通信基站備電新技術(shù)應(yīng)用與研究

付培良，李長(zhǎng)雷，李尚，葉行方

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

2021 年，全國(guó)移動(dòng)通信基站總數(shù)達(dá) 996 萬(wàn)個(gè)，全年凈增 65 萬(wàn)個(gè)。其中，4G 基站達(dá) 590 萬(wàn)個(gè)，5G 基站為 142.5 萬(wàn)個(gè)，全年新建 5G 基站超 65萬(wàn)個(gè)。隨著 5G 套餐正式商用與 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋之間的錯(cuò)位，5G 套餐流量擴(kuò)大 3 倍，但由于覆蓋不完善，絕大部分流量事實(shí)上是通過(guò) 4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，因此大量 4G 基站需通過(guò)擴(kuò)容來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)量增加的需求。新建基站需要預(yù)留擴(kuò)容空間，但由于場(chǎng)地、空間及利舊等各類因素的影響，備電電池必須占地空間小，而且可與鉛酸電池混用，就催生了基站備電技術(shù)的進(jìn)步和提升。如智能鋰電、鉛酸電池合路器技術(shù)均是在此背景下出現(xiàn)的（參見(jiàn)圖1）。本文中，筆者主要針對(duì)此類設(shè)備的應(yīng)用及技術(shù)特點(diǎn)展開(kāi)討論。

1 智能鋰電技術(shù)

磷酸鐵鋰電池由于具有比能量高、循環(huán)壽命好的特點(diǎn)，可按標(biāo)準(zhǔn)化 19 英寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于通信領(lǐng)域。由于磷酸鐵鋰電池放電曲線平臺(tái)同鉛酸電池的不同（見(jiàn)圖2），如果把鉛酸電池與鋰電池直接并聯(lián)，就會(huì)造成電池組之間互相充放電（環(huán)流），使電池組電能效率降低，并且導(dǎo)致電池壽命提前終止。

圖2 典型鉛酸電池、鋰電電池的放電曲線（10 小時(shí)率）

智能鋰電技術(shù)主要是在普通磷酸鐵鋰電池的基礎(chǔ)上，內(nèi)部集成 DC-DC 器件，升級(jí) BMS，使智能鋰電池的輸出電壓可控，解決了不同電池組之間的環(huán)流問(wèn)題，并且可以根據(jù)基站的備電場(chǎng)景要求，提前設(shè)置不同的應(yīng)用模式。中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室采用以下方案驗(yàn)證智能鋰電技術(shù)的應(yīng)用效果：選擇 1 組12 V 100 Ah 鉛酸蓄電池和 1 組 48 V 75 Ah 智能鋰電池共用。2 組電池直接并聯(lián)于開(kāi)關(guān)電源母排（不受控）。鉛酸電池的輸出端子并接于智能鋰電池，且由智能鋰電池接入開(kāi)關(guān)電源母排（受控）。受控情況下的共同充電、共同放電和不受控狀態(tài)下的共同充電、共同放電情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)計(jì)劃表

1.1 受控狀態(tài)下限流放電

受控狀態(tài)下的鉛酸電池和鋰電電池的放電電壓、電流變化如圖3所示。放電時(shí)鉛酸電池組的電壓曲線與鋰電池組的電壓曲線基本重合。2 組電池的電壓同步下降，直至放電終止電壓。鉛酸電池和鋰電池的電流在放電期間始終維持在設(shè)定的 0.3C，并直至放電結(jié)束。在受控狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉛酸、鋰電的共同控制，符合基站使用預(yù)期。

圖3 受控限流放電時(shí)鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.2 受控狀態(tài)下共同充電

受控狀態(tài)下鉛酸電池和鋰電池共同充電時(shí)的電壓、電流變化見(jiàn)圖4。鉛酸電池的電壓曲線和鋰電池的電壓曲線重合。鉛酸電池和鋰電池的電流各自限制在 0.1C。當(dāng)電壓上升至限制電壓時(shí)鉛酸電池的電流逐漸下降，鋰電池的電流在維持一段時(shí)間后快速下降。這與鉛酸電池、鋰電池單獨(dú)充電時(shí)的特征相似。2 組電池之間未出現(xiàn)由于電壓平臺(tái)不同使不同電池組間相互充電（環(huán)流）的情況，而且在恒壓階段各自電流維持在設(shè)定值，未出現(xiàn)不同電池組之間的相互干擾。

圖4 受控 0.1C 共充時(shí)鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.3 受控狀態(tài)下先后放電

2 組電池受控狀態(tài)下鋰電優(yōu)先放電的電壓、電流變化如圖5所示。邏輯上控制鋰電優(yōu)先放電時(shí)，鉛酸電池也會(huì)出現(xiàn)小電流放電，但是由于其電流較小，鉛酸電池與鋰電電池的電壓同步下降。當(dāng)鋰電池的放電深度達(dá)到 85%時(shí)，鋰電池的電流迅速下降，而鉛酸電池的電流迅速上升，轉(zhuǎn)由鉛酸電池主放電。當(dāng)鉛酸電池放電深度達(dá)到 85%時(shí)，鉛酸電池的電流下降，鋰電池的電流上升。二者共同放電至終止電壓，基本上實(shí)現(xiàn)了既定的控制策略。

圖5 受控狀態(tài)下先后放電時(shí)鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.4 不受控狀態(tài)下共同充電

不受控狀態(tài)下共同以 0.1C限流充電時(shí)鉛酸電池和鋰電池的電壓、電流變化如圖6所示。不受控共同充電時(shí)，鉛酸電池的電壓曲線與鋰電池的電壓曲線重合，二者的電壓同步上升。充電前期鋰電池的電流基本為 0 A，所以設(shè)備主要為鉛酸電池充電。當(dāng)鉛酸電池的電流逐漸下降后，鋰電池的充電電流逐漸增大。鉛酸電池、鋰電池各自的電流值比較雜亂，只能保持電流之和相對(duì)穩(wěn)定。長(zhǎng)期如此會(huì)對(duì)蓄電池自身性能造成一定影響。

圖6 不受控共充時(shí)鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.5 不受控狀態(tài)下共同放電

鉛酸電池和鋰電池在不受控情況下共同放電的電壓、電流變化如圖7所示。不受控共同放電時(shí)，鉛酸電池的電壓曲線和鋰電池的電壓曲線重合。二者的電壓保持同步下降，但放電電流有較大波動(dòng)。放電初期鋰電池的電流較大，而鉛酸電池的電流較小，而且二者的電流值基本處于不受控狀態(tài)。這與圖2 中二者的電壓平臺(tái)不同具有較大的關(guān)聯(lián)性，基本上就是誰(shuí)的電壓高誰(shuí)主放電。放電結(jié)束后，測(cè)量到 2 組電池間有小電流，即電池組之間出現(xiàn)了環(huán)流現(xiàn)象。

圖7 不受控共放時(shí)鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

從以上受控和不受控狀態(tài)下 2 組電池充放電時(shí)電壓、電流變化情況來(lái)看，智能鋰電池在與鉛酸電池并用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸電池的控制，避免環(huán)流現(xiàn)象，同時(shí)可避免鉛酸電池?zé)o規(guī)律大電流放電，起到保護(hù)鉛酸蓄電池的作用，有效解決了基站場(chǎng)景中鉛酸與鋰電混用的要求。

2 電池共用管理器技術(shù)

相較于智能鋰電技術(shù)重在解決鉛酸電池和鋰電池混用的難題，電池共用管理器技術(shù)在解決了鉛酸電池與鋰電池混用的基礎(chǔ)上更加側(cè)重于解決基站的擴(kuò)容問(wèn)題。電池共用管理器技術(shù)在設(shè)計(jì)上主要是在后備電池與開(kāi)關(guān)電源母排之間架設(shè) DC-DC 裝置。加裝 DC-DC 裝置的數(shù)量決定了電池共用管理器的回路數(shù)量，即可以串接幾組電池。電池共用管理器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 電池共用管理器組成方框圖

由于配備了多個(gè) DC-DC 控制回路，電池共用管理器可支持多路不同類型、型號(hào)、廠家、類別的電池共同使用，在基站擴(kuò)容時(shí)可便捷地提升備電電池的容量，同時(shí)可預(yù)留一定的擴(kuò)容空間。智能鋰電技術(shù)的 DC-DC 控制回路集成在鋰電池組自身內(nèi)，支持與 1 組其它類型電池混用。電池共用管理器將多個(gè) DC-DC 控制回路集成在一套設(shè)備內(nèi)，支持多組電池共用。二者在原理上是共通的。

出于對(duì)成本控制的因素，電池共用管理器在控制策略上還存在通過(guò) MOS 管的通斷及調(diào)節(jié)脈沖占空比的方案來(lái)控制電池的充放電電流。但是，其在電流的精度控制上存在較大偏差，比雙向 DC 控制方案差[1]。鑒于智能鋰電與電池共用管理器的功能類似，在電池共用管理器的功能驗(yàn)證上不再贅述。

3 通信領(lǐng)域備電技術(shù)發(fā)展展望

通信領(lǐng)域備電技術(shù)隨著電池技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展一直處于發(fā)展的過(guò)程中，總結(jié)來(lái)講具有以下趨勢(shì)：

（1）控制精細(xì)化。傳統(tǒng)的基站備電對(duì)電池的控制僅靠開(kāi)關(guān)電源控制電池組的總電壓和電流?，F(xiàn)有的備電技術(shù)增加了 BMS、FSU 等，逐漸在加強(qiáng)對(duì)備電電池的監(jiān)控與管理。除與電池自身的技術(shù)特點(diǎn)相關(guān)外，對(duì)電池的監(jiān)控與管理越來(lái)越精細(xì)化[2]。

（2）設(shè)備模塊化、一體化。由于傳統(tǒng)鉛酸電池體積大，重量比能量較低，占地空間相對(duì)較大，為節(jié)約用地，逐漸開(kāi)發(fā)出了可放置于 19 英寸機(jī)柜的狹長(zhǎng)型鉛酸電池。后續(xù)在基站使用的磷酸鐵鋰電池、智能鋰電池、電池合路器等均采用了 19 英寸設(shè)計(jì)，便于集成安裝，模塊化趨勢(shì)明顯。在新建的5G 基站中，電池與電源集成于一起，便于壁掛及抱桿安裝，一體化趨勢(shì)明顯[3]。

（3）設(shè)備管控一體化。在通信基站，通信電源本身具有一定的控制功能，后備電池自身具有BMS 或其它監(jiān)控設(shè)備，再加上智能鋰電池或電池共用管理器的 DC-DC 控制系統(tǒng)，一些管控功能相對(duì)重復(fù)（如電壓采集，充電參數(shù)設(shè)置等），同時(shí)管控系統(tǒng)相對(duì)分散在不同設(shè)備上。管控系統(tǒng)的增加會(huì)給系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性帶來(lái)一定影響，對(duì)追求高穩(wěn)定性和高可靠性的通信基站帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。未來(lái)，此類管控功能有望集成在一套系統(tǒng)上，增加后備系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)智能鋰電池的功能驗(yàn)證及其與電池共用管理器的對(duì)比分析可以看出，智能鋰電技術(shù)和電池共用管理器技術(shù)可滿足現(xiàn)階段通信基站在擴(kuò)容中遇到的不同類型電池混用場(chǎng)景，同時(shí)對(duì)存量巨大的基站余能利用有巨大的促進(jìn)作用。DC-DC 技術(shù)可一定程度上提升電池的放電電壓，在直流遠(yuǎn)供中具有一定的積極作用，可提升基站的電能利用效率，在現(xiàn)階段具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。目前，這兩種技術(shù)在基站中已逐漸開(kāi)始推廣應(yīng)用。未來(lái)，隨著通信技術(shù)和電池技術(shù)的發(fā)展，通信備電技術(shù)有望迎來(lái)新的發(fā)展，管控技術(shù)一體化、電池能量池化有望快速實(shí)現(xiàn)。