磷酸鐵鋰離子電池在區(qū)域自動(dòng)氣象站中的應(yīng)用

陳依弟 張佳暉 萬(wàn)瀚仁 周萌

摘 要：針對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站中使用的閥控式鉛酸蓄電池存在自放電大、故障率高、使用年限短的問(wèn)題，選用磷酸鐵鋰離子電池組，合成符合區(qū)域自動(dòng)氣象站運(yùn)行要求的電池組，以替代閥控式鉛酸蓄電池，在福建省武夷山市7個(gè)站點(diǎn)安裝使用，經(jīng)過(guò)2015年3月至2016年3月一年時(shí)間實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，取得了很好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰離子電池；自動(dòng)氣象站；應(yīng)用0 引言

區(qū)域自動(dòng)氣象站（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)氣象站）是我國(guó)近年來(lái)大量布設(shè)的地面自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，已成為我國(guó)綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2015年底，僅福建省已建成的自動(dòng)氣象站（含單雨量站）已達(dá)到1885座。這些站點(diǎn)全部采用太陽(yáng)能電池板與閥控式鉛酸蓄電池（以下簡(jiǎn)稱鉛酸電池）供電。由于安裝地點(diǎn)都在野外，運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，鉛酸電池易出現(xiàn)失水、極板硫化及漏液腐蝕電極等問(wèn)題[2]，使用壽命只有2～3年，部分僅一年左右時(shí)間就出現(xiàn)電極損壞等問(wèn)題，不僅影響了氣象要素采集的連續(xù)性，也因此增加了維護(hù)工作量。筆者將目前在各類電子產(chǎn)品中廣泛使用的鋰離子電池取代鉛酸電池應(yīng)用到自動(dòng)氣象站中，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，取得了很好的應(yīng)用效果。

1 鋰離子電池的選用

目前市面上鋰離子電池的種類很多，所用陽(yáng)極材料和電解質(zhì)的不同，標(biāo)稱電壓及其他指標(biāo)也存在很大差異。磷酸鐵鋰離子電池（以下簡(jiǎn)稱鐵鋰電池）標(biāo)稱電壓為3.2V，充電上限電壓3.65V，用單體電池經(jīng)2單元或4單元串聯(lián)后可得到標(biāo)稱電壓6.4V和12.8V，充電上限電壓為7.3V和14.6V的電池組，與目前在自動(dòng)氣象站中使用的6V和12V鉛酸電池的充電上限電壓正好是相等的，雖然標(biāo)稱電壓略高，但實(shí)際開路電壓僅高0.2～0.4V，可直接替代鉛酸電池。鐵鋰電池的安全性能好，循環(huán)壽命、比容量是鉛酸電池3倍，是替代鉛酸電池的首選。

2 鐵鋰電池與鉛酸電池的比較

2.1基本參數(shù)比較

從表1可以看出，鐵鋰電池與鉛酸電池相比，電壓指標(biāo)相等或相近，使用壽命、比容量等指標(biāo)則高出2～3倍。除此之外，前者的安全性能和耐過(guò)充電性能也是其它電池?zé)o法相比的：鐵鋰電池受撞擊、穿刺、短路等意外情況不燃燒、不爆炸，即使是放電至0V，經(jīng)過(guò)2～3個(gè)充放電周期后，容量仍能恢復(fù)到原有的水平。

2.2 放電性能比較

將容量為36Ah、標(biāo)稱電壓為6.4V鐵鋰電池和6V的鉛酸電池以1A的電流進(jìn)行了放電測(cè)試，結(jié)果如圖1。鐵鋰電池在放電開始后幾分鐘內(nèi)電壓下降到6.5V，之后下降緩慢，放電曲線平直穩(wěn)定，直到放電容量達(dá)到標(biāo)稱值后才出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程電壓僅下降0.3V；鉛酸電池放電曲線斜率明顯大于前者，從6.2V到5.4V，端電壓下降了0.8V，電壓平均值比鐵鋰電池低0.5V，放電容量以Ah數(shù)表示二者雖然相近，但鐵鋰電池電壓平均值高，實(shí)際釋放電能比鉛酸電池多18Wh，占鉛酸電池容量的9%。CAWS600-R（T）型自動(dòng)站電壓適應(yīng)范圍為6～8V，低于5.6V時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)，顯然鐵鋰電池更適用。

2.3 自放電比較

蓄電池在不與外界電路連接時(shí)，由內(nèi)部自發(fā)反應(yīng)引起的容量損失被稱之為自放電。經(jīng)查資料得知，各種鋰離子電池自放電均很小，每月容量損失只有總?cè)萘康?%～2%。鉛酸電池則大得多，《中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T637-1997）規(guī)定：在5℃～35℃條件下，靜置90天，容量損失不大于20%為合格。筆者用FDY10型蓄電池檢測(cè)儀，對(duì)充好電并放置一年、容量均為36Ah/6V的鐵鋰電池與鉛酸電池進(jìn)行了放電測(cè)試，結(jié)果表明：鐵鋰電池自放電量還不到鉛酸電池的1/3，顯然在光照較少的冬春季，用鐵鋰電池供電可提高續(xù)航能力對(duì)自動(dòng)站穩(wěn)定運(yùn)行更為有利。

3 鐵鋰電池的組裝與使用

目前市面上不容易采購(gòu)到適合自動(dòng)氣象站使用的成品鐵鋰電池，需用3.2V的單體電池經(jīng)串并聯(lián)的方式組合而成。由于鐵鋰電池陽(yáng)極材料活潑、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，自放電存在差異，如果鐵鋰電池的安裝日期距出廠日期時(shí)間較遠(yuǎn)，一致性會(huì)比鉛酸電池大。組裝前應(yīng)該對(duì)單體電池進(jìn)行補(bǔ)充電，充滿后放置24小時(shí)以上測(cè)量開路電壓進(jìn)行篩選，開路電壓差不大于50mV的才可以串并聯(lián)組合[3]。條件允許時(shí)，最好對(duì)單體電池進(jìn)行容量和開路電壓兩方面篩選后再組裝，為了避免單體電池的差異影響電池組容量或壽命，還需并聯(lián)平衡板。筆者用9Ah聚合物鐵鋰電池，經(jīng)FDY10型蓄電池檢測(cè)儀進(jìn)行容量篩選后，采用4并2串的方式組裝成4要素自動(dòng)氣象站所需的6.4V電池組。由于2單元串聯(lián)的鐵鋰電池和3單元鉛酸電池充電上限電壓均為7.2V，用到4要素自動(dòng)氣象站時(shí)，原有的供電線路無(wú)需作任何改動(dòng)，直接用鐵鋰電池替換鉛酸電池即可。

4 結(jié)語(yǔ)

2015年3月，福建省武夷山市14個(gè)四要素自動(dòng)站中的7個(gè)站點(diǎn)改用鐵鋰電池供電，運(yùn)行一年來(lái)未出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。另外，7個(gè)仍然用鉛酸電池的自動(dòng)站則有2個(gè)站因連續(xù)陰雨天氣，供電不足而停止運(yùn)行，造成數(shù)據(jù)缺測(cè)。鐵鋰電池與鉛酸電池相比具備循環(huán)壽命長(zhǎng)、比容量大、安全性能高、耐過(guò)充電性強(qiáng)的特點(diǎn)，相同容量的鐵鋰電池的重量只有鉛酸電池的1/3，安裝維護(hù)更加方便。實(shí)際使用效果證明，用鐵鋰電池替代鉛酸電池有效提高了自動(dòng)站運(yùn)行穩(wěn)定性。