鈉鹽電池在通信接入局站的應用實例探析

俞 迪，吳 慧，吳偉強

（1.中國電信股份有限公司 湖州分公司，浙江 湖州 313000；2.浙江安力能源有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引 言

隨著5G時代的到來，5G基站設備功率是現有4G基站的3～4倍，運營商亟需解決網絡建設階段的電力配套擴容問題與網絡運營階段的新增能耗問題[1]。由于基站和綜合接入局站空間有限，如何實現機房空間的高效利用是擴容時需關注的重點。同時，在綠色低碳高質量發展背景下，運用儲能技術進行“削峰填谷”也是運營商有效降低能耗成本的可選方案[2]。

目前通信機房大部分備電電源使用的是鉛酸蓄電池，但是鉛酸電池普遍存在能量密度低（占地面積大和重量重）、運行環境溫度要求高、放電效率低、壽命短以及可靠性低等問題[3]。根據對基站斷站數據的統計分析，電池原因約占40%。

隨著電源技術的快速發展，各種體系的電池相繼出現，如鋰電池、液流電池、鈉-氯化鎳電池等，為通信基站備電電源升級帶來新的契機。湖州電信公司根據實際應用特點和需求，在眾多電池技術中挑選新型的環保鈉-氯化鎳電池（簡稱“鈉鹽電池”）作為基站備電電源，進行基站備電和儲能模式探索。

1 鈉鹽電池概述

鈉鹽電池是20世紀80年代在國外發展起來的一種新型電池，該電池被應用于車載動力[4]、潛艇備電[5]、通信基站以及電網儲能領域等，因具有安全性、長壽命以及綠色環保等性能而備受推崇[6]。

1.1 電池反應機理

鈉鹽電池正極為NiCl2，負極為Na，電解質兼隔膜是氧化鋁陶瓷，第二電解質是NaAlCl4。其充放電反應方程式為：

1.2 電池特性

1.2.1 安全性高

鈉鹽電池的安全性體現在3個方面。一是本身材料體系，本身材料和裝配零部件具有高沸點、高熔點特性（鈉金屬除外）[7]；二是化學反應，電池反應溫和，無任何易燃、易爆物產生；三是結構設計，單體電芯通過真空金屬焊接方式牢固密封，電池包用雙層不銹鋼焊接，電池管理系統有繼電器保險絲防護。單體電芯通過UL1973的短路、撞擊、振動、熱循環以及火燒等實驗，獲得相關認證證書。電池包經過嚴苛的實驗，獲得UL1973認證、泰爾和CE相關認證，安全可靠[8]。

1.2.2 能量密度高

鈉鹽電池的額定電壓為2.58 V，高于鉛酸、鎳氫等體系電池的電壓平臺，低于鋰電池的電壓平臺。相較于應用較為廣泛的鉛酸電池，鈉鹽電池的質量能量密度和體積能量密度是其3倍左右（單體電芯能量密度120～130 Wh/kg，體積能量密度300～310 Wh/L）。實際應用時，鈉鹽電池能量密度高、占用空間小，不僅有助于提高機房空間利用率，同時也降低了對機房承重的要求[9]。

1.2.3 使用壽命長

鈉鹽電池具有較長的循環壽命和備電浮充壽命。根據相關文獻闡述，鈉鹽電池充放電循環次數在3 000次以上，若是只作為備電浮充電池，其浮充壽命在15年左右。鈉鹽電池在應用時，允許單串回路中有5%的單體電芯損壞。單體電芯失效后，電壓為0 V，該電芯變成一個導體，不影響該串電池正常運行，不會造成安全事故，該特征有別于其他電池。

1.3 E4815鈉鹽電池包

鈉鹽電池一般以電池包的形式應用于實際環境中，電池包結構包含單體電池、正負極柱、加熱板、溫度傳感器、陶瓷保護套、云母、保溫棉、不銹鋼內外箱體以及電池管理系統（Battery Management System，BMS）等部件。以通信系統行業48 V備電采用的E4815電池包為例，單個電池包由6路串電池并聯組成，每路串電池由21只單體電芯串聯，總共126只單體電芯。基于鈉鹽電池的安全性，并未采集每只電池的電壓，僅對每一串的中間點電壓進行測試比較，根據特有的判定邏輯來判定電池的好壞。

E4815電池包可作為獨立單元應用，也可根據應用需求并聯使用，其基本參數見表1。

表1 E4815基本參數

1.3.1 E4815電池包的不同小時率性能

E4815鈉鹽電池是一款能量型電池，圖1是其不同小時率的放電曲線。

圖1 E4815鈉鹽電池放電曲線

從圖1可以看出，10小時率和5小時率都具有良好的放電曲線平臺，標稱容量基本能100%放出。圖2是對標鉛酸電池（48V/200Ah）不同小時率的放電曲線。

圖2 鉛酸電池放電曲線

從圖2可以看出，5小時率不能100%放出標稱容量，電壓平臺較低，鉛酸電池整體放出的有效能量低于鈉鹽電池[10]。

1.3.2 高低溫性能

高低溫性能主要指電池包在不同環境溫度下的放電性能，由于鈉鹽電池包的隔熱層具有良好的保溫效果，因此環境溫度對電池包的放電容量影響較小。圖3是E4815電池包在常溫25 ℃、高溫60 ℃以及低溫-40 ℃的I5放電曲線。

圖3 電池包在不同溫度下的放電曲線

由圖3可知，常溫25 ℃、高溫60 ℃以及低溫-40 ℃的I5放電曲線完全重合，說明鈉鹽電池能夠適應較大的環境溫度變化。該性能意味著鈉鹽電池應用時不需要額外制冷或加熱，能夠適應各種室內或室外高低溫場景。

2 鈉鹽電池在通信接入站點的應用實例

2.1 示范站點配置情況

通信局站實際應用的鈉鹽電池系統主要包括鈉鹽電池包和遠程通信控制模塊，現場效果見圖4。

圖4 鈉鹽電池在通信局站的應用

鈉鹽電池包自帶BMS，遠程通信模塊分別與BMS、機房電源動環監控系統通信，具體配置見表2。

表2 鈉鹽電池系統配置清單

兩個示范站點均用鈉鹽電池系統替換了原有的鉛酸電池系統，安裝的鈉鹽電池包數量根據機房的負荷和業務等級而定，具體見表3。多個鈉鹽電池包應用時，鈉鹽電池包進行并聯使用。示范站點1主要用于浮充備電和峰谷儲能，示范站點2用于浮充備電，其中站點2市電斷電頻率較高。

表3 示范站點鈉鹽電池配置表

2.2 示范站點使用情況

2.2.1 備電功能

在實際應用時，鈉鹽電池體現了良好的備電性能。2020年3月21日凌晨03:58市電停電，站點1在電池啟用備電與儲能功能的情況下，電池持續供電5 h。5 h后柴油發電，電池的SOC還剩53%，驗證了電池的備電符合要求，具體數據曲線見圖5和圖6。圖5顯示的是電壓、荷電狀態隨放電時間的變化趨勢，圖6是負載功率和電流的變化曲線。相比鋰電池，鈉鹽電池能長期浮充在線，當電網斷電時更易于實現無縫切換。

圖5 鈉鹽電池實用場景放電時間的曲線

圖6 基站放電功率、電流曲線

示范點2安裝兩只電池包，負載2.4 kW，備電10 h，電池一直處于浮充狀態。持續運行一段時間后，查看電池串的中間點電壓，并未發現有任何電池異常，電池運行狀態良好。具體數據見表4和表5。

表4 示范點2電池包1內各電池組串壓差

表5 示范點2電池包2內各電池組串壓差

2.2.2 削峰填谷

示范站點通過后臺設定程序，在符合備電要求的情況下將多余的能量根據電價進行削峰填谷，峰谷時間與充放電設置見表6。

表6 削峰填谷時間設置表

參照鈉鹽電池10小時率放電特性曲線，預留3～5 h應急時間，其實際運行曲線見圖7。

圖7 峰谷儲能SOC變化

2.2.3 智能管理

電池管理系統BMS內嵌在鈉鹽電池包中，通過物聯網與云技術將數據上傳至管理平臺，可通過專門的App或電腦Web頁面實時監測電池系統和示范站點電源的工作狀態及運行情況，對出現的電池衰減問題進行成因分析。通過精準控制保障電池的安全，實現電池的智能化管理。

2.2.4 空調節能

示范站點空調具有人工智能（Artificial Intelligence，AI）控制功能。使用鈉鹽電池后，啟用深度AI控制模式，將機房最高環境溫度提升至35 ℃，可以有效降低空調能耗。

2.3 成效分析

2.3.1 安全性

經過兩年多的實際使用，鈉鹽電池未出現外觀變形、過熱、漏液、異味等情形，提升了通信機房的安全性。此外，鈉鹽電池包單體重量達到148 kg，置于無人值守的接入站點可以降低電池被偷盜的風險，進而減少由此造成的通信網絡中斷故障。

2.3.2 經濟性

示范站點利用鈉鹽電池的儲能功能，開啟削峰填谷模式后，通信設備用電節能降費率約為24.5%。此外，鈉鹽電池對環境溫度的適應性好，示范站點的空調在室溫達到35 ℃時才啟動，空調能耗比普通AI控制節能模式（室溫30 ℃啟動）有所節約。通過使用上述節能技術，該站點全年共節約電費9 606.8元。相較于鉛酸電池，鈉鹽電池具備在線實時監測等功能，可節約每年每站1 000元的電池容量檢測費用。此外，鈉鹽電池的能量密度是鉛酸的2～3倍，示范站點的占地面積平均減少50%。利用鈉鹽電池運行環境溫度范圍廣、體積小等特性，可以逐步實現機房去空調化，進一步降低投資和運營成本。

3 結 論

將鈉鹽電池應用于通信機房，經過兩年多的實踐與分析，已經初步驗證了鈉鹽電池的優點。通過應用鈉鹽電池，在提升機房安全性和空間利用率的同時，能有效降低5G基站、通信機房的能耗成本，有利于通信企業貫徹落實綠色發展理念并構建綠色信息網絡，提升行業綠色低碳發展水平，助力實現“碳達峰、碳中和”。