“雙碳”目標(biāo)下鉛酸蓄電池健康管理研究

周明千，朱清峰（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 概述

我國(guó)已經(jīng)加入《巴黎協(xié)定》并對(duì)外莊嚴(yán)承諾“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)，各行各業(yè)已經(jīng)行動(dòng)起來，關(guān)注節(jié)能降碳技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新及研發(fā)。通信運(yùn)營(yíng)商一直以來視“節(jié)能減排”為工作的重中之重，現(xiàn)在又在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，立足通信行業(yè)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀及未來發(fā)展需求，積極履行央企責(zé)任擔(dān)當(dāng)，聚焦“識(shí)碳”“管碳”“控碳”“降碳”全生命周期的“節(jié)能降碳”總體目標(biāo)，紛紛響應(yīng)并著手制定節(jié)能減排行動(dòng)方案和實(shí)現(xiàn)路徑。

“雙碳”目標(biāo)為通信行業(yè)發(fā)展帶來一定壓力，但也加速通信行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建綠色健康的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)。作為在通信基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)重要地位的鉛酸蓄電池，它的應(yīng)用及運(yùn)維管理一直是優(yōu)勢(shì)與弊端并駕齊驅(qū)，在如今“雙碳”目標(biāo)與數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的浪潮里，探討如何高效、低碳、智能化地運(yùn)維管理，對(duì)實(shí)現(xiàn)降本提效、為“減碳”助力具有積極意義。

2 鉛酸蓄電池通信應(yīng)用及運(yùn)維管理現(xiàn)狀

蓄電池自發(fā)明以來在現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)一直扮演著儲(chǔ)能、備用電源的角色。在通信行業(yè)，閥控式鉛酸蓄電池作為通信設(shè)備供電系統(tǒng)的備用電源，一直是通信網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的最后一道關(guān)口，對(duì)數(shù)據(jù)中心、核心局房、匯聚機(jī)房及基站非常重要，長(zhǎng)期占據(jù)著通信備電的首要地位，也是現(xiàn)在通信機(jī)房保有量最大的電池類型。但鉛酸蓄電池的應(yīng)用和日常維護(hù)管理也依然存在諸多弊端，成為長(zhǎng)期困擾電源運(yùn)維人員的痛點(diǎn)問題。

2.1 落后電池?zé)o法“錨定”，容量和壽命“難以捉摸”

通信機(jī)房中應(yīng)用的鉛酸蓄電池在其全生命周期中長(zhǎng)期處于在線浮充狀態(tài)，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)市電斷電時(shí)電池組放出容量低于額定容量的80%時(shí)需要替換掉整組電池。廢舊蓄電池因含鉛及硫酸電解液等物質(zhì)被國(guó)家定為重要的污染源，而通信站點(diǎn)使用的蓄電池每4～6 年需要整組更換一次，運(yùn)營(yíng)商每年淘汰報(bào)廢的電池組成千上萬(wàn)，雖然無法得知這些蓄電池組中究竟有多少只真正“壽終正寢”的電池，但是它們對(duì)環(huán)境造成的巨大污染和破壞卻是顯而易見的。

整組電池的備電能力往往取決于其中的落后電池，為了找到落后電池、摸底電池容量，通信運(yùn)維人員一般采用以下方法。

a）電壓測(cè)量法。直接用萬(wàn)用表測(cè)量每只電池的端電壓，電壓低的為落后電池，這種方法準(zhǔn)確性較差，只適用于蓄電池組經(jīng)常充放電的工況下，而對(duì)于長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)的蓄電池組來說，落后電池的電壓和正常的電壓差別并不明顯。

b）核對(duì)性放電法。分為離線式和在線式，采用實(shí)際負(fù)載或假負(fù)載對(duì)電池組進(jìn)行核對(duì)性放電，是目前準(zhǔn)確度最高的一種手段，也是運(yùn)維上最常用的手段。但是缺點(diǎn)顯而易見：第一，核對(duì)放電時(shí)間長(zhǎng)，在線式放電為淺放電，容量“摸底”能力有限，離線式放電電池組需要脫離系統(tǒng)，萬(wàn)一放電期間停電，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)斷電事故，風(fēng)險(xiǎn)大；第二，需要運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)操作，僅一個(gè)數(shù)據(jù)中心就會(huì)有上千組蓄電池，工作量巨大，只適合定期維護(hù)，不適合日常維護(hù)；第三，機(jī)房必須具備主備電池的條件；第四，頻繁放電也會(huì)導(dǎo)致蓄電池硫酸鹽化，損害蓄電池壽命。

綜上所述，目前“錨定”落后電池缺乏準(zhǔn)確的判斷手段，也沒有更加高效的檢測(cè)方法檢測(cè)整組電池的真實(shí)容量和壽命，但是這對(duì)通信供電安全、運(yùn)維管理、環(huán)境生態(tài)卻至關(guān)重要。

2.2 鉛酸蓄電池備電效能低下

在2021 年“5G 與碳中和、碳達(dá)峰論壇”上，中國(guó)工程院院士吳鋒預(yù)測(cè)，到2026 年三大運(yùn)營(yíng)商全部升級(jí)5G 后，其電力消耗將達(dá)到全國(guó)總用電量的2.1%，耗電量將達(dá)到2 100億kWh［1］。通信運(yùn)營(yíng)商躋身耗電大戶，電費(fèi)已占企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本半數(shù)以上。鉛酸蓄電池環(huán)境適應(yīng)性較差，最佳工作溫度一般在15 ℃～25 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過25 ℃時(shí)，每升高10 ℃，鉛酸蓄電池的壽命就會(huì)降低50%。低溫時(shí)充電效率、可放出容量也會(huì)大幅下降，因此需要機(jī)房溫度保持在30 ℃以下，以維系鉛酸蓄電池壽命，這就勢(shì)必增加大量的空調(diào)能耗。此外，蓄電池維護(hù)工作量大、工作繁瑣，再加上“冗余配置”的備電模式，不僅增加建設(shè)和運(yùn)行成本，更進(jìn)一步突出傳統(tǒng)備電結(jié)構(gòu)效能低、代價(jià)高的問題。

無論是數(shù)量級(jí)龐大的淘汰報(bào)廢鉛酸蓄電池，還是作為機(jī)房環(huán)境溫度“洼地”的鉛酸蓄電池，都聚焦于蓄電池自身的“健康”問題。根據(jù)工信部通信司數(shù)據(jù)披露，50%以上通信系統(tǒng)的故障是由蓄電池故障造成的，對(duì)蓄電池的“健康”狀態(tài)進(jìn)行切實(shí)有效的管理將直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的供電安全。因此，在目前鉛酸蓄電池地位還無法撼動(dòng)的客觀現(xiàn)實(shí)情況下，建立準(zhǔn)確有效的蓄電池健康管理系統(tǒng)，對(duì)落后電池、容量和壽命趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和預(yù)測(cè)成為了蓄電池運(yùn)維管理的目標(biāo)。這不僅可以有效減少運(yùn)維人員工作量，避免因突發(fā)的電池系統(tǒng)故障而導(dǎo)致供電中斷事故及通信業(yè)務(wù)損失，更是積極踐行“雙碳”目標(biāo)下運(yùn)營(yíng)商持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展節(jié)能服務(wù)模式、提高精細(xì)化運(yùn)維管理水平、落實(shí)“綠色采購(gòu)消納”的低碳降碳管理舉措［2?4］。

3 鉛酸蓄電池健康管理思路

為了解決鉛酸蓄電池應(yīng)用中的種種缺點(diǎn)與節(jié)能降碳帶來的壓力問題，充分發(fā)展創(chuàng)新思維和提升運(yùn)維管理能力是當(dāng)務(wù)之急。利用大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)［5?8］，建立落后電池多維參數(shù)判斷、蓄電池及蓄電池組剩余容量預(yù)測(cè)、與實(shí)時(shí)負(fù)荷匹配的放電時(shí)長(zhǎng)預(yù)測(cè)及壽命預(yù)測(cè)核心算法模型，開發(fā)一個(gè)數(shù)字化、智能化、通用的閥控式鉛酸蓄電池健康管理系統(tǒng)是必要的手段。該系統(tǒng)可以作為數(shù)字通信局房孿生軟件的一個(gè)模塊，也可以作為獨(dú)立的蓄電池健康管理系統(tǒng)應(yīng)用，配合蓄電池硬件采集設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)SU模塊，在數(shù)據(jù)中心、核心局房等通信機(jī)房進(jìn)行部署。

3.1 數(shù)據(jù)海量收集、關(guān)鍵指標(biāo)關(guān)聯(lián)表征

在實(shí)際應(yīng)用中，浮充、均充及市電斷電后的放電是伴隨鉛酸蓄電池整個(gè)運(yùn)行周期的3 種工況，在這些過程中，電池的端電壓、內(nèi)阻/電導(dǎo)、極柱溫度、環(huán)境溫度、通信負(fù)荷等參數(shù)均會(huì)對(duì)蓄電池的容量和壽命產(chǎn)生影響［9?10］。通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的開關(guān)電源、UPS、高壓直流電源系統(tǒng)所配置的蓄電池監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、蓄電池廠家的測(cè)試數(shù)據(jù)以及檢測(cè)中心試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，以及對(duì)新舊電池、淘汰報(bào)廢電池在不同溫度、不同放電倍率下放電試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)和關(guān)鍵因素的趨勢(shì)分析，擬合各數(shù)據(jù)與蓄電池技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)性關(guān)系，確定蓄電池關(guān)鍵參數(shù)影響因子，初步建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。電池環(huán)境溫度與內(nèi)阻關(guān)系和淘汰報(bào)廢電池組放電試驗(yàn)分別如圖1和圖2所示。

圖1 電池環(huán)境溫度與內(nèi)阻關(guān)系

圖2 淘汰報(bào)廢電池組放電試驗(yàn)

通過初步分析可以得知，蓄電池內(nèi)阻與容量的表征關(guān)系最為明顯，內(nèi)阻越大，容量衰減得越厲害；內(nèi)阻與環(huán)境溫度也息息相關(guān)，環(huán)境溫度低時(shí)，內(nèi)阻呈明顯上升的趨勢(shì)。對(duì)整組淘汰電池進(jìn)行放電試驗(yàn)也能看出，容量劣化的蓄電池確實(shí)會(huì)拖垮整組電池的放電時(shí)長(zhǎng)和放出容量，但是并不代表組內(nèi)全部電池的壽命均終止。

3.2 大數(shù)據(jù)分析挖掘、AI算法模型研究

對(duì)影響鉛酸蓄電池容量關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行特征分析后，需要對(duì)如何建立AI 算法模型進(jìn)行探討和梳理，以便建立落后電池多維度參數(shù)判斷、剩余容量預(yù)測(cè)、多組蓄電池系統(tǒng)與實(shí)時(shí)負(fù)荷的匹配及放電時(shí)長(zhǎng)計(jì)算、蓄電池組壽命預(yù)測(cè)的算法模型。算法模型建立后需要部署在現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的蓄電池系統(tǒng)環(huán)境下，對(duì)算法進(jìn)行連續(xù)測(cè)試驗(yàn)證、修正以及優(yōu)化。通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的不同廠家、不同規(guī)格型號(hào)、不同使用年限的蓄電池容量、壽命進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，找出各生產(chǎn)廠家影響電池容量、壽命的共性特征，最終形成通用性算法以適配所有閥控式鉛酸蓄電池。算法模型目前主要有2個(gè)研究趨勢(shì)，一是回歸算法模型，但具有表征非線性能力較弱、人為調(diào)整參數(shù)出入性大、對(duì)序列預(yù)測(cè)難以捕捉其時(shí)序性特征等缺點(diǎn)，并不適用于蓄電池這種物理模型較為復(fù)雜且性能趨勢(shì)是很多因素共同作用的結(jié)果的特點(diǎn)，因此更好的解決方式是引入深度學(xué)習(xí)模型［11］。

深度學(xué)習(xí)模型中的LSTM 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種具有長(zhǎng)短時(shí)記憶功能的時(shí)間遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以很好地處理長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)問題。它可以有效地決定哪些歷史信息被遺忘，哪些輸入信息被保留，哪些信息可以被輸出，從而更加高效地處理時(shí)間序列，目前已廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域。在蓄電池容量預(yù)測(cè)研究方面，目前在公開的NASA 數(shù)據(jù)集和CALCE 數(shù)據(jù)集上的驗(yàn)證結(jié)果顯示，本模型有較好的預(yù)測(cè)表現(xiàn)，具體如圖3所示。

圖3 公開數(shù)據(jù)集LSTM預(yù)測(cè)結(jié)果

確定選用的AI算法模型后，針對(duì)蓄電池實(shí)際測(cè)試出的充放電循環(huán)狀態(tài)、浮充狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過特征工程，采用線性擬合模型和深度學(xué)習(xí)模型對(duì)高溫浮充循環(huán)的SOH 進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)行了基于放電曲線擬合方法來預(yù)測(cè)電池剩余放電時(shí)間的研究。

該蓄電池循環(huán)放電次數(shù)總共為168 次，與容量預(yù)測(cè)相關(guān)的是放出電量特征列，用前5～8 個(gè)點(diǎn)預(yù)測(cè)下一個(gè)點(diǎn)，下一次預(yù)測(cè)代入真實(shí)點(diǎn)，在這168個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上訓(xùn)練得到的LSTM模型結(jié)果如圖4所示。

圖4 蓄電池某循環(huán)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.3 鉛酸蓄電池健康管理系統(tǒng)開發(fā)

鉛酸蓄電池健康管理系統(tǒng)包含在線式數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)和算法功能軟件平臺(tái)，其中硬件系統(tǒng)主要包含專用的電池采集模塊和監(jiān)控單元，用以在線實(shí)時(shí)采集蓄電池各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)與軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸與對(duì)接功能，如圖5 所示。軟件平臺(tái)內(nèi)嵌蓄電池核心算法模型，實(shí)現(xiàn)算法功能和上層UI界面展示，如圖6所示。

圖5 在線式蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

圖6 蓄電池健康管理系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)示例

4 鉛酸蓄電池健康管理助力綠色通信

通信行業(yè)的能源消耗主要源自數(shù)字基建，數(shù)字基建是指5G 基站、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)和運(yùn)行需要大量電力供應(yīng)。有研究顯示，數(shù)字基建占行業(yè)總能耗的近70%，其中數(shù)據(jù)中心能耗最大，占45%。數(shù)字基建的綠色低碳發(fā)展成為了通信行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手，以實(shí)現(xiàn)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的共贏。鉛酸蓄電池作為基礎(chǔ)設(shè)施中的重要一環(huán)，其低碳管理也需要被重視和思考。

鉛酸蓄電池健康管理系統(tǒng)可以用于各行各業(yè)需要鉛酸蓄電池浮充工作模式管理的場(chǎng)景，其中通信行業(yè)的數(shù)據(jù)中心、核心局房是重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景。它可早期預(yù)警蓄電池故障，解決因蓄電池故障導(dǎo)致的通信業(yè)務(wù)中斷問題；也可以預(yù)測(cè)蓄電池的容量和壽命，對(duì)蓄電池的“健康”狀態(tài)做到心中有數(shù)，對(duì)落后電池“精準(zhǔn)錨定”，減少“提前更換”“整組更換”帶來的資源浪費(fèi)問題，減輕因淘汰報(bào)廢電池帶來的環(huán)境壓力。其次，它也能“敏銳感知”影響蓄電池健康狀態(tài)的關(guān)鍵因素之一的環(huán)境溫度，未來可與機(jī)房空調(diào)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)溫控管理，從而減輕電能耗壓力。另一方面，對(duì)鉛酸蓄電池的健康狀態(tài)進(jìn)行有效管理，還可以減少電源運(yùn)維人員的工作量，緩解人員短缺問題，為用戶節(jié)約維護(hù)費(fèi)用及人工成本。無論是直接還是間接，都能夠?qū)崿F(xiàn)降本增效、節(jié)能降碳的目標(biāo)，助力綠色通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

5 總結(jié)

鉛酸蓄電池健康管理助力傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)減碳降碳，是“雙碳”目標(biāo)下通信運(yùn)營(yíng)商提升自身“碳管理”水平的重要一環(huán)。作為行業(yè)的賦能者，通信運(yùn)營(yíng)商不僅要加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，形成高效綠色網(wǎng)絡(luò)，還要不斷提升解決傳統(tǒng)方案現(xiàn)存問題的能力。從全行業(yè)鏈條梳理脈絡(luò)，充分利用5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，提供數(shù)字化、智能化解決方案，加快與傳統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理方式的深度融合，早日實(shí)現(xiàn)通信行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)。