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多組態(tài)電池降本增效實(shí)現(xiàn)方式探討

2022-01-30 21:50:48·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：王昆  
　
文章來源：中國(guó)移動(dòng)成都分公司1引言由于5G的自身技術(shù)特點(diǎn)，5G設(shè)備耗電量大，這對(duì)后備電源系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。隨著企業(yè)降本增效戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，5G建設(shè)中，不可能將
文章來源：中國(guó)移動(dòng)成都分公司
1引言
由于5G的自身技術(shù)特點(diǎn)，5G設(shè)備耗電量大，這對(duì)后備電源系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。隨著企業(yè)降本增效戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，5G建設(shè)中，不可能將匯聚層機(jī)房中的原有開關(guān)電源和電池全部更新，必須充分考慮到設(shè)備的兼容性、擴(kuò)充性，通過增加整流模塊、增加電池組的方式實(shí)現(xiàn)低成本的5G建設(shè)。從5G建設(shè)中匯聚機(jī)房直流電力負(fù)載情況分析入手，通過對(duì)后備電池配置情況的研究，提出在在5G+4G高負(fù)荷條件下，如何充分利用當(dāng)前鐵鋰電池新技術(shù)，最低成本實(shí)現(xiàn)5G新基站機(jī)房后備電源電池的配置方案。
2 5G匯聚機(jī)房的功耗分析
現(xiàn)有5G基站建設(shè)，采用的陣列有源AAU天線，具有高頻率、高功耗、大帶寬的特點(diǎn)。通常，一個(gè)5G基站需配置3組AAU天線，其中一組AAU天線滿負(fù)荷的功率消耗就已超過1kw。如基站為4G/5G共址建設(shè)，那么實(shí)際功耗將超過10kw。所在轄區(qū)內(nèi)5G站點(diǎn)后備電源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，有50%基站的備用電池以及60%基站的電源模塊不能滿足需求。
5G基站主設(shè)備，主要由BBU和AAU組成。BBU的主要作用是負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號(hào)處理。AAU是將信號(hào)經(jīng)過模擬轉(zhuǎn)化、高頻調(diào)制、功率放大后，通過天線發(fā)射出去，相當(dāng)于4G時(shí)代的RRU+天線。AAU的功率受到業(yè)務(wù)負(fù)荷的影響較大，而BBU的功率則相對(duì)穩(wěn)定得多。
AAU是由DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）、RF（射頻單元）、PA（功放）和天線等部分組成。通常基站功耗的計(jì)算公式如下：
P基站＝NTRX×(PPA+PRF+PBB)
P基站：基站主設(shè)備功耗；NTRX:TRX鏈路數(shù)量；PPA：PA功耗；PRF：RF功耗；PBB：BBU功耗。
基站的功耗由BBU、PA以及RF的功耗共同組成，如果TRX鏈路增加，那么基站的總功耗將隨之增加。
PA功耗。PA是基站發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，主要負(fù)責(zé)將原本低功率的射頻信號(hào)通過PA放大后，經(jīng)天線發(fā)射出去。與此同時(shí)，PA也是效率最低、最耗電的部件，普通基站大約一半的功耗來自PA。PA功耗=輸出功率÷PA功耗效率。
除此之外，基站的功耗受到的影響因素較多、較復(fù)雜，具體如下：
①發(fā)射功率?；景l(fā)射功率越低，則PA功耗越低。
②機(jī)房溫度。空調(diào)故障、設(shè)備增加等原因都將導(dǎo)致機(jī)房溫度的升高，從而增加漏電流，而這將直接導(dǎo)致P1的上升。
③業(yè)務(wù)負(fù)載變化。當(dāng)流量的需求量增加時(shí)，基站參與工作的天線的數(shù)量也會(huì)隨著增加，每一根天線都是相連功率放大器，這就導(dǎo)致功耗的升高。
④預(yù)留的影響。通常情況下，基站在電源等部分都有一定擴(kuò)展性的考慮，這些增加部分實(shí)際上也會(huì)對(duì)基站功耗造成影響。
⑤建站密度。如果要保證同樣的覆蓋，5G建站的密度將達(dá)到4G建設(shè)的兩倍。
按照標(biāo)準(zhǔn)要求，匯聚機(jī)房后備電源至少要達(dá)到四小時(shí)的供電時(shí)長(zhǎng)。5G業(yè)務(wù)的發(fā)展，勢(shì)必會(huì)疊加核心網(wǎng)、無線網(wǎng)設(shè)備，那么對(duì)應(yīng)的直流開關(guān)電源及蓄電池組將形成壓力，表現(xiàn)形式為開關(guān)電源擴(kuò)容模塊、開關(guān)電源換型以及更換大容量蓄電池組等?；诂F(xiàn)有電源維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，電源配套容量不足將成為常態(tài)。因此，有必要對(duì)機(jī)房的電池、電源等部分進(jìn)行必要的改造。
3對(duì)匯聚機(jī)房多組態(tài)電池的分析
3.1電池發(fā)展趨勢(shì)
3.1.1鉛酸電池
鉛酸電池通過多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)很成熟。但是鉛酸電池在5G時(shí)代中的弊端日益顯現(xiàn)，存在能量密度低、體積大、放電系數(shù)低、循環(huán)壽命次數(shù)少，對(duì)機(jī)房環(huán)境要求嚴(yán)苛、后期維護(hù)成本高，運(yùn)輸不便等弊端。
假設(shè)電池放電深度為L(zhǎng)，充放電循環(huán)次數(shù)為N，則L=30%時(shí)，N=1200；L=50%時(shí)，N=600；L=100%時(shí)，N=300；L=150%，N=2。電池的過放電將極大影響其性能。
另外，機(jī)房的溫度對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池的壽命也會(huì)產(chǎn)生較大影響。溫度上升會(huì)使得電極板的腐蝕速度加快，從而降低電池的容量乃至使用壽命。最佳的使用溫度應(yīng)當(dāng)在25度左右。但由于天氣、空調(diào)故障、設(shè)備增加等方面的原因，極端情況下機(jī)房溫度甚至能夠達(dá)到七十度的高溫，電池在這樣的溫度下會(huì)有變形、破裂的風(fēng)險(xiǎn)。
現(xiàn)有機(jī)房承載了4G、5G、傳輸?shù)仍O(shè)備，隨著設(shè)備的增多，功率消耗也增大，如果出現(xiàn)意外斷電的情況，大量的設(shè)備就需要電池能夠釋放出大電流。但鉛酸電池在高倍率放電方面表現(xiàn)較差。1h率僅能放電55%，3H率僅能放電75%。
3.1.2鐵鋰電池
磷酸鐵鋰電池，是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負(fù)極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6V~3.65V。一般都配有電池管理系統(tǒng)（BMS），該系統(tǒng)包括參數(shù)設(shè)置、信息采集、告警上報(bào)、數(shù)據(jù)上傳以及電池組控制等，主要負(fù)責(zé)本地電池組的管理工作。BMS系統(tǒng)可有效對(duì)電池進(jìn)行管理，極大降低了維護(hù)成本。
可以看出，磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、自放電率小、無記憶效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。
3.2容量的限制
基站鉛酸電池常見的容量有150AH、300AH、500AH、1000AH。磷酸鐵鋰電池常見的容量有50AH、100AH、150AH。這些電池容量偏小，因此必須多組并聯(lián)使用。
基站如果全部使用50AH鐵鋰電池進(jìn)行配置后備電源，需要29只電池，每個(gè)電池柜裝8只電池，需要4個(gè)柜子。而開關(guān)電源大多數(shù)都只有兩個(gè)電池接線柱。在高負(fù)載情況下，不可避免的出現(xiàn)多個(gè)電池復(fù)接的情況。
在大規(guī)模的5G建設(shè)中，充分利用現(xiàn)有資源，盤活性能良好的鉛酸電池組，與磷酸鐵鋰電池組實(shí)現(xiàn)混合使用，避免出現(xiàn)投資浪費(fèi)。舉例：基站中原有兩組500AH鉛酸電池性能良好，5G建設(shè)又需要進(jìn)行電池?cái)U(kuò)容，且擴(kuò)容的電池是磷酸鐵鋰電池，現(xiàn)場(chǎng)就形成了兩組500AH鉛酸電池，和9只50AH磷酸鐵鋰電池組態(tài)混用的多組態(tài)模式。
4多組態(tài)下電池的短板效應(yīng)
4.1電池的內(nèi)阻研究
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分集成式電池組》（YD/T2444.1-2011），對(duì)梯次電池容量檢測(cè)采用內(nèi)阻法進(jìn)行檢測(cè)。選用內(nèi)阻儀必須具備靜態(tài)內(nèi)阻測(cè)試、放電內(nèi)阻測(cè)試、充電內(nèi)阻測(cè)試能力。其容量不足的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：梯次電池100AH容量電池模塊組，其放電內(nèi)阻值必須小于15mΩ；梯次電池50AH容量電池模塊組，其放電內(nèi)阻值必須小于30mΩ。梯次電池的靜態(tài)內(nèi)阻值和充電內(nèi)阻值僅作為判斷梯次電池容量的參考依據(jù)。
4.2不同電池的木桶原理
以某國(guó)際基站為例。該基站共有16組50AH拓邦鐵鋰電池。
鐵鋰電池的內(nèi)阻值差異較大。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，50AH鐵鋰電池的內(nèi)阻值應(yīng)該在20-30MΩ。但是隨著電池使用時(shí)間的增加，電池內(nèi)阻也會(huì)逐步增加[4]。我們把這些內(nèi)阻差異巨大的電池直接并聯(lián)在一起，就像用長(zhǎng)短不一的木板來圍一個(gè)水桶。整體電池中，大內(nèi)阻值電池的存在，就如同水桶中的短板，導(dǎo)致整組電池?zé)o法儲(chǔ)存更多的能量，從而造成實(shí)際后備時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論時(shí)長(zhǎng)。
4.3電池混用的理論基礎(chǔ)
電路的疊加提供了一個(gè)思路，如果能讓每個(gè)并聯(lián)的電池都保持相對(duì)獨(dú)立性，彼此之間的內(nèi)阻值不再發(fā)生相互作用，就是可以實(shí)現(xiàn)不同內(nèi)阻電池的并聯(lián)。就如同現(xiàn)實(shí)生活中的瓶子一樣，我們把水桶變?yōu)槠孔?，每個(gè)電池視為一個(gè)單獨(dú)的瓶子，不管瓶子的容量或多或少，我們把每個(gè)瓶子都充飽，也就得到電池組的全部容量。用水桶理論時(shí)，電池并聯(lián)的數(shù)量越多越容易出現(xiàn)短板效應(yīng)。用瓶子理論時(shí)，我們并聯(lián)越多的電池，就會(huì)得到越大的電池組總?cè)萘?。瓶子理論的原理就是切斷了電池組之間由內(nèi)阻值不同而產(chǎn)生的環(huán)流。
4.4技術(shù)路線
近年來，為滿足5G發(fā)展對(duì)通信電源提出的新需求，為了實(shí)現(xiàn)不同種類、型號(hào)、品牌、批次或廠家，甚至新舊電池之間的全面兼容和并聯(lián)，充分發(fā)揮各種蓄電池的儲(chǔ)能能力，有效盤活存量資源，出現(xiàn)了兩類不同技術(shù)路線的蓄電池并聯(lián)設(shè)備。一種是電池共用管理器，一種是環(huán)流截止器。
4.4.1關(guān)鍵技術(shù)原理
通信電源串聯(lián)復(fù)用系統(tǒng)是環(huán)流截止技術(shù)的一種典型應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)原理是：充分利用肖特基勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)（SchottkyBarrierDiode，縮寫SBD）中特定金屬和半導(dǎo)體材料相接觸時(shí)，半導(dǎo)體的能帶彎曲，形成肖特基勢(shì)壘。電子電流只能從肖特基勢(shì)壘高的地方向肖特基勢(shì)壘低的地方流動(dòng)，從電子方向性流動(dòng)的基本物理特性上保證了電流的單向?qū)ā⒌凸?、超高速的特性。在現(xiàn)代工業(yè)化高純度半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝下，肖特基勢(shì)壘的接觸面能夠做的足夠大，可以有效的通過大電流。串聯(lián)復(fù)用設(shè)備充分利用電子晶體單向?qū)ǖ奈锢硖匦?，?shí)現(xiàn)電子的定向制定流動(dòng)的方式，即便在電池組內(nèi)部存在電壓壓差的情況下，也能實(shí)現(xiàn)切斷電池組內(nèi)部環(huán)流電流必需的逆向移動(dòng)路徑，高效實(shí)現(xiàn)電池組并聯(lián)擴(kuò)容。
4.4.2技術(shù)優(yōu)勢(shì)
在切斷電池組之間環(huán)流的技術(shù)上，充分激發(fā)電子晶體的基本物理特性，因此不需要再額外購置控制線路和原件，即可最高效實(shí)現(xiàn)環(huán)流阻斷，避免了采用DC-DC技術(shù)的能量轉(zhuǎn)化損失、線路控制誤差等問題。不僅能在不同的電池組之間高效切斷環(huán)流電流，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)擴(kuò)容，還能實(shí)現(xiàn)每組電池組內(nèi)部每只電池間的主動(dòng)雙向均衡，改善電池組內(nèi)部特性，提升較差電池性能，避免一只落后電池拖垮另一組有效電池的情況，極大增強(qiáng)了電池組的有效容量。
4.4.3使用場(chǎng)景
（1）對(duì)單節(jié)落后電池的均衡
要解決單個(gè)電池組內(nèi)部，不同電池之間的內(nèi)阻差異，就必須采用雙向主動(dòng)均衡。當(dāng)蓄電池組中單體電池容量差異性達(dá)到一定程度時(shí)，通過能量無損轉(zhuǎn)移的方式把容量較高的電池的一部分容量轉(zhuǎn)移到容量較低的電池，且電池組中任意兩只電池之間可以直接進(jìn)行雙向的能量傳遞，以達(dá)到蓄電池組中單體電池容量平衡的目的。通過使用均衡器
（串聯(lián)復(fù)用模塊1）可以實(shí)現(xiàn)不同新舊、容量有一定差異的單只電池之間的混用。詳見圖1。
（2）對(duì)電池組間的環(huán)流電流的阻斷
采用串聯(lián)復(fù)用模塊2對(duì)電池組間的環(huán)流進(jìn)行阻斷。串聯(lián)復(fù)用模塊2可以根據(jù)電池組的容量大小，根據(jù)其在特定電壓下輸出的電流的曲線特征，自動(dòng)調(diào)節(jié)每組電池組輸出電流的大小，讓所有電池組都能在全部時(shí)間段內(nèi)對(duì)外輸出電流，能有效提升蓄電池的放電深度，增加電池組的使用容量。串聯(lián)復(fù)用模塊2通過電氣元件，串在-48V系統(tǒng)的正極上，起到阻斷環(huán)流電流和均負(fù)載電流的作用。詳見圖2。
綜上所述，環(huán)流截止器技術(shù)能夠充分利用電子晶體單向?qū)ǖ奈锢硖匦裕瑢?shí)現(xiàn)電子的定向流動(dòng)，即便在電池組內(nèi)部存在電壓差的情況下，也能實(shí)現(xiàn)切斷電池組內(nèi)部環(huán)流必需的逆向移動(dòng)路徑，高效實(shí)現(xiàn)電池組并聯(lián)擴(kuò)容。實(shí)現(xiàn)不同類型、不同廠家、不同容量的鉛酸與鉛酸、鉛酸與鐵鋰、鐵鋰與鐵鋰電池之間的并聯(lián)。最大程度的實(shí)現(xiàn)降本增效目標(biāo)。
4.5實(shí)踐案例
某基站的基本情況：兩個(gè)不同廠家品牌的電池，5只梯次電池，負(fù)載電流超過100A，站址重要程度高。開關(guān)電源輸出電流、輸出電壓檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際嚴(yán)重偏差，電池外部條件惡劣。該基站1、2、3號(hào)電池為中天科技梯次電池，形成一個(gè)小電池組①；4、5號(hào)為新木電子電池，形成一個(gè)小電池組②；之后兩個(gè)小電池組又在開關(guān)電源處并聯(lián)，形成一個(gè)大的電池組。電池組內(nèi)部?jī)?nèi)阻差異較大，環(huán)流較大。
4.5.1原狀態(tài)下測(cè)試數(shù)據(jù)：
用基站本身電流進(jìn)行放電，放電30分鐘后，整組電池電壓下降到50.3V，低于梯次電池組標(biāo)稱51.2V電壓，根據(jù)鐵鋰梯次電池的放電特性，低于標(biāo)稱電壓后，電池電壓降下降迅速，故預(yù)計(jì)整組放電時(shí)長(zhǎng)小于1.5小時(shí)。
從表1可知：
小電池組①內(nèi)部環(huán)流電流：（18.3+15.8+14.5）-47=1.6A
小電池組②內(nèi)部環(huán)流電流：（33.1+29.9）-64=-1A
整個(gè)大電池組環(huán)流電流：（47+64）-102=9A
整組電池電流混亂，內(nèi)部環(huán)流較多，較復(fù)雜，電池對(duì)外電流輸出能力下降。
4.5.2加裝串聯(lián)復(fù)用設(shè)備后
加裝設(shè)備后，在串聯(lián)復(fù)用的監(jiān)控平臺(tái)可見，梯次電池電壓為54.73V。用基站本身電流進(jìn)行放電，放電60分鐘后，整組電池電壓為51.8V，仍高于51.2V的標(biāo)稱電壓值，預(yù)估后備時(shí)長(zhǎng)超過3小時(shí)。電流電壓數(shù)據(jù)如表2。
從以上數(shù)據(jù)可以知道：加裝串聯(lián)復(fù)用設(shè)備后，電池內(nèi)部沒有環(huán)流，從而大幅度提升了電池對(duì)外輸出能力，延長(zhǎng)了蓄電池壽命。
4.6經(jīng)濟(jì)效益分析
該技術(shù)最大程度的利用落后電池中的價(jià)值。一般來說容量大于80%標(biāo)稱容量的電池為正常電池，容量小于80%標(biāo)稱容量的電池為落后電池。根據(jù)使用情況，從100%的容量下降到80%的容量，需要4-6年。從80%的容量下降到10%的容量，需要2-3年。采用環(huán)流截止器技術(shù)后，可以理解為電池壽命從4-6年提升到6-9年。延長(zhǎng)壽命后，電池上下站的安裝費(fèi)、中轉(zhuǎn)費(fèi)、倉儲(chǔ)費(fèi)以及維護(hù)費(fèi)都可以大幅度節(jié)約。
5小結(jié)
在5G+4G高負(fù)載情況下，電池配置普遍大幅度增加，新增電池多為磷酸鐵鋰電池，且每次集采的品牌不同，不可避免的出現(xiàn)多組態(tài)混用的情況。采用電池組并聯(lián)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同種類、不同品牌、不同新舊電池的混用，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效要求的必由之路。
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