應用于5G邊緣DC的高功率蓄電池研究

李浩銘（中國聯(lián)通網(wǎng)絡技術研究院，河南鄭州450007）

1 研究背景

近年隨著市電供電環(huán)境的持續(xù)改善和備用柴油發(fā)電機組性能的提高，目前運營商通信電源系統(tǒng)的鉛酸蓄電池后備時間都減少到了1～3 h。

中國聯(lián)通2016年3月下發(fā)的《中國聯(lián)通2016年基礎設施專業(yè)建設指導意見》中有如下規(guī)定。

-48 V直流系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)：一類市電條件下，自動化切換配電系統(tǒng)總放電小時數(shù)為0.5 h，手動啟動或切換配電系統(tǒng)總放電小時數(shù)為1 h；二類市電條件下，自動化切換配電系統(tǒng)總放電小時數(shù)為1 h，手動啟動或切換配電系統(tǒng)總放電小時數(shù)為1～2 h；三類市電條件下，總放電小時數(shù)為2～3 h。

交流UPS供電系統(tǒng)：在一類市電引入+后備油機（N臺）保障條件下，具備配電系統(tǒng)實現(xiàn)自動化切換條件時，交流不間斷電源系統(tǒng)的斷電保障時間可縮短至30 min，否則交流不間斷電源供電系統(tǒng)的斷電保障時間不宜低于1 h；在二類市電引入+后備油機（N+1臺）保障條件下，具備配電系統(tǒng)實現(xiàn)自動化切換條件時，交流不間斷電源供電系統(tǒng)的斷電保障時間不應低于1 h，否則交流不間斷電源供電系統(tǒng)的斷電保障時間應延長為1～2 h。在三類市電引入+移動油機保障條件下，交流不間斷供電系統(tǒng)的斷電保障時間為2～4 h。

同時，對于配置有獨立變配電系統(tǒng)的單獨IDC機房，《中國聯(lián)通數(shù)據(jù)中心建設標準V1.0》給出的鉛酸蓄電池斷電保障時間在Tier4、Tier3、Tier2和Tier1機房分別為15、10、7和5 min。

可以看出，目前中國聯(lián)通的通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心的蓄電池備用時間按照設計負荷計算最多不超過4 h，對于配置有獨立配電系統(tǒng)的單獨IDC機房，甚至只有5～15 min。對于鉛酸蓄電池的放電能力要求已經(jīng)從過去的“長持續(xù)時間，小放電電流”轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕岸坛掷m(xù)時間，大放電電流”，也就是對鉛酸蓄電池高功率放電能力的要求。但從目前運營商普遍采用的傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的工藝來看，是無法滿足這種要求的。中國電信的某通信局（站）就發(fā)生過傳統(tǒng)蓄電池大電流放電電壓突然斷崖式下降，造成傳輸10 Gbit/s骨干環(huán)網(wǎng)設備發(fā)生重啟動，傳輸大面積故障持續(xù)5 min的重大事故。

為避免此類事故的發(fā)生，運營商普遍采用增大電池容量的方法來保證供電安全，但此種方式不僅增加了大量的固定資產(chǎn)購置費用，同時在機房有限的空間和承重條件下，會給安裝施工和后續(xù)的維護工作帶來很多隱患，更是無法適應在5G時代大舉建設邊緣DC機房的需求。因而如何在通信行業(yè)應用具有高功率放電性能的鉛酸蓄電池，在保證供電安全的前提下，合理減少蓄電池的配置容量，降低對機房空間和承重的要求，就成為了擺在各大運營商面前的一個重要課題。

2 高功率蓄電池的研發(fā)

傳統(tǒng)通信局（站）用鉛酸蓄電池的設計目標是在小電流、小功率的工況條件下，保證較長的供電時間及更長的循環(huán)壽命。為了達到這些目標，設計時關注的重點通常是減少蓄電池的早期容量衰減現(xiàn)象（PCL）、提高活性物質(zhì)參與化學反應的比例以及循環(huán)反應的次數(shù)，因而導致此類蓄電池的高功率放電性能較差。

為了提高鉛酸蓄電池的高功率放電性能，以適應大電流、大功率的要求，研究者和從業(yè)者主要從以下的幾條途徑進行了改良。

a）增加正負極板數(shù)量：對于同一種規(guī)格的電池來說，單體內(nèi)腔的體積是固定不變的，要提高電池的高功率放電性能，改變正負極極板數(shù)量是一種最簡捷、最有效的方法。增加正負極極板數(shù)量，減少了極板之間的間距，同時也增加了極板的反應表面積，極板間距的減少，也減少了隔板厚度，使得隔板里的硫酸在短時間內(nèi)較快地參與反應。極板反應表面積的增加，有利于降低單片極板的電流密度，從而提高高功率放電性能。由表1可見，采用正4負5極群設計的2個蓄電池樣品比采用正3負4極群設計的同一型號蓄電池的2個樣本的恒功率放電時間增加了1 min以上。

b）改進板柵結(jié)構(gòu)：板柵設計也在很大程度上決定了蓄電池的高功率放電性能。為提高蓄電池放電功率，板柵結(jié)構(gòu)應由傳統(tǒng)的直線型設計改為放射型設計，使得板柵上電流分布更加均勻，降低板柵內(nèi)阻，同時也增加板柵的面積，從而達到提高高功率放電能力的目的。由表2可見，對同一型號的蓄電池，負極板采用放射型設計的樣品，相較于直線型設計，15 min恒功率放電時間提高了1 min左右。

表1 某型號蓄電池140 W/單格恒功率放電數(shù)據(jù)（終止電壓1.67 V）

表2 某型號蓄電池270 W/單格恒功率放電數(shù)據(jù)（終止電壓1.67 V）

c）增加裝配壓縮比：當極板設計定型后，裝配壓縮比的大小就直接反映了隔板的厚薄。提高裝配壓縮比，有利于抑制活性物質(zhì)的膨脹，改善極板與隔板的接觸內(nèi)阻，總體效果是降低電池的內(nèi)阻，從而提高高功率放電能力。由表3可見，對于同一型號的蓄電池，隨著裝配壓縮比的增加，恒功率放電性能得到了不同程度的提高。

表3 某型號蓄電池200 W/單格恒功率放電數(shù)據(jù)（終止電壓1.67 V）

除了以上幾點主要改進手段外，行業(yè)內(nèi)的廠商從鉛粉配方、電解液濃度、極板化成方式等多方面對現(xiàn)有鉛酸蓄電池產(chǎn)品進行了改進。

3 應用場景及數(shù)據(jù)分析

表4給出了10組國內(nèi)外市場上不同品牌的高功率蓄電池產(chǎn)品在不同備用時間下的恒功率放電數(shù)據(jù)。A～F為國內(nèi)品牌的高功率蓄電池產(chǎn)品，共6組；U～W為國外品牌的高功率蓄電池產(chǎn)品，共3組；R為傳統(tǒng)鉛酸蓄電池參照組。

對于電壓等級相同的蓄電池組，在確定供電場景具有固定電纜壓降的情況下，恒功率放電能力與恒流放電能力為線性相關。為便于比較，這里可以將不同Ah容量的蓄電池的恒功率放電功率值按照容量比例換算到100 Ah的恒功率放電功率值。

表4 高功率蓄電池樣本恒功率放電數(shù)據(jù)（單位：W/單格，終止電壓1.67 V）

圖1給出了9組高功率蓄電池樣品和1組傳統(tǒng)蓄電池樣品在60、30、15、10和5 min備用時間下的恒功率放電功率數(shù)值的比較。其中下方一行的功率值為10組樣品的恒功率放電功率值統(tǒng)一折算到100 Ah容量后的數(shù)值。

圖1 高功率電池與傳統(tǒng)蓄電池恒功率放電比較

由圖1可以看出，9組高功率蓄電池在30 min或更短備用時間的條件下，能夠恒功率放電的功率值相較于參考組R的傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，具有明顯的優(yōu)勢，并且隨著后備時間的縮短這種優(yōu)勢會進一步的擴大。

盡管高功率蓄電池在30 min或更短的備用時間的應用場景下，恒功率放電能力相較于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池有明顯的優(yōu)勢，但由于生產(chǎn)工藝和市場成熟度等原因，目前高功率蓄電池的價格相較于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池仍然較高。經(jīng)過市場調(diào)查，目前國內(nèi)市場上的高功率蓄電池的價格相較同容量規(guī)格的普通鉛酸蓄電池普遍高28%左右，而國外市場的產(chǎn)品則更要高40%左右。由圖2可以看出，相較于國外的高功率蓄電池產(chǎn)品，國內(nèi)市場的產(chǎn)品在各后備時間下的恒功率值都沒有明顯差距，甚至有些還有優(yōu)勢。

圖2 國內(nèi)外高功率蓄電池恒功率值比較

雖然高功率蓄電池在同容量的情況下購置成本高于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，但是在一定的通信設備負荷和相同的后備時間的條件下，高功率蓄電池所需配置的容量要低于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池。因而，這里需要進一步探究的問題就是，采用高功率蓄電池替代傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，是否能夠在保證供電安全的前提下，減少通信運營商的購置成本。

設電源系統(tǒng)的負載功率為P，直流電壓等級為U，傳統(tǒng)12 V 100 Ah蓄電池每單格恒功率放電功率值為Pm，每節(jié)電池6個單格，每Ah的價格為Cm元；高功率12 V 100 Ah蓄電池每單格恒功率放電功率值為Pn，每Ah的價格為Cn元。為該系統(tǒng)配置2種蓄電池的購置成本Qm和Qn可表示為：

Pm按參考組R在60、30、15、10和5 min備用時間下的恒功率值取值，Pn按A～F組的國內(nèi)高功率電池恒功率放電功率值的平均值取值，按照目前國內(nèi)市場上12 V鉛酸蓄電池的平均售價，取Cm=6.9元/Ah，高功率蓄電池售價比傳統(tǒng)鉛酸蓄電池高28%左右，取Cn=8.8元/Ah。在不影響結(jié)論的前提下，為便于書寫和計算，電源系統(tǒng)直流電壓U取336 V，負載功率P取60 kW。分別計算出2種蓄電池配置的成本及比較結(jié)果。

由表5可以看出，在備用時間較短的條件下，用高功率蓄電池替代傳統(tǒng)蓄電池，能夠有效地降低購置成本，15 min下可以降低6.8%，而最短的5 min下可以降低28.87%的購置成本。

表5 傳統(tǒng)鉛酸蓄電池和高功率蓄電池購置成本比較

考慮到目前中國聯(lián)通大部分數(shù)據(jù)中心IDC機房鉛酸蓄電池的后備時間仍然為30 min，結(jié)合目前市電條件的改善及柴油發(fā)電機性能的提高，完全具備條件將備用時間縮短到15 min，同時將傳統(tǒng)鉛酸蓄電池替換為高功率蓄電池，根據(jù)表5的數(shù)據(jù)，能夠節(jié)約的成本可以高達（1 311-836）/1 311=36.2%。

圖3示出的是同一電源系統(tǒng)分別用高功率蓄電池和傳統(tǒng)鉛酸蓄電池作備用電源時，購置成本在不同后備時間情況下的差異對比。

圖3 傳統(tǒng)鉛酸蓄電池和高功率蓄電池購置成本比較

由表5和圖3可以得出以下結(jié)論。

高功率蓄電池在1 h及以下備用時間的應用場景下，恒功率放電能力均要高于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池。

限于目前高功率蓄電池工藝及市場的成熟度的問題，高功率蓄電池售價仍然偏高，按照目前價格水平，30 min及以上備用時間應用高功率蓄電池對運營商節(jié)約購置成本沒有明顯效果，但隨著日后產(chǎn)品成熟度和銷量的提高，成本應會逐步降低。

15 min備用時間及以下的應用場景中，高功率蓄電池節(jié)約購置成本的作用較為明顯，且備用時間越短，相較于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池越有價格優(yōu)勢。

同時需要指出的是，在同樣的供電功率場景下，高功率蓄電池的容量更低，因而體積更小、重量更輕，能夠降低蓄電池組對機房空間及承重方面的要求，也更加適應未來5G時代邊緣DC大規(guī)模建設的需求。

4 結(jié)束語

高功率蓄電池是在市電供電質(zhì)量和柴油發(fā)電機性能不斷提高的大背景下，由運營商縮短數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)中蓄電池的備用時間、降低固定資產(chǎn)購置成本的需求而催生出的產(chǎn)品。相較于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，高功率蓄電池在短備用時間、高放電功率的工況條件下的性能具有明顯優(yōu)勢，能夠較好地應對5G時代邊緣DC機房大量建設對機房空間和承重的挑戰(zhàn)。通過對國內(nèi)外主流品牌的產(chǎn)品性能的比對研究，可以得出在目前的市場條件下，備用時間在15 min及以下的數(shù)據(jù)中心供電場景中，采用高功率蓄電池可以在保證供電時間的前提下有效降低蓄電池組對空間和承重方面的要求，同時可有效降低購置成本。本文的研究成果，對于通信運營商未來5G邊緣DC工程建設和改造、降低固定資產(chǎn)購置成本等工作具有積極的指導意義。