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多組態(tài)電池降本增效實現(xiàn)方式探討
2022-01-30 21:50:48· 來源：電動學堂 作者：王昆
文章來源：中國移動成都分公司1引言由于5G的自身技術特點，5G設備耗電量大，這對后備電源系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。隨著企業(yè)降本增效戰(zhàn)略的深入推進，5G建設中，不可能將
文章來源：中國移動成都分公司
1引言
由于5G的自身技術特點，5G設備耗電量大，這對后備電源系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。隨著企業(yè)降本增效戰(zhàn)略的深入推進，5G建設中，不可能將匯聚層機房中的原有開關電源和電池全部更新，必須充分考慮到設備的兼容性、擴充性，通過增加整流模塊、增加電池組的方式實現(xiàn)低成本的5G建設。從5G建設中匯聚機房直流電力負載情況分析入手，通過對后備電池配置情況的研究，提出在在5G+4G高負荷條件下，如何充分利用當前鐵鋰電池新技術，最低成本實現(xiàn)5G新基站機房后備電源電池的配置方案。
2 5G匯聚機房的功耗分析
現(xiàn)有5G基站建設，采用的陣列有源AAU天線，具有高頻率、高功耗、大帶寬的特點。通常，一個5G基站需配置3組AAU天線，其中一組AAU天線滿負荷的功率消耗就已超過1kw。如基站為4G/5G共址建設，那么實際功耗將超過10kw。所在轄區(qū)內(nèi)5G站點后備電源進行統(tǒng)計結果顯示，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基站主設備，主要由BBU和AAU組成。BBU的主要作用是負責基帶數(shù)字信號處理。AAU是將信號經(jīng)過模擬轉化、高頻調(diào)制、功率放大后，通過天線發(fā)射出去，相當于4G時代的RRU+天線。AAU的功率受到業(yè)務負荷的影響較大，而BBU的功率則相對穩(wěn)定得多。
AAU是由DAC（數(shù)模轉換）、RF（射頻單元）、PA（功放）和天線等部分組成。通常基站功耗的計算公式如下：
P基站＝NTRX×(PPA+PRF+PBB)
P基站：基站主設備功耗；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)的關鍵器件，主要負責將原本低功率的射頻信號通過PA放大后，經(jīng)天線發(fā)射出去。與此同時，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機房溫度?？照{(diào)故障、設備增加等原因都將導致機房溫度的升高，從而增加漏電流，而這將直接導致P1的上升。
③業(yè)務負載變化。當流量的需求量增加時，基站參與工作的天線的數(shù)量也會隨著增加，每一根天線都是相連功率放大器，這就導致功耗的升高。
④預留的影響。通常情況下，基站在電源等部分都有一定擴展性的考慮，這些增加部分實際上也會對基站功耗造成影響。
⑤建站密度。如果要保證同樣的覆蓋，5G建站的密度將達到4G建設的兩倍。
按照標準要求，匯聚機房后備電源至少要達到四小時的供電時長。5G業(yè)務的發(fā)展，勢必會疊加核心網(wǎng)、無線網(wǎng)設備，那么對應的直流開關電源及蓄電池組將形成壓力，表現(xiàn)形式為開關電源擴容模塊、開關電源換型以及更換大容量蓄電池組等?；诂F(xiàn)有電源維護標準，電源配套容量不足將成為常態(tài)。因此，有必要對機房的電池、電源等部分進行必要的改造。
3對匯聚機房多組態(tài)電池的分析
3.1電池發(fā)展趨勢
3.1.1鉛酸電池
鉛酸電池通過多年的發(fā)展，技術已經(jīng)很成熟。但是鉛酸電池在5G時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，對機房環(huán)境要求嚴苛、后期維護成本高，運輸不便等弊端。
假設電池放電深度為L，充放電循環(huán)次數(shù)為N，則L=30%時，N=1200；L=50%時，N=600；L=100%時，N=300；L=150%，N=2。電池的過放電將極大影響其性能。
另外，機房的溫度對閥控式密封鉛酸蓄電池的壽命也會產(chǎn)生較大影響。溫度上升會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。最佳的使用溫度應當在25度左右。但由于天氣、空調(diào)故障、設備增加等方面的原因，極端情況下機房溫度甚至能夠達到七十度的高溫，電池在這樣的溫度下會有變形、破裂的風險。
現(xiàn)有機房承載了4G、5G、傳輸?shù)仍O備，隨著設備的增多，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)設置、信息采集、告警上報、數(shù)據(jù)上傳以及電池組控制等，主要負責本地電池組的管理工作。BMS系統(tǒng)可有效對電池進行管理，極大降低了維護成本。
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、安全性能好、自放電率小、無記憶效應的優(yōu)點。
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鐵鋰電池進行配置后備電源，需要29只電池，每個電池柜裝8只電池，需要4個柜子。而開關電源大多數(shù)都只有兩個電池接線柱。在高負載情況下，不可避免的出現(xiàn)多個電池復接的情況。
在大規(guī)模的5G建設中，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現(xiàn)混合使用，避免出現(xiàn)投資浪費。舉例：基站中原有兩組500AH鉛酸電池性能良好，5G建設又需要進行電池擴容，且擴容的電池是磷酸鐵鋰電池，現(xiàn)場就形成了兩組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
4.1電池的內(nèi)阻研究
按照國家標準《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分集成式電池組》（YD/T2444.1-2011），對梯次電池容量檢測采用內(nèi)阻法進行檢測。選用內(nèi)阻儀必須具備靜態(tài)內(nèi)阻測試、放電內(nèi)阻測試、充電內(nèi)阻測試能力。其容量不足的判斷標準為：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。按照國家標準，50AH鐵鋰電池的內(nèi)阻值應該在20-30MΩ。但是隨著電池使用時間的增加，電池內(nèi)阻也會逐步增加[4]。我們把這些內(nèi)阻差異巨大的電池直接并聯(lián)在一起，就像用長短不一的木板來圍一個水桶。整體電池中，大內(nèi)阻值電池的存在，就如同水桶中的短板，導致整組電池無法儲存更多的能量，從而造成實際后備時長遠遠低于理論時長。
4.3電池混用的理論基礎
電路的疊加提供了一個思路，如果能讓每個并聯(lián)的電池都保持相對獨立性，彼此之間的內(nèi)阻值不再發(fā)生相互作用，就是可以實現(xiàn)不同內(nèi)阻電池的并聯(lián)。就如同現(xiàn)實生活中的瓶子一樣，我們把水桶變?yōu)槠孔?，每個電池視為一個單獨的瓶子，不管瓶子的容量或多或少，我們把每個瓶子都充飽，也就得到電池組的全部容量。用水桶理論時，電池并聯(lián)的數(shù)量越多越容易出現(xiàn)短板效應。用瓶子理論時，我們并聯(lián)越多的電池，就會得到越大的電池組總容量。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技術路線
近年來，為滿足5G發(fā)展對通信電源提出的新需求，為了實現(xiàn)不同種類、型號、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)揮各種蓄電池的儲能能力，有效盤活存量資源，出現(xiàn)了兩類不同技術路線的蓄電池并聯(lián)設備。一種是電池共用管理器，一種是環(huán)流截止器。
4.4.1關鍵技術原理
通信電源串聯(lián)復用系統(tǒng)是環(huán)流截止技術的一種典型應用，其實現(xiàn)原理是：充分利用肖特基勢壘場效應結構（SchottkyBarrierDiode，縮寫SBD）中特定金屬和半導體材料相接觸時，半導體的能帶彎曲，形成肖特基勢壘。電子電流只能從肖特基勢壘高的地方向肖特基勢壘低的地方流動，從電子方向性流動的基本物理特性上保證了電流的單向導通、低功耗、超高速的特性。在現(xiàn)代工業(yè)化高純度半導體的生產(chǎn)工藝下，肖特基勢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)復用設備充分利用電子晶體單向導通的物理特性，實現(xiàn)電子的定向制定流動的方式，即便在電池組內(nèi)部存在電壓壓差的情況下，也能實現(xiàn)切斷電池組內(nèi)部環(huán)流電流必需的逆向移動路徑，高效實現(xiàn)電池組并聯(lián)擴容。
4.4.2技術優(yōu)勢
在切斷電池組之間環(huán)流的技術上，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，即可最高效實現(xiàn)環(huán)流阻斷，避免了采用DC-DC技術的能量轉化損失、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，實現(xiàn)并聯(lián)擴容，還能實現(xiàn)每組電池組內(nèi)部每只電池間的主動雙向均衡，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，極大增強了電池組的有效容量。
4.4.3使用場景
（1）對單節(jié)落后電池的均衡
要解決單個電池組內(nèi)部，不同電池之間的內(nèi)阻差異，就必須采用雙向主動均衡。當蓄電池組中單體電池容量差異性達到一定程度時，通過能量無損轉移的方式把容量較高的電池的一部分容量轉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行雙向的能量傳遞，以達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)復用模塊1）可以實現(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）對電池組間的環(huán)流電流的阻斷
采用串聯(lián)復用模塊2對電池組間的環(huán)流進行阻斷。串聯(lián)復用模塊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間段內(nèi)對外輸出電流，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)流電流和均負載電流的作用。詳見圖2。
綜上所述，環(huán)流截止器技術能夠充分利用電子晶體單向導通的物理特性，實現(xiàn)電子的定向流動，即便在電池組內(nèi)部存在電壓差的情況下，也能實現(xiàn)切斷電池組內(nèi)部環(huán)流必需的逆向移動路徑，高效實現(xiàn)電池組并聯(lián)擴容。實現(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)。最大程度的實現(xiàn)降本增效目標。
4.5實踐案例
某基站的基本情況：兩個不同廠家品牌的電池，5只梯次電池，負載電流超過100A，站址重要程度高。開關電源輸出電流、輸出電壓檢測結果與實際嚴重偏差，電池外部條件惡劣。該基站1、2、3號電池為中天科技梯次電池，形成一個小電池組①；4、5號為新木電子電池，形成一個小電池組②；之后兩個小電池組又在開關電源處并聯(lián)，形成一個大的電池組。電池組內(nèi)部內(nèi)阻差異較大，環(huán)流較大。
4.5.1原狀態(tài)下測試數(shù)據(jù)：
用基站本身電流進行放電，放電30分鐘后，整組電池電壓下降到50.3V，低于梯次電池組標稱51.2V電壓，根據(jù)鐵鋰梯次電池的放電特性，低于標稱電壓后，電池電壓降下降迅速，故預計整組放電時長小于1.5小時。
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，較復雜，電池對外電流輸出能力下降。
4.5.2加裝串聯(lián)復用設備后
加裝設備后，在串聯(lián)復用的監(jiān)控平臺可見，梯次電池電壓為54.73V。用基站本身電流進行放電，放電60分鐘后，整組電池電壓為51.8V，仍高于51.2V的標稱電壓值，預估后備時長超過3小時。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)復用設備后，電池內(nèi)部沒有環(huán)流，從而大幅度提升了電池對外輸出能力，延長了蓄電池壽命。
4.6經(jīng)濟效益分析
該技術最大程度的利用落后電池中的價值。一般來說容量大于80%標稱容量的電池為正常電池，容量小于80%標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)流截止器技術后，可以理解為電池壽命從4-6年提升到6-9年。延長壽命后，電池上下站的安裝費、中轉費、倉儲費以及維護費都可以大幅度節(jié)約。
5小結
在5G+4G高負載情況下，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)設備，實現(xiàn)不同種類、不同品牌、不同新舊電池的混用，是實現(xiàn)企業(yè)降本增效要求的必由之路。
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