通信基站蓄電池的發(fā)展與應(yīng)用

宋月敏，梅 峰

（中國(guó)鐵塔股份有限公司 新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

移動(dòng)通信基站是整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，因此必須確保在各種條件下都能維持其所需的電力供應(yīng)。其電源供電通常分為2 種，一種是電網(wǎng)的交流輸入，另一種是蓄電池的直流輸出。當(dāng)市電電力供應(yīng)中斷時(shí)，?？紤]利用基站的蓄電池提供電力保障。但是企業(yè)對(duì)蓄電池的不科學(xué)保養(yǎng)，會(huì)導(dǎo)致電池的容量迅速衰減，使用壽命縮短。這一問題已經(jīng)引起有關(guān)部門的重點(diǎn)關(guān)注。用于移動(dòng)基站的閥控式密閉鉛酸蓄電池在復(fù)充使用時(shí)，其理論使用壽命一般為15 ～20 年，但由于受到環(huán)境溫度、充放電頻次、深度以及應(yīng)用方式等因素的影響，實(shí)際使用壽命會(huì)存在較大差別，有些電池使用1 年后就發(fā)生退化，使用5 年以上的電池退化更加劇烈，與其理論使用壽命相差甚遠(yuǎn)。鉛酸蓄電池比較穩(wěn)定，密封性能較好，一般情況下不會(huì)對(duì)環(huán)境造成損害，但是鉛酸蓄電池中含有許多對(duì)環(huán)境有不良影響的材料，對(duì)其制造及循環(huán)利用有很大影響。因此要想節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，就需要延長(zhǎng)蓄電池的使用周期，加大對(duì)新型蓄電池的研發(fā)和利用。

1 基站蓄電池概述

基站蓄電池組可以將電能和化學(xué)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能存儲(chǔ)在蓄電池中，而如果需要對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成特定電能，并提供給用電負(fù)荷。普通蓄電池通常由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜以及電池槽5 個(gè)部件構(gòu)成。對(duì)于閥控式的鉛酸電池，需配置一個(gè)泄壓閥。在無線通信基站中，蓄電池可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與連續(xù)，且蓄電池能否發(fā)揮作用將會(huì)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作效能產(chǎn)生關(guān)鍵影響。因此，蓄電池既是整個(gè)通信系統(tǒng)的備用能源，又是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、過濾的協(xié)助體[1]。

2 基站蓄電池應(yīng)用具體分析

2.1 選 擇

（1）應(yīng)用壽命長(zhǎng)。從經(jīng)濟(jì)效益來看，蓄電池的使用周期與通信裝置的更換周期應(yīng)設(shè)定一致，一般為10 年。蓄電池的使用壽命與蓄電池的工作環(huán)境和循環(huán)充放電的頻次有很大關(guān)系，如果充放電的頻率過高，則將會(huì)導(dǎo)致電池的使用壽命降低。

（2）安全性高。蓄電池電解質(zhì)是一種極具腐蝕性的硫酸溶液。除此之外，對(duì)于封閉式蓄電池，在其進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)階段產(chǎn)生的氣體會(huì)使其內(nèi)部壓力增大，當(dāng)壓力達(dá)到某個(gè)極限，就會(huì)導(dǎo)致蓄電池爆炸，釋放出一些有毒和腐蝕性的氣體與液體，因此蓄電池需要具有優(yōu)良的安全防爆性能。通常密封型蓄電池均配有安全閥和防酸板，該防酸板能夠?qū)π铍姵貎?nèi)部壓力進(jìn)行自我調(diào)整，同時(shí)具有液體阻隔、爆炸等作用。此外，蓄電池要具有安裝方便、免維護(hù)以及低內(nèi)阻等特點(diǎn)。

2.2 常見問題及解決措施

2.2.1 常見問題

（1）蓄電池漏液。蓄電池漏液一般與安全閥、極柱、槽蓋等部分的熱封或膠封處理不合格有關(guān)，另外在安裝和運(yùn)輸過程中發(fā)生碰撞也會(huì)引起漏液。電池漏液的顯著特征是液體外溢，或者有白色結(jié)晶聚積在構(gòu)造裂縫處。蓄電池出現(xiàn)漏液時(shí)，需要立即進(jìn)行替換，否則出現(xiàn)腐蝕設(shè)備、電池失水、高壓系統(tǒng)漏電等安全問題。

（2）電壓失衡。蓄電池的電壓不均，即浮充電壓不均，其原因有連接不當(dāng)、浮充裝置新舊混合等。針對(duì)這一點(diǎn)，蓄電池使用之前，必須仔細(xì)核對(duì)其連接部分及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，確保正確并對(duì)電能進(jìn)行均勻釋放。通常新制電解槽要運(yùn)轉(zhuǎn)3 ～6 個(gè)月，以確保酸飽和度的均勻吸收。如果是在2.71 V 或者2.35 V 以下的浮充狀態(tài)，就要注意電池電量，一旦發(fā)生任何意外失效，需要及時(shí)進(jìn)行處理，避免帶來不必要的損失。

（3）失火。蓄電池失火屬于嚴(yán)重的事故，通常很少發(fā)生。蓄電池的連接條出現(xiàn)松動(dòng)、高電壓系統(tǒng)出現(xiàn)局部漏液、電池組局部短路以及雷擊等，都有可能引起失火[2]。

（4）容量不足。蓄電池的儲(chǔ)能容量不足會(huì)導(dǎo)致其實(shí)際使用周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到正常需求標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是基站停電，如頻繁性停電、停電時(shí)間較長(zhǎng)以及停電時(shí)間無規(guī)則等。在基站電源處于斷停狀態(tài)下，蓄電池會(huì)自動(dòng)釋放能量。蓄電池放電后，由于未得到及時(shí)充電，電池的充電能力會(huì)異常下降。導(dǎo)致出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是蓄電池本身電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性不足，在電池沒有足夠電力時(shí)，它的負(fù)極會(huì)發(fā)生鹽化。在基站長(zhǎng)時(shí)間斷電階段，蓄電池的容量將會(huì)大幅度衰減，最終達(dá)不到額定電量的80%，即電池報(bào)廢?；就ｋ姷倪@種情況很難控制，因此要求蓄電池廠商做出一些改變，如調(diào)節(jié)電池的參數(shù)以及工作環(huán)境，盡可能地確保在基站停電的情況下，蓄電池仍然可以正常進(jìn)行充放電。

（5）鼓脹。蓄電池表面產(chǎn)生異常隆起，通常是受到內(nèi)外部2 種干擾的綜合表現(xiàn)。內(nèi)部干擾包括組裝壓過高、外殼厚度過薄以及開閥壓過高等；外部干擾包括環(huán)境溫度過高、電池之間的安裝間隙過小、充電限流過大、充電電壓過高而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)以及沒有采取溫度補(bǔ)償措施等。一旦發(fā)生膨脹現(xiàn)象，就應(yīng)該從內(nèi)外2 個(gè)方面對(duì)電池進(jìn)行全面檢測(cè)，改善蓄電池的工作狀態(tài)，并及時(shí)替換膨脹的電池。

2.2.2 解決措施

（1）健全基站機(jī)制。在基站的初期設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)其基站位置的實(shí)際供電線路和市電供應(yīng)情況進(jìn)行全面調(diào)查與勘測(cè)。根據(jù)項(xiàng)目需要，選擇具有良好供電質(zhì)量的電源線路，并根據(jù)基站期望操作結(jié)果制定合理的蓄電池容量，實(shí)現(xiàn)因地制宜，而不是對(duì)所有的基礎(chǔ)電廠都采用一刀切。

（2）強(qiáng)化基站巡檢。各地區(qū)都會(huì)發(fā)生經(jīng)常性斷電現(xiàn)象，因此必須安排蓄電池售后工作人員進(jìn)行定時(shí)巡視，以便可以及時(shí)找到基站問題并進(jìn)行處理。除此之外，要加強(qiáng)對(duì)售后維護(hù)人員的技術(shù)訓(xùn)練，讓他們熟悉如何提升基站蓄電池的使用性能，如何延長(zhǎng)電池的使用壽命，從而實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)基站中出現(xiàn)的普遍問題進(jìn)行快速高效處理。

（3）調(diào)整基站電壓。關(guān)于基站組合開關(guān)電源內(nèi)電池欠壓保護(hù)裝置的電壓值設(shè)定，需要以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行具體調(diào)整，開關(guān)電源一次下電設(shè)置電壓不小于46 V，二次下電設(shè)置電壓不小于44 V。1/3I10 A 或更高的負(fù)荷電流符合標(biāo)準(zhǔn)，如果基站負(fù)荷電流低于1/3I10 A，就必須保證放電時(shí)間短于24 h。此設(shè)定方法的目的是增加蓄電池的欠壓保護(hù)設(shè)定電壓，從而可以有效防止蓄電池的過度放電。

（4）強(qiáng)化應(yīng)急保障。在基站監(jiān)測(cè)中心，要加強(qiáng)對(duì)基站工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。在基站停電發(fā)出預(yù)警后，應(yīng)當(dāng)立即安排基站維修人員進(jìn)行發(fā)電，確保蓄電池在放電結(jié)束后可以第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行充電，從而減少基站蓄電池在部分負(fù)荷狀態(tài)下工作的可能性，有效防止蓄電池因過度放電而產(chǎn)生重大的結(jié)構(gòu)損壞，增加維護(hù)費(fèi)用。

（5）增加蓄電池的充入電量?；臼须娊?jīng)常發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量較小，其對(duì)策關(guān)鍵是增強(qiáng)蓄電池的充放電能力。第一，調(diào)節(jié)蓄電池的充電限流數(shù)值，將它從0.1C10 A 調(diào)節(jié)到0.15 ～0.2C10 A，并且將充電電壓提高到2.33 V/h。需要注意，0.2C10A不能超過充電電流的上限。這種方式可以加快電池的充電速率，在充電初期增加電池的充電量。第二，針對(duì)斷電頻率高、斷電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的基站，需調(diào)節(jié)斷電狀態(tài)下的平衡充電時(shí)間鑒別參數(shù)，可將原有調(diào)節(jié)值提高30%以上[3]。

2.3 環(huán)保應(yīng)用

（1）移動(dòng)通信基站鉛酸蓄電池管理。當(dāng)前基站蓄電池的使用過程一般會(huì)出現(xiàn)蓄電池容量下降嚴(yán)重、使用周期較低的問題，經(jīng)過12 年的使用周期，容量為原先標(biāo)稱容量的30%～40%，而大部分基站蓄電池在運(yùn)行14 年后，其容量?jī)H為原先標(biāo)稱容量的50%，無法達(dá)到其預(yù)期使用壽命。通信基站蓄電池的應(yīng)用主要出現(xiàn)了2 個(gè)問題：第一，基站數(shù)量眾多，分布廣泛，并且所處的環(huán)境溫度等差異大，再加上各區(qū)域進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)設(shè)施改造，基站掉電和供電不穩(wěn)定的情況比較嚴(yán)重，導(dǎo)致了蓄電池的使用周期變短；第二，在蓄電池的應(yīng)用過程中，沒有在電池組退化早期及時(shí)地找到劣化電池，導(dǎo)致了蓄電池組綜合退化的積累、加劇，最終導(dǎo)致電池的提前淘汰。因此必須強(qiáng)化對(duì)蓄電池的精細(xì)化管控，實(shí)現(xiàn)降低成本和延長(zhǎng)蓄電池壽命的目的。

（2）基站溫度的控制。移動(dòng)基站的內(nèi)部溫度會(huì)影響蓄電池的使用壽命，因此要想對(duì)基站機(jī)房?jī)?nèi)部溫度進(jìn)行管控，就需要增加一個(gè)基站智能通風(fēng)系統(tǒng)，有效解決因市電停電或空調(diào)故障而造成的氣溫過高問題。隨著蓄電池組的溫度變化對(duì)浮充電壓進(jìn)行同步設(shè)置，很多開關(guān)電源都具有對(duì)蓄電池組浮充電壓自動(dòng)調(diào)整的能力，然而目前網(wǎng)絡(luò)中許多基站在安裝開關(guān)電源時(shí)，并沒有科學(xué)安裝溫度傳感器，致使開關(guān)電源不能對(duì)蓄電池組進(jìn)行正確設(shè)定，因此提出了在蓄電池組附近安裝溫度傳感器的建議。

（3）蓄電池的更換活化。2 V 單電池在使用8年后，其電量低于標(biāo)稱電量的80%，可將其作為廢品進(jìn)行更換；12 V 單電池使用超過5 年后，其容量低于80%，可以更換。如果發(fā)生比較嚴(yán)重的物理?yè)p壞（外殼裂紋漏液、極板腐蝕損壞、極板短路、極板破損、膨脹變形嚴(yán)重等），可以直接丟棄，而剩余單體則需要進(jìn)一步檢測(cè)。蓄電池活化是對(duì)在正常使用條件下的浮充電池進(jìn)行深度充放電循環(huán)和電解質(zhì)活化的一種修復(fù)方式。若工作性能不小于80%，且符合操作品質(zhì)，則可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)不符合系統(tǒng)容量需求時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)整，退出網(wǎng)絡(luò)，重新進(jìn)行更新。

3 發(fā)展

3.1 鋰電池進(jìn)程加速

我國(guó)移動(dòng)通信基站的備電大多采用鉛酸蓄電池，這種蓄電池的使用壽命短、性能差，需要經(jīng)常進(jìn)行日常維護(hù)。相對(duì)于4G基站，5G基站的能源消耗是其2倍，同時(shí)5G 基站的小型化和輕型化特征對(duì)能源存儲(chǔ)的要求越來越高，對(duì)電力供應(yīng)的需求越來越大，而高安全性、長(zhǎng)壽命以及低成本的磷酸鐵鋰電池在能量密度上可以不斷突破，符合要求。5G基站能耗高導(dǎo)致供電費(fèi)用高，鋰電池可發(fā)揮其循環(huán)性能，減輕電網(wǎng)擴(kuò)容對(duì)電網(wǎng)的依賴性，并采用分時(shí)峰谷電價(jià)進(jìn)行錯(cuò)峰供電，進(jìn)而降低電網(wǎng)的投資與運(yùn)行費(fèi)用。中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司、中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司、中國(guó)電信集團(tuán)有限公司以及中國(guó)鐵塔股份有限公司等加大了磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的采購(gòu)力度。

3.2 基站儲(chǔ)能市場(chǎng)

5G 基站儲(chǔ)能設(shè)備蘊(yùn)含的龐大市場(chǎng)潛力，引起了各大電池廠商的關(guān)注。目前，在通信備用能源方面，除那些在通信備用能源方面有深耕的傳統(tǒng)廠商之外，其他動(dòng)力電池廠商也紛紛投入此產(chǎn)業(yè)。某知名企業(yè)于2022 年1 月與某市簽署了5G 新能源產(chǎn)業(yè)園建設(shè)協(xié)議，該產(chǎn)業(yè)園以5G 通信用的磷酸鐵鋰為核心產(chǎn)品，年產(chǎn)7 GW·h，加上前期建設(shè)的一期工程，合計(jì)將達(dá)到10 GW·h 的規(guī)模，計(jì)劃在2023 年第3 季度竣工[4,5]。

3.3 5G 基站儲(chǔ)能釋放

基站中的蓄電池是維持通信實(shí)現(xiàn)持續(xù)電力供應(yīng)的重要裝置。當(dāng)電力供應(yīng)處于正常狀態(tài)下，蓄電池可以輔助電力供應(yīng)的穩(wěn)定和過濾，提高電力供應(yīng)的質(zhì)量；在電力供應(yīng)不穩(wěn)定或失效時(shí)，蓄電池可以作為后備電力供應(yīng)。目前，微型基站、皮基站以及飛行基站均為直流電源，無電能存儲(chǔ)裝置。其中，宏基站具有最大的功率和覆蓋面，但一般安裝在戶外，并要求有能量?jī)?chǔ)存裝置作為支撐。據(jù)中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部公布的數(shù)字：2023年度5G基站將增加78萬個(gè)，目前已建5G 基站有90 萬個(gè)；電信聯(lián)通正式啟動(dòng)5G基站共享共建，完成了66 萬個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)基站的建設(shè)。

4 結(jié) 論

通過對(duì)已有基站蓄電池組的拓展使用和更新管理，擴(kuò)大新產(chǎn)品的研究應(yīng)用，可以減少環(huán)境污染，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。