磷酸铁锂离子电池在区域自动气象站中的应用

摘 要：针对区域自动气象站中使用的阀控式铅酸蓄电池存在自放电大、故障率高、使用年限短的问题，选用磷酸铁锂离子电池组，合成符合区域自动气象站运行要求的电池组，以替代阀控式铅酸蓄电池，在福建省武夷山市7个站点安装使用，经过2015年3月至2016年3月一年时间实际运行验证，取得了很好的应用效果。

关键词：磷酸铁锂离子电池；自动气象站；应用0 引言

区域自动气象站（以下简称自动气象站）是我国近年来大量布设的地面自动观测设备，已成为我国综合气象观测系统的重要组成部分[1]。据不完全统计，截止2015年底，仅福建省已建成的自动气象站（含单雨量站）已达到1885座。这些站点全部采用太阳能电池板与阀控式铅酸蓄电池（以下简称铅酸电池）供电。由于安装地点都在野外，运行环境比较恶劣，铅酸电池易出现失水、极板硫化及漏液腐蚀电极等问题[2]，使用寿命只有2～3年，部分仅一年左右时间就出现电极损坏等问题，不仅影响了气象要素采集的连续性，也因此增加了维护工作量。笔者将目前在各类电子产品中广泛使用的锂离子电池取代铅酸电池应用到自动气象站中，经实际运行验证，取得了很好的应用效果。

1 锂离子电池的选用

目前市面上锂离子电池的种类很多，所用阳极材料和电解质的不同，标称电压及其他指标也存在很大差异。磷酸铁锂离子电池（以下简称铁锂电池）标称电压为3.2V，充电上限电压3.65V，用单体电池经2单元或4单元串联后可得到标称电压6.4V和12.8V，充电上限电压为7.3V和14.6V的电池组，与目前在自动气象站中使用的6V和12V铅酸电池的充电上限电压正好是相等的，虽然标称电压略高，但实际开路电压仅高0.2～0.4V，可直接替代铅酸电池。铁锂电池的安全性能好，循环寿命、比容量是铅酸电池3倍，是替代铅酸电池的首选。

2 铁锂电池与铅酸电池的比较

2.1基本参数比较

从表1可以看出，铁锂电池与铅酸电池相比，电压指标相等或相近，使用寿命、比容量等指标则高出2～3倍。除此之外，前者的安全性能和耐过充电性能也是其它电池无法相比的：铁锂电池受撞击、穿刺、短路等意外情况不燃烧、不爆炸，即使是放电至0V，经过2～3个充放电周期后，容量仍能恢复到原有的水平。

2.2 放电性能比较

将容量为36Ah、标称电压为6.4V铁锂电池和6V的铅酸电池以1A的电流进行了放电测试，结果如图1。铁锂电池在放电开始后几分钟内电压下降到6.5V，之后下降缓慢，放电曲线平直稳定，直到放电容量达到标称值后才出现明显拐点，整个过程电压仅下降0.3V；铅酸电池放电曲线斜率明显大于前者，从6.2V到5.4V，端电压下降了0.8V，电压平均值比铁锂电池低0.5V，放电容量以Ah数表示二者虽然相近，但铁锂电池电压平均值高，实际释放电能比铅酸电池多18Wh，占铅酸电池容量的9%。CAWS600-R（T）型自动站电压适应范围为6～8V，低于5.6V时自动关机，显然铁锂电池更适用。

2.3 自放电比较

蓄电池在不与外界电路连接时，由内部自发反应引起的容量损失被称之为自放电。经查资料得知，各种锂离子电池自放电均很小，每月容量损失只有总容量的1%～2%。铅酸电池则大得多，《中国电力行业标准》（DL/T637-1997）规定：在5℃～35℃条件下，静置90天，容量损失不大于20%为合格。笔者用FDY10型蓄电池检测仪，对充好电并放置一年、容量均为36Ah/6V的铁锂电池与铅酸电池进行了放电测试，结果表明：铁锂电池自放电量还不到铅酸电池的1/3，显然在光照较少的冬春季，用铁锂电池供电可提高续航能力对自动站稳定运行更为有利。

3 铁锂电池的组装与使用

目前市面上不容易采购到适合自动气象站使用的成品铁锂电池，需用3.2V的单体电池经串并联的方式组合而成。由于铁锂电池阳极材料活泼、生产工艺复杂，自放电存在差异，如果铁锂电池的安装日期距出厂日期时间较远，一致性会比铅酸电池大。组装前应该对单体电池进行补充电，充满后放置24小时以上测量开路电压进行筛选，开路电压差不大于50mV的才可以串并联组合[3]。条件允许时，最好对单体电池进行容量和开路电压两方面筛选后再组装，为了避免单体电池的差异影响电池组容量或寿命，还需并联平衡板。笔者用9Ah聚合物铁锂电池，经FDY10型蓄电池检测仪进行容量筛选后，采用4并2串的方式组装成4要素自动气象站所需的6.4V电池组。由于2单元串联的铁锂电池和3单元铅酸电池充电上限电压均为7.2V，用到4要素自动气象站时，原有的供电线路无需作任何改动，直接用铁锂电池替换铅酸电池即可。

4 结语

2015年3月，福建省武夷山市14个四要素自动站中的7个站点改用铁锂电池供电，运行一年来未出现数据中断现象。另外，7个仍然用铅酸电池的自动站则有2个站因连续阴雨天气，供电不足而停止运行，造成数据缺测。铁锂电池与铅酸电池相比具备循环寿命长、比容量大、安全性能高、耐过充电性强的特点，相同容量的铁锂电池的重量只有铅酸电池的1/3，安装维护更加方便。实际使用效果证明，用铁锂电池替代铅酸电池有效提高了自动站运行稳定性。