢之一。
針對分布式基站RRU，中興通訊壁掛式電源原來是用小容量鉛酸電池(一組38Ah GEL電池)作為后備電電池，后續(xù)將被替換成更小容量的鐵鋰電池(比如10Ah、20Ah)。
針對室外一體化微基站(BBU和RRU共同封裝在一個金屬殼子里，防護(hù)等級IP55，采用自然冷卻)，為實現(xiàn)站點設(shè)備全部室外化、自然冷卻，各家無線設(shè)備供應(yīng)商預(yù)計將在近年推出一體化直流電源，把整流模塊與鐵鋰電池用金屬外殼包在一起，體積在10～20升之間，整流模塊10A，鐵鋰電池容量10Ah、20Ah，滿足直流供電和短時備電需求，支持雙扇區(qū)400W功耗的微基站以及回傳設(shè)備(純室外微波或者WIFI設(shè)備)。
下表是市電良好、高溫環(huán)境下，鐵鋰電池和12VGEL電池作浮沖、短時備電情況下的TCO對比分析。
可見，以10年為一個TCO考察周期，作浮沖用、40℃環(huán)境溫度下，因為鐵鋰電池10年內(nèi)不需要更換，即使相比12V GEL電池初期投入成本略高，但10年后TCO卻略低，如果考慮上站更換電池的人工成本，TCO相差還要大些。國內(nèi)移動運(yùn)營商移動、聯(lián)通、電信正是看中了鐵鋰電池的體積小、重量輕、溫度適應(yīng)范圍廣、綠色環(huán)保無污染的特點，從09年開始就逐步利用鐵鋰電池作為RRU拉遠(yuǎn)、一體化微基站的后備電池方案，如果鐵鋰電池成本進(jìn)一步下降，相信這些場景下鐵鋰電池的市場占有率將急速提升。