磷酸铁锂电池在离网光伏通信基站 供电系统的应用研究

陆运章，马一山，郭 进，周 蒙，刘 松

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙 410111)

0 引言

随着国内外移动通信业务的高速发展，要求各电信运营商的网络覆盖面越来越广。但在电力资源短缺的地区和国家，比如中国西北地区的偏远山区，或东南亚地区、非洲等，很多通信基站站点存在市电供电不稳定，或与市电接入点距离较远、供电电缆架设成本昂贵等问题，因此，如何保证这些通信基站在稳定供电的同时降低费用开支是一个难题。基于成本考虑，目前中国的电信运营商在西藏自治区、青海省等西北偏远地区建设的通信基站，以及缅甸、柬埔寨、尼泊尔等东南亚国家的电信运营商建设的大部分通信基站，均采用离网光伏通信基站供电系统[1]，其配备的储能电池为铅酸蓄电池[2]。

离网光伏通信基站供电系统是指由于当地没有市电，将光伏发电作为主供电电源，柴油发电机或风力发电作为补充供电电源的一种供电系统。该供电系统主要由光伏组件、光伏控制器、储能电池、中央控制器、通信模块、直流负载、下电控制模块，以及柴油发电机和整流器，或风电机组及风能控制器等组成，系统框图如图1所示。该供电系统通过光伏控制器将太阳能转换为电能，为直流负载供电或存储在储能电池中，特别适合在太阳能资源充足且电网无法覆盖的地区应用。

图1 离网光伏通信基站供电系统框图Fig. 1 Block diagram of power supply system of off-grid PV for communication base station

近年来，以铅酸蓄电池作为储能电池的离网光伏通信基站供电系统在东南亚国家开始大幅应用。以缅甸为例，当地Telenor公司、MPT公司、Ooredoo公司等电信运营商截至2019年底完成建设的离网光伏通信基站供电系统达到2000套以上。但在长时间的运行过程中，发现铅酸蓄电池的使用寿命短、容量衰减快的问题尤为突出。而磷酸铁锂电池具有高温特性好、使用寿命长、体积小、重量轻、节能环保等诸多优点，基于此，本文通过对铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池这2种不同类型的储能电池在离网光伏通信基站供电系统中的使用情况进行对比分析，探索了磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的特性及应用差别，为采用磷酸铁锂电池的离网光伏通信基站供电系统提供系统控制策略的优化依据。

1 磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的特性分析

锂电池具有能量密度高、使用寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等优点，在电力储能领域具有广阔的应用前景[3-5]。按照正极材料分类，锂电池包括钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池等类型。从市场应用前景及技术成熟度来看，磷酸铁锂电池以成熟的技术成为当前电力储能领域的首选储能电池类型。

相对于锂电池而言，铅酸蓄电池的优点是当前价格较低；缺点是能量密度低、使用寿命短，再加上铅酸蓄电池中的铅会污染环境，清洁成本高，因此其将逐渐被市场淘汰。

对磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的特性进行对比分析。选择单体3.2 V的磷酸铁锂电池和单体2.0 V的铅酸蓄电池，在不同充、放电倍率下，二者的理论放电时的工作电压-时间曲线和充电时的工作电压-时间曲线如图2、图3所示。

图2 理论的磷酸铁锂电池放电时和充电时的特性曲线Fig. 2 Theoretical characteristic curves of lithium iron phosphate battery during discharging and charging

图3 理论的铅酸蓄电池放电时和充电时的特性曲线Fig. 3 Theoretical characteristic curves of lead acid battery during discharging and charging

2 磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的应用对比

2.1 演示应用系统介绍

为对比磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的应用情况，制作了一套演示应用系统，其接线示意图如图4所示。本演示应用系统由光伏阵列、控制一体柜(包括MPPT光伏模块、中控模块、远程通信模块、下电控制开关)、储能电池(磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池可以切换使用)和负载等部件组成。

图4 演示应用系统的接线示意图Fig. 4 Schematic diagram of wiring of demonstration application system

本演示应用系统的储能电池采用2种电池，其中，磷酸铁锂电池的型号为SDA10-4820，额定电压为48 V，容量为20 Ah；铅酸蓄电池的型号为6-GFM-20，额定电压为12 V，容量为20 Ah，4块铅酸蓄电池串联组成额定电压为48 V的储能电池；2种储能电池的理论存储电量均为0.96 kWh。在演示应用系统运行过程中，采用的负载为15 Ω的陶瓷绕线电阻。本演示应用系统设置了44 V的下电控制开关值，当系统被外接负载耗电到44 V以下时，将自动切断外接负载，仅保留系统自身运行必要部件(包括中控模块、柜内散热风扇、远程通信模块，以及配套的电源转换模块)的运行。此外，当中控模块检测到环境温度低于20 ℃时，中控模块会下发控制信号关闭系统的柜内散热风扇，此时系统自身功耗约为20 W。

2.2 铅酸蓄电池的放电分析

在演示应用系统的实际运行过程中，储能电池采用铅酸蓄电池时，实测的铅酸蓄电池充、放电时的工作电压曲线与工作电流曲线如图5所示。图中：工作电流的正值表示充电，负值表示放电。

图5 实测的铅酸蓄电池充、放电时的工作电压和 工作电流曲线 Fig. 5 Curves of measured working voltage and working current of lead acid battery during discharging and charging

根据图5，对铅酸蓄电池放电时的工作电压与工作电流曲线进行分析：

1)铅酸蓄电池浮充阶段。随着时间的推移，由于太阳辐照量减小，铅酸蓄电池的工作电压逐渐降低，实测当天17:25时，铅酸蓄电池的工作电压达到53.26 V，一直处于浮充的状态，充电电流大于0 A。此时光伏发电一方面为铅酸蓄电池维持浮充，另一方面为负载供电。

2)光伏发电与铅酸蓄电池联合供电阶段。在17:25时，铅酸蓄电池的工作电压为53.26 V、工作电流为0.18 A。在17:25～18:25这段时间内，太阳辐照量持续减小，光伏发电功率低于负载需求功率，铅酸蓄电池由充电状态转为放电状态，由光伏发电与铅酸蓄电池联合为负载供电，此阶段时长为1 h。

3)铅酸蓄电池独立供电阶段(放电时电压呈线性下降的区间)。到18:25时，太阳辐照量持续减小，光伏发电功率为零，铅酸蓄电池开始独立为负载供电，此时放电时的工作电压为49.38 V、工作电流为-3.4 A；在22:25时，铅酸蓄电池放电时的工作电压为43.19 V、工作电流为-3.2 A。18:25～22:25为铅酸蓄电池独立供电阶段，时长为4 h，从图5的曲线可以看出，这个阶段铅酸蓄电池放电时的工作电压与放电时长基本呈线性关系。

4)铅酸蓄电池独立供电阶段(放电时电压呈非线性下降的区间)。到22:25时，铅酸蓄电池放电时的工作电压已降到44 V以下，触发系统下电控制开关，负载被切断，放电时的工作电流从-3.2 A减小到-0.4 A，仅留有系统自身运行必要部件在运行，此时系统自身功耗约为20 W。因为切断了负载，铅酸蓄电池放电时的工作电压随之又恢复到45.6 V。随后从22:25到第2天凌晨01:25期间，由于负载减少，系统耗电缓慢，铅酸蓄电池放电时的工作电压降至40.61 V，工作电流基本稳定在-0.4 A，此区间时长为3 h。

对铅酸蓄电池存储的电量进行分析。在光伏发电与铅酸蓄电池联合供电阶段，此阶段时长为1 h，根据功率与时间积分，此阶段消耗的铅酸蓄电池电量约为89.6 Wh；在铅酸蓄电池独立供电阶段(放电时电压呈线性下降的区间)内，此阶段时长为4 h，消耗的电量约为644.9 Wh；在铅酸蓄电池独立供电阶段(放电时电压呈非线性下降的区间)内，触发系统下电控制开关后，此阶段时长为3 h，消耗的电量约为66.55 Wh。实测当天，总消耗的铅酸蓄电池电量约为0.801 kWh，实际存储电量小于设计的理论存储电量(0.96 kWh)，符合使用要求。

对铅酸蓄电池独立供电阶段(放电时电压呈线性下降的区间)进行分析。应用的48 V储能电池由4块12 V的单体铅酸蓄电池串联组成，每块12 V的铅酸蓄电池由6块2 V的单体电芯串联组成，将48 V铅酸蓄电池与单体铅酸蓄电池放电时的工作电压曲线(见图3)进行对比，可以看出：放电时的实测工作电压曲线趋势与理论工作电压曲线趋势始终保持一致。

在铅酸蓄电池独立供电阶段，在其放电时电压呈线性下降的区间，其工作电压从50.28 V(对应的单体电池放电时的工作电压为2.08 V)降低到44.16 V(对应的单体电池放电时的工作电压为1.84 V)，由此可以看出：放电期间，铅酸蓄电池实测的工作电压下降线性区间与理论的工作电压下降线性区间十分吻合。

2.3 磷酸铁锂电池的放电分析

在演示应用系统的实际运行过程中，储能电池采用磷酸铁锂电池时，实测的磷酸铁锂电池充、放电时的工作电压曲线与工作电流曲线如图6所示。图中：工作电流的正值表示充电，负值表示放电。

图6 实测的磷酸铁锂电池充、放电时的工作电压和 工作电流曲线Fig. 6 Curves of measured working voltage and working current of lithium iron phosphate battery during discharging and charging

根据图6，对磷酸铁锂电池放电时的工作电压与工作电流曲线进行分析：

1)磷酸铁锂电池浮充阶段。实测当天15:00前后，磷酸铁锂电池的电压达到54 V，一直处于浮充的状态。此时光伏发电一方面为磷酸铁锂电池维持浮充，另一方面为负载供电。随着时间的推移，到16:00左右，太阳辐照量减小，磷酸铁锂电池的工作电压逐渐降低，但仍属于浮充状态，充电电流大于0 A。

2)光伏发电与磷酸铁锂电池联合供电阶段。在16:10时，磷酸铁锂电池放电时的工作电压为49.79 V、工作电流为-0.48 A。16:10～18:00这段时间内，太阳辐照量持续减小，光伏发电功率低于负载需求功率，磷酸铁锂电池由充电状态转为放电状态，由光伏发电与磷酸铁锂电池联合为负载供电，此阶段时长为1.83 h。

3)磷酸铁锂电池独立供电阶段(放电时电压呈线性下降的区间)。到18:00时，太阳辐照量持续减小，光伏发电功率为零，磷酸铁锂电池开始独立为负载供电，此时磷酸铁锂电池放电时的工作电压为48.86 V、工作电流为-3.34 A；在22:50时，磷酸铁锂电池放电时的工作电压为46.81 V、工作电流为-3.31 A。18:00～22:50为磷酸铁锂电池独立供电阶段，此阶段时长为4.83 h，从图6的曲线可以看出：该阶段磷酸铁锂电池放电时的工作电压与放电时长基本呈线性关系。

4)磷酸铁锂电池独立供电阶段(放电时电压呈非线性下降的区间)。在22:50～23:20这个时间段，磷酸铁锂电池放电时的工作电压从46.81 V下降到44.10 V，下降速率较快，放电时的工作电压与放电时长基本呈非线性关系，但放电时的工作电流维持在-3.31 A，此区间时长为0.5 h。从23:20开始，磷酸铁锂电池放电时的工作电压降到44 V以下，触发系统下电控制开关，负载被切断，工作电流从-3.30 A减小到-0.44 A，仅留有系统自身运行必要部件在运行，此时系统自身功耗约为20 W。从00:20开始，磷酸铁锂电池放电时的工作电压降到42.0 V以下，触发内部欠压保护开关，磷酸铁锂电池放电回路被切断。

对磷酸铁锂电池存储的电量进行分析。在光伏发电与磷酸铁锂电池联合供电阶段，此阶段时长为1.83 h，根据功率与时间积分，此阶段消耗的磷酸铁锂电池电量约为187 Wh；在磷酸铁锂电池独立供电阶段(放电时电压呈线性下降的区间)内，此阶段时长为4.83 h，消耗的电量约为800 Wh；在磷酸铁锂电池独立供电阶段(放电时电压呈非线性下降的区间)内，在触发系统下电控制开关前，此阶段时长为0.5 h，消耗的电量约为75 Wh；在触发系统下电控制开关后，此阶段时长为1 h，消耗的电量约为17 Wh。实测当天，总消耗的磷酸铁锂电池电量约为1.08 kWh，实际存储电量略大于设计的理论存储电量(0.96 kWh)，符合使用要求。

对磷酸铁锂电池独立供电阶段(放电时电压呈线性下降的区间)进行分析。应用的48 V储能电池由15块3.2 V的单体磷酸铁锂电池串联组成，将其与单体磷酸铁锂电池放电时的工作电压曲线(见图2)进行对比，可以看出：放电时的实测工作电压曲线趋势与理论工作电压曲线趋势始终保持一致。

在光伏发电与磷酸铁锂电池联合供电阶段和磷酸铁锂电池独立供电阶段(放电时电压呈线性下降的区间)，磷酸铁锂电池放电时的工作电压从49.79 V(对应的单体电池放电时的工作电压为3.32 V)降低到46.81 V(对应的单体电池放电时的工作电压为3.12 V)，由此可以看出：放电期间，磷酸铁锂电池实测的工作电压下降线性区间与理论的工作电压下降线性区间十分吻合。

2.4 2种储能电池的应用效果对比

对磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的应用效果进行对比。

1)在放电过程中，铅酸蓄电池工作电压不能很好保持在额定电压值附近，工作电压从50.28 V降低到44.16 V，铅酸蓄电池工作电压曲线与放电时长基本呈线性关系，放电速率较快；触发系统下电控制开关后，铅酸蓄电池工作电压回弹值较大，铅酸蓄电池内的实际容量略小于标称容量。

2)在放电过程中，磷酸铁锂电池工作电压比较平稳，从49.8 V降低到46.8 V，磷酸铁锂电池的工作电压曲线与放电时长基本呈线性关系，且磷酸铁锂电池内的实际容量略大于标称容量。

该应用效果对比结果对储能电池采用磷酸铁锂电池时光伏控制器充放电策略配置的借鉴与意义在于：

1)当磷酸铁锂电池的工作电压达到50 V以上时，该电池基本处于充满状态，存储电量接近饱和。工作电压从50 V上升到54 V这个区间时，应逐渐限制光伏控制器的输出功率，因此可将光伏控制器均充阶段转浮充阶段的电压值设置在54 V。磷酸铁锂电池的工作电压达到54 V后，应进一步限制光伏控制器的输出功率，使磷酸铁锂电池保持在浮充阶段。

2)磷酸铁锂电池放电时，其工作电压变化较为平稳，在其工作电压从49.8 V降低到46.8 V这个过程中，磷酸铁锂电池的工作电压曲线与放电时长基本呈线性关系，其工作电流可以稳定在所需值；而工作电压从46.8 V降低到42.0 V这个过程中，电池内部存储电量较少，工作电压降低速度较快。光伏控制器的下电控制开关值建议设置在46.8 V，这样可以避免因系统自身的损耗导致磷酸铁锂电池电量放空而引发保护断电，导致系统停机。

3 结论

本文对铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池这2种不同类型的储能电池的特性及其在离网光伏通信基站供电系统中的应用情况进行了分析和对比。由于磷酸铁锂电池具有高温特性好、使用寿命长、体积小、重量轻、节能环保等诸多优点，且随着新能源领域尤其是锂电池行业的快速发展，未来磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的差价会逐渐减小，甚至磷酸铁锂电池的价格可能更低，以磷酸铁锂电池作为储能电池的离网光伏通信基站供电系统必将在通信市场大放异彩。

对于拟配置磷酸铁锂电池的新建离网光伏通信基站供电系统，或者是需要升级，拟采用磷酸铁锂电池替换铅酸蓄电池的老式离网光伏通信基站供电系统，需根据磷酸铁锂电池的充、放电特性，尤其是针对其放电时的工作电压曲线呈线性的区间时间长、工作电压下降点均与铅酸蓄电池不同这些特点，在配置控制策略时对控制策略进行优化，比如：下电控制电压值和限流充电电压值的设定，可以充分利用储能电池的容量，这样可以更好地保护离网光伏通信基站供电系统本身，提高系统的稳定性。