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多组态电池降本增效实现方式探讨
2022-01-30 21:50:48· 来源：电动学堂 作者：王昆
文章来源：中国移动成都分公司1引言由于5G的自身技术特点，5G设备耗电量大，这对后备电源系统提出了挑战。随着企业降本增效战略的深入推进，5G建设中，不可能将
文章来源：中国移动成都分公司
1引言
由于5G的自身技术特点，5G设备耗电量大，这对后备电源系统提出了挑战。随着企业降本增效战略的深入推进，5G建设中，不可能将汇聚层机房中的原有开关电源和电池全部更新，必须充分考虑到设备的兼容性、扩充性，通过增加整流模块、增加电池组的方式实现低成本的5G建设。从5G建设中汇聚机房直流电力负载情况分析入手，通过对后备电池配置情况的研究，提出在在5G+4G高负荷条件下，如何充分利用当前铁锂电池新技术，最低成本实现5G新基站机房后备电源电池的配置方案。
2 5G汇聚机房的功耗分析
现有5G基站建设，采用的阵列有源AAU天线，具有高频率、高功耗、大带宽的特点。通常，一个5G基站需配置3组AAU天线，其中一组AAU天线满负荷的功率消耗就已超过1kw。如基站为4G/5G共址建设，那么实际功耗将超过10kw。所在辖区内5G站点后备电源进行统计结果显示，有50%基站的备用电池以及60%基站的电源模块不能满足需求。
5G基站主设备，主要由BBU和AAU组成。BBU的主要作用是负责基带数字信号处理。AAU是将信号经过模拟转化、高频调制、功率放大后，通过天线发射出去，相当于4G时代的RRU+天线。AAU的功率受到业务负荷的影响较大，而BBU的功率则相对稳定得多。
AAU是由DAC（数模转换）、RF（射频单元）、PA（功放）和天线等部分组成。通常基站功耗的计算公式如下：
P基站＝NTRX×(PPA+PRF+PBB)
P基站：基站主设备功耗；NTRX:TRX链路数量；PPA：PA功耗；PRF：RF功耗；PBB：BBU功耗。
基站的功耗由BBU、PA以及RF的功耗共同组成，如果TRX链路增加，那么基站的总功耗将随之增加。
PA功耗。PA是基站发射系统的关键器件，主要负责将原本低功率的射频信号通过PA放大后，经天线发射出去。与此同时，PA也是效率最低、最耗电的部件，普通基站大约一半的功耗来自PA。PA功耗=输出功率÷PA功耗效率。
除此之外，基站的功耗受到的影响因素较多、较复杂，具体如下：
①发射功率。基站发射功率越低，则PA功耗越低。
②机房温度。空调故障、设备增加等原因都将导致机房温度的升高，从而增加漏电流，而这将直接导致P1的上升。
③业务负载变化。当流量的需求量增加时，基站参与工作的天线的数量也会随着增加，每一根天线都是相连功率放大器，这就导致功耗的升高。
④预留的影响。通常情况下，基站在电源等部分都有一定扩展性的考虑，这些增加部分实际上也会对基站功耗造成影响。
⑤建站密度。如果要保证同样的覆盖，5G建站的密度将达到4G建设的两倍。
按照标准要求，汇聚机房后备电源至少要达到四小时的供电时长。5G业务的发展，势必会叠加核心网、无线网设备，那么对应的直流开关电源及蓄电池组将形成压力，表现形式为开关电源扩容模块、开关电源换型以及更换大容量蓄电池组等。基于现有电源维护标准，电源配套容量不足将成为常态。因此，有必要对机房的电池、电源等部分进行必要的改造。
3对汇聚机房多组态电池的分析
3.1电池发展趋势
3.1.1铅酸电池
铅酸电池通过多年的发展，技术已经很成熟。但是铅酸电池在5G时代中的弊端日益显现，存在能量密度低、体积大、放电系数低、循环寿命次数少，对机房环境要求严苛、后期维护成本高，运输不便等弊端。
假设电池放电深度为L，充放电循环次数为N，则L=30%时，N=1200；L=50%时，N=600；L=100%时，N=300；L=150%，N=2。电池的过放电将极大影响其性能。
另外，机房的温度对阀控式密封铅酸蓄电池的寿命也会产生较大影响。温度上升会使得电极板的腐蚀速度加快，从而降低电池的容量乃至使用寿命。最佳的使用温度应当在25度左右。但由于天气、空调故障、设备增加等方面的原因，极端情况下机房温度甚至能够达到七十度的高温，电池在这样的温度下会有变形、破裂的风险。
现有机房承载了4G、5G、传输等设备，随着设备的增多，功率消耗也增大，如果出现意外断电的情况，大量的设备就需要电池能够释放出大电流。但铅酸电池在高倍率放电方面表现较差。1h率仅能放电55%，3H率仅能放电75%。
3.1.2铁锂电池
磷酸铁锂电池，是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池，单体额定电压为3.2V，充电截止电压为3.6V~3.65V。一般都配有电池管理系统（BMS），该系统包括参数设置、信息采集、告警上报、数据上传以及电池组控制等，主要负责本地电池组的管理工作。BMS系统可有效对电池进行管理，极大降低了维护成本。
可以看出，磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点。
3.2容量的限制
基站铅酸电池常见的容量有150AH、300AH、500AH、1000AH。磷酸铁锂电池常见的容量有50AH、100AH、150AH。这些电池容量偏小，因此必须多组并联使用。
基站如果全部使用50AH铁锂电池进行配置后备电源，需要29只电池，每个电池柜装8只电池，需要4个柜子。而开关电源大多数都只有两个电池接线柱。在高负载情况下，不可避免的出现多个电池复接的情况。
在大规模的5G建设中，充分利用现有资源，盘活性能良好的铅酸电池组，与磷酸铁锂电池组实现混合使用，避免出现投资浪费。举例：基站中原有两组500AH铅酸电池性能良好，5G建设又需要进行电池扩容，且扩容的电池是磷酸铁锂电池，现场就形成了两组500AH铅酸电池，和9只50AH磷酸铁锂电池组态混用的多组态模式。
4多组态下电池的短板效应
4.1电池的内阻研究
按照国家标准《通信用磷酸铁锂电池组第1部分集成式电池组》（YD/T2444.1-2011），对梯次电池容量检测采用内阻法进行检测。选用内阻仪必须具备静态内阻测试、放电内阻测试、充电内阻测试能力。其容量不足的判断标准为：梯次电池100AH容量电池模块组，其放电内阻值必须小于15mΩ；梯次电池50AH容量电池模块组，其放电内阻值必须小于30mΩ。梯次电池的静态内阻值和充电内阻值仅作为判断梯次电池容量的参考依据。
4.2不同电池的木桶原理
以某国际基站为例。该基站共有16组50AH拓邦铁锂电池。
铁锂电池的内阻值差异较大。按照国家标准，50AH铁锂电池的内阻值应该在20-30MΩ。但是随着电池使用时间的增加，电池内阻也会逐步增加[4]。我们把这些内阻差异巨大的电池直接并联在一起，就像用长短不一的木板来围一个水桶。整体电池中，大内阻值电池的存在，就如同水桶中的短板，导致整组电池无法储存更多的能量，从而造成实际后备时长远远低于理论时长。
4.3电池混用的理论基础
电路的叠加提供了一个思路，如果能让每个并联的电池都保持相对独立性，彼此之间的内阻值不再发生相互作用，就是可以实现不同内阻电池的并联。就如同现实生活中的瓶子一样，我们把水桶变为瓶子，每个电池视为一个单独的瓶子，不管瓶子的容量或多或少，我们把每个瓶子都充饱，也就得到电池组的全部容量。用水桶理论时，电池并联的数量越多越容易出现短板效应。用瓶子理论时，我们并联越多的电池，就会得到越大的电池组总容量。瓶子理论的原理就是切断了电池组之间由内阻值不同而产生的环流。
4.4技术路线
近年来，为满足5G发展对通信电源提出的新需求，为了实现不同种类、型号、品牌、批次或厂家，甚至新旧电池之间的全面兼容和并联，充分发挥各种蓄电池的储能能力，有效盘活存量资源，出现了两类不同技术路线的蓄电池并联设备。一种是电池共用管理器，一种是环流截止器。
4.4.1关键技术原理
通信电源串联复用系统是环流截止技术的一种典型应用，其实现原理是：充分利用肖特基势垒场效应结构（SchottkyBarrierDiode，缩写SBD）中特定金属和半导体材料相接触时，半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。电子电流只能从肖特基势垒高的地方向肖特基势垒低的地方流动，从电子方向性流动的基本物理特性上保证了电流的单向导通、低功耗、超高速的特性。在现代工业化高纯度半导体的生产工艺下，肖特基势垒的接触面能够做的足够大，可以有效的通过大电流。串联复用设备充分利用电子晶体单向导通的物理特性，实现电子的定向制定流动的方式，即便在电池组内部存在电压压差的情况下，也能实现切断电池组内部环流电流必需的逆向移动路径，高效实现电池组并联扩容。
4.4.2技术优势
在切断电池组之间环流的技术上，充分激发电子晶体的基本物理特性，因此不需要再额外购置控制线路和原件，即可最高效实现环流阻断，避免了采用DC-DC技术的能量转化损失、线路控制误差等问题。不仅能在不同的电池组之间高效切断环流电流，实现并联扩容，还能实现每组电池组内部每只电池间的主动双向均衡，改善电池组内部特性，提升较差电池性能，避免一只落后电池拖垮另一组有效电池的情况，极大增强了电池组的有效容量。
4.4.3使用场景
（1）对单节落后电池的均衡
要解决单个电池组内部，不同电池之间的内阻差异，就必须采用双向主动均衡。当蓄电池组中单体电池容量差异性达到一定程度时，通过能量无损转移的方式把容量较高的电池的一部分容量转移到容量较低的电池，且电池组中任意两只电池之间可以直接进行双向的能量传递，以达到蓄电池组中单体电池容量平衡的目的。通过使用均衡器
（串联复用模块1）可以实现不同新旧、容量有一定差异的单只电池之间的混用。详见图1。
（2）对电池组间的环流电流的阻断
采用串联复用模块2对电池组间的环流进行阻断。串联复用模块2可以根据电池组的容量大小，根据其在特定电压下输出的电流的曲线特征，自动调节每组电池组输出电流的大小，让所有电池组都能在全部时间段内对外输出电流，能有效提升蓄电池的放电深度，增加电池组的使用容量。串联复用模块2通过电气元件，串在-48V系统的正极上，起到阻断环流电流和均负载电流的作用。详见图2。
综上所述，环流截止器技术能够充分利用电子晶体单向导通的物理特性，实现电子的定向流动，即便在电池组内部存在电压差的情况下，也能实现切断电池组内部环流必需的逆向移动路径，高效实现电池组并联扩容。实现不同类型、不同厂家、不同容量的铅酸与铅酸、铅酸与铁锂、铁锂与铁锂电池之间的并联。最大程度的实现降本增效目标。
4.5实践案例
某基站的基本情况：两个不同厂家品牌的电池，5只梯次电池，负载电流超过100A，站址重要程度高。开关电源输出电流、输出电压检测结果与实际严重偏差，电池外部条件恶劣。该基站1、2、3号电池为中天科技梯次电池，形成一个小电池组①；4、5号为新木电子电池，形成一个小电池组②；之后两个小电池组又在开关电源处并联，形成一个大的电池组。电池组内部内阻差异较大，环流较大。
4.5.1原状态下测试数据：
用基站本身电流进行放电，放电30分钟后，整组电池电压下降到50.3V，低于梯次电池组标称51.2V电压，根据铁锂梯次电池的放电特性，低于标称电压后，电池电压降下降迅速，故预计整组放电时长小于1.5小时。
从表1可知：
小电池组①内部环流电流：（18.3+15.8+14.5）-47=1.6A
小电池组②内部环流电流：（33.1+29.9）-64=-1A
整个大电池组环流电流：（47+64）-102=9A
整组电池电流混乱，内部环流较多，较复杂，电池对外电流输出能力下降。
4.5.2加装串联复用设备后
加装设备后，在串联复用的监控平台可见，梯次电池电压为54.73V。用基站本身电流进行放电，放电60分钟后，整组电池电压为51.8V，仍高于51.2V的标称电压值，预估后备时长超过3小时。电流电压数据如表2。
从以上数据可以知道：加装串联复用设备后，电池内部没有环流，从而大幅度提升了电池对外输出能力，延长了蓄电池寿命。
4.6经济效益分析
该技术最大程度的利用落后电池中的价值。一般来说容量大于80%标称容量的电池为正常电池，容量小于80%标称容量的电池为落后电池。根据使用情况，从100%的容量下降到80%的容量，需要4-6年。从80%的容量下降到10%的容量，需要2-3年。采用环流截止器技术后，可以理解为电池寿命从4-6年提升到6-9年。延长寿命后，电池上下站的安装费、中转费、仓储费以及维护费都可以大幅度节约。
5小结
在5G+4G高负载情况下，电池配置普遍大幅度增加，新增电池多为磷酸铁锂电池，且每次集采的品牌不同，不可避免的出现多组态混用的情况。采用电池组并联设备，实现不同种类、不同品牌、不同新旧电池的混用，是实现企业降本增效要求的必由之路。
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