基于通信匯聚機(jī)房站點(diǎn)鐵鋰電池節(jié)能應(yīng)急供電

陳鎮(zhèn)波

（中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司 揭陽分公司，廣東 揭陽 522000）

0 引 言

隨著5G的建設(shè)大潮，基站機(jī)房需求大增，為了節(jié)能減排，規(guī)劃基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）設(shè)備集中部署，可以減少基站機(jī)房數(shù)量所帶來的大量配套耗能。取而代之建設(shè)業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房，存放安裝BBU、切片分組網(wǎng)（Slicing Packet Network，SPN）接入設(shè)備以及家集客光纜終端設(shè)備（Optical Line Terminal，OLT）等。一個普通地市部署300～400多個業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房，其中租賃機(jī)房占多數(shù)，一旦停電，為保證業(yè)務(wù)的不間斷，就需使用汽油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。在碳中和的背景下，儲能設(shè)備是一個趨勢，將一種能量形式用同一種或者轉(zhuǎn)換成另一種能量形式存儲起來，基于未來應(yīng)用需要以特定能量形式釋放出來。在通信業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房，可利用鐵鋰電池儲能設(shè)備在機(jī)房停電時應(yīng)急供電，減少油機(jī)的使用頻次，減少碳排放，降低噪聲污染，又可以充分利用電價低谷時段充電。

業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房用于單個或多個微網(wǎng)格內(nèi)業(yè)務(wù)收斂的匯聚節(jié)點(diǎn)，作為無線C-RAN BBU的集中部署節(jié)點(diǎn)，家集客OLT的部署節(jié)點(diǎn)。市電供電方式要求不得低于3類市電供電，容量不低于25 kW[1]。業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房一般部署3～4個機(jī)架，負(fù)載約55 A，停電后用10 kW發(fā)電機(jī)發(fā)電，為節(jié)省油費(fèi)，不帶空調(diào)負(fù)載，降低油機(jī)負(fù)載率。隨著儲能設(shè)備的運(yùn)用，特別是鐵鋰電池，性能越來越穩(wěn)定，電池的密度也越來越高。通信鐵鋰電池，一般使用48 V/50 AH或者48 V/100 AH，每個電池組內(nèi)部由16只3.2 V電池單體串聯(lián)組成，并配置電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）進(jìn)行電池充放電管理。鐵鋰電池在不同放電電流和溫度下放電，放電容量變化不大，前期電壓穩(wěn)定在49 V以上，對供電回路產(chǎn)生電壓降影響不明顯，且循環(huán)壽命較長。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電池組的循環(huán)壽命不少于1 000次[2]。

利用鐵鋰電池替代汽油發(fā)電機(jī)，電能輸送給交流配電箱，再到組合式開關(guān)電源，從而為機(jī)房業(yè)務(wù)設(shè)備提供可靠電源，鐵鋰電池應(yīng)急供電方式如圖1所示。

圖1 鐵鋰電池應(yīng)急供電方式

1 鐵鋰電池供電原理

組合式開關(guān)電源有穩(wěn)定的48 V電源輸出，就可以保證OLT等設(shè)備的不間斷供電。開關(guān)電源的主要器件為整流模塊，如艾默生開關(guān)電源系列PS48600的整流模塊型號為RU2900。

整流模塊主要由交流輸入濾波器、輸出整流濾波器、功率變換電路、保護(hù)電路以及輔助電源等幾部分組成。主要電路拓?fù)淙鐖D2所示，交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、橋式整流得到直流電壓，通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，得到需要的直流電壓。

圖2 電源模塊主電路拓?fù)?/p>

主電路的3個主要組成部分為EMI濾波器、橋式整流濾波以及功率變換電路。EMI濾波器一方面可以抑制電網(wǎng)上的電磁干擾，另一方面也可抑制本身產(chǎn)生的電磁干擾。橋式整流濾波市電經(jīng)濾波后，再經(jīng)全橋整流濾波，可得到300 V左右的高壓直流。功率變換電路中，300 V高壓直流電送入功率變換器，將高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流脈沖電壓或脈動直流電，再經(jīng)變壓器降壓，最后經(jīng)輸出整流濾波得到所需的低壓直流電[3]。

將整流模塊的交流輸入改變成直流輸入，不必對開關(guān)電源進(jìn)行改造，電源模塊仍可正常工作。輸入電路如圖3（a）所示，交流電的正負(fù)半周分別在兩個相對的二極管導(dǎo)通，并在電容上形成脈沖直流電。不同類型電源輸入的電容電壓波形如圖3（b）所示，電壓波形更加平穩(wěn)，不存在無功部分，降低功率因數(shù)[4]。以直流的鐵鋰電池替代交流發(fā)電機(jī)組，組合式開關(guān)電源同樣能正常工作。

圖3 整流模塊全橋整流輸入電路

2 鐵鋰電池供電性能

下面對鐵鋰電池供電的整流模塊限功率、電壓降、發(fā)電機(jī)供電對比進(jìn)行闡述。根據(jù)《PS48400-3/2900& PS48600-3/2900電源系統(tǒng)技術(shù)手冊》，開關(guān)電源的交流輸入?yún)?shù)如表1所示，只要輸入電壓在85 V以上，整流模塊就可以工作[5]。通信用每塊鐵鋰電池電壓約為50 V，因此可串聯(lián)成100 V、150 V、200 V以及250 V，另外因?yàn)榻涣鬏斎氲刃щ妷簽?20 V，所以此處暫不考慮250 V直流輸入情況。但當(dāng)電壓小于176 V時，電源模塊將限制輸出。

表1 開關(guān)電源交流輸入?yún)?shù)

整流模塊輸出功率與輸入電壓關(guān)系如圖4所示，輸入電壓為100 V時，輸出功率達(dá)到額定功率的32.15%，輸入電壓為150 V時，輸出功率達(dá)到額定功率的76.81%，輸入電壓為200 V時，輸出功率達(dá)到額定功率的100%。考慮電壓等級及模塊功率輸出，建議使用3只50 V鐵鋰電池串聯(lián)成150 V，實(shí)際電壓為162 V，輸出功率為額定功率的87.49%。如過組合式開關(guān)電源的負(fù)載電流為55 A，那么現(xiàn)場啟用兩個50 A的整流模塊，則負(fù)載可以正常工作。3只50 AH的鐵鋰電池應(yīng)急供電，考慮15%損耗，放電時長約2.5 h。如用6只并聯(lián)成兩組，放電時長為5 h，可滿足應(yīng)急場景需求。

圖4 整流模塊輸出功率與電源輸入電壓關(guān)系

電壓降的公式為：

式中，L為電纜長度，ρ為電阻率，A為電纜截面積，I為電流。電纜長度約取30 m，參照發(fā)電機(jī)供電，布放4×6（截面積A為6 mm2）的銅線電纜，使用其中兩芯，開關(guān)電源的負(fù)載電流為50 A，電纜輸入電流I約為18 A，銅電阻率取0.0185Ω·mm2/m計(jì)算。當(dāng)電池電壓為149 V時，電源端輸入電壓為145.67 V，仍在開關(guān)電源的輸入電壓工作范圍內(nèi)，整流模塊輸出限功率在70%以上，可正常工作。

鐵鋰電池在25 ℃下的放電曲線如圖5所示，在0.1C到1C的放電電流下，電池容量下降80%后，電池電壓仍在48 V以上，電池具有良好的放電平臺。如0.5C的放電電流，電池容量下降80%，單只電池電壓約為49 V，3只串聯(lián)的電壓為147 V。若長度達(dá)到60 m，壓降約為6 V，仍在141 V左右，整流模塊的限流輸出約70%，此時開啟兩個額定電流為50 A的模塊仍可滿足負(fù)載需求。

圖5 鐵鋰電池在25 ℃下的放電曲線

發(fā)電機(jī)發(fā)電及鐵鋰供電對比，汽油燃油消耗約200 g/（kW·h），發(fā)電費(fèi)用約1.4元/（kW·h），而業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房屬于商業(yè)用電，電價為0.7元（kW·h），可節(jié)省一半費(fèi)用。另外，發(fā)電機(jī)發(fā)電噪聲較大，風(fēng)冷式一般在100多分貝，在居民區(qū)、夜間發(fā)電，存在擾民的現(xiàn)象，而鐵鋰供電則無此現(xiàn)象。再者，發(fā)電機(jī)的尾氣排放存在一定的中毒安全隱患，在密閉空間發(fā)電可能會產(chǎn)生CO氣體，而鐵鋰供電也無此問題。

3 鐵鋰電池供電實(shí)踐

按照上面圖1所示的供電方式，選取一個業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房，電源為中興開關(guān)電源，直流設(shè)備的電流為71.3 A。選用3只50 A的雄韜鐵鋰電池，如圖6（a）所示進(jìn)行串聯(lián)，電壓為152.63 V，正極連接AC相輸入B相，負(fù)極連接零線，把機(jī)房內(nèi)除開關(guān)電源外空調(diào)負(fù)載、照明負(fù)載的空氣開關(guān)均分閘，合上電池開關(guān)，開啟開關(guān)電源B相對應(yīng)的3個模塊，浮充電壓停電后由49 V上升到51.5 V，如圖6（b）所示，電池放電電流為零，說明鐵鋰電池可通過此方式應(yīng)急供電。

圖6 現(xiàn)場鐵鋰供電照片

4 結(jié) 語

隨著儲能設(shè)備的應(yīng)用不斷的深入，特別是鐵鋰電池，具備綠色、環(huán)保、低碳等優(yōu)勢。在技術(shù)與市場的協(xié)同發(fā)展中，鐵鋰電池的密度已達(dá)到200 W/kg，密度越來越大，單位儲能也在不斷增大，便攜性則越來越好。5G快速發(fā)展，站點(diǎn)功耗倍增，因此需要能量密度更高的儲能系統(tǒng)，鐵鋰電池正當(dāng)其時。充分利用分時峰谷電價錯峰降低電費(fèi)，應(yīng)急供電便利性快速應(yīng)急供電，鐵鋰電池成本持續(xù)下降，通信匯聚機(jī)房節(jié)能應(yīng)急供電方式前景更適用時代的發(fā)展。