通信基站智能共享型電池供電系統設計

黃顯良

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 技術研究背景

傳統的基站供備電系統利用開關電源和電池獨立給基站供備電。其中，開關電源給電池充電的同時給負載供電。電池固定安裝在特定機柜或機架上，二次拆裝耗時費力，而且基站網管中心平臺只能監控與管理到各個基站機房內部動環監控所遙控、遙信及遙測信息，各個基站之間沒有系統性的相互監控和位置信息共享等信息交互功能。基站動環監控和網管中心平臺也無法與其他平臺或者設備進行互聯。

傳統電動車主用動力電池供電，并沒有備份蓄電池部件，車輛運行到動力電池低壓下電即無法再行駛，可能導致在半路宕機，而且動力電池多次低壓下電容易導致電池快速老化。電動車更換電池需遠距離拖車到維修店、4S店或遠程呼叫現場救援進行，且每輛車均為獨立的個體，沒有統一的網管對車輛狀態和車輛位置信息等進行監控與管理，無組網功能，無形中增加了時間成本與動力電池更換成本[1]。

傳統應急發電車關鍵組成部件為移動發電機，其缺乏對車輛狀態和車輛位置等信息進行統一監控與管理的網管系統，且無組網功能。傳統的基站供備電系統、電動車與應急發電系統等之間無相互交互位置信息、蓄電池剩余容量以及供備電狀態等監測等功能，各部件（系統）相互獨立，無法實現共享供備電。因此，新設計一種可與電動車、應急發電車互換電池的基站智能共享供備電系統，即在有帶備電蓄電池的基站、有儲能電池的應急發電車等系統上，通過換電柜中的蓄電池打包，換成可隨時更換的電池pack（即插即用，支持熱插拔），從而可實現共享供備電等功能。

電池pack可直接應用在動力電池型應急發電車與普通型電動車之間、基站動環監控、網管中心與應急發電車之間進行實時位置及狀態、供備電參數信息等信息交互。當基站、應急發電車或電動車等中的任何一處發生電池低壓告警時，系統網管中心即可發送電池低壓告警設備的地理位置信息，到最接近的維修終端門店，并自動進行開門授權和更換授權等換電流程操作。維修終端門店即可派員到現場執行電池更換等與業務，避免電動車等遠距離行駛到維修店/4S店或者遠程呼叫現場救援，從而解決電池更換成本問題，且可延長蓄電池壽命，讓常年“閑置”的蓄電池得到充分利用。基站智能共享供備電系統主要是滿足個人電動車、快遞業務電動車、老年代步車以及新能源汽車等對電池的續航和更換需求，在電動車換電行業中具有較好應用前景[2]。

2 通信基站智能共享供備電系統設計方案

2.1 系統總框架

通信基站智能共享供備電系統主要由基站開關電源、基站備電電池pack、基站動環監控、基站通信模塊、網管（中心）平臺、帶應急發電車儲能電池及通信模塊的應急發電車、帶動力電池及通信模塊的電動車等構成，系統模型如圖1所示。

圖1 通信基站智能共享供備電系統

2.2 技術設計方案

設計的基站智能共享供備電系統可實現應急發電車、電動車、基站之間的相互儲能和備電共享，有效解決傳統基站供備電系統、應急發電系統以及電動車供備電系統之間無法組網的問題。

基站通常包含若干（1到N）個基站，各個基站內放置若干（1到N）個動力鋰電池（組），另外還包括基站開關電源、基站電池柜、電源監控模塊以及直流配電模塊等。開關電源與放置在各個基站內的基站備電電池pack相連接，電源監控模塊與基站動環監控相連接，可將供備電所有狀態及參數等信息實時上報給基站動環監控，基站動環監控再將所有信息傳輸到網管中心平臺，同時基站動環監控的通信模塊與網管中心平臺的通信模塊進行信息交互。

電動車的動力電池與電動車的主要用電部件，如電機、控制器、剎車以及車燈等進行連接，同時車輛控制器與通信模塊進行連接，實時進行車輛狀態及參數檢測信息的交互。應急發電車儲能電池與應急發電車的主要用電部件，如發電及充電控制管理裝置、電機、控制器、剎車、車燈等進行連接，同時與通信模塊實時進行車輛狀態及參數檢測信息信息交互。基站、電動車、應急發電車以及網管平臺均分別通過通信模塊進行無線連接（如GPS、GPRS、4G以及5G等）組網。基站備電電池放置在基站電池柜內，電動車動力電池放置在電動車電池盒內隨車而行，而應急發電車儲能電池放置在車后電池盒內隨車而行[3]。

監控模塊負責監測基站電池柜、應急發電車以及電動車的電池（組）容量，通信模塊負責將電池容量信息發送至網管中心平臺，網管中心平臺負責統一管理，實現基站、應急發電車與電動車之間的供備電共享[4]。基站智能共享供備電系統技術原理如圖2所示。

圖2 基站智能共享供備電系統技術原理圖

2.3 基站智能共享供備電系統功能實現

基站智能共享供備電系統功能實現如圖3所示，網管平臺主要由數據服務器、端站數據采集器以及第二監控模塊構成。備電電池、動力電池以及儲能電池盡量使用固態鋰電池（如磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池、錳酸鋰電池以及三元鋰電池等），液態鋰電池（目前未量產，仍在不斷摸索研發與制造）等帶有電池管理系統（Battery Management System，BMS），其容量密度較高，且可大量并串。基站、應急發電車以及電動車等均通過網管平臺進行組網，實時發送地理位置、鋰電池容量以及掉電情況等實時信息，網管平臺利用電池管理系統可實現對動力鋰電池充電容量、充電時間、發電容量、發電時間、電池電壓、電池電流、電池最高溫度、最低溫度、電池SOC、告警信息、四遙、充放電狀態、充電限流以及電池單體均衡保護等參數進行監控和保護，并可有效管理電池運行信息采集、信息存儲以及計費信息等[5]。基站電池柜主要包括柜體、開關電源、基站電池柜、第一監控模塊（溫控模塊）以及設于柜體上的可充電電力輸出接口和應急發電輸入接口。應急發電車包括應急發電車車架、應急發電車動力鋰電池、應急發電車充電器以及應急發電車監控模塊，電動車包括電動車車架、電動車動力鋰電池、電動車充電器以及電動車監控模塊。此外，電動車動力鋰電池、應急發電車動力鋰電池以及各個基站內的若干個動力鋰電池采用同種規格型號，方便更換和維修。基站動力鋰電池通常為備電電池，應急發電車電池一般為儲能電池，而電動車電池為常規動力電池。應急發電車動力電池和基站動力電池均可為動力退役電池[6]。

圖3 基站智能共享供備電系統構成及功能

基站開關電源的直流配電及電源監控單元能對更換進基站后的基站備電電池pack、電動車動力電池以及應急發電車儲能電池進行正常充放電管理，即更換進來的蓄電池與基站原備電電池pack可共用，不會與基站內未更換的基站備電電池pack產生倒灌和環流等現象，不會導致基站備電電池pack、電動車動力電池以及應急發電車儲能電池老化、故障或失效[7]。

各監控模塊主要功能在于監測基站、電動車以及應急發電車內動力鋰電池的電池容量，一旦某個動力鋰電池電池容量低于監控閥值，網管平臺將發出欠壓報警。假設某電動車電池欠壓，網管平臺的端站數據采集器FSU監測到欠壓電動車具體位置后將相關位置信息發送至網管平臺，由網管平臺通過內部數據信息分析判斷此欠壓電動車注冊授權信息。已經注冊授權的，網管平臺及時利用手機等終端發送電池容量充足的基站位置或應急發電車位置等信息給車主，通知車主前往換電，同時發送信息給代維提醒授權管理。無注冊授權的，系統自動屏蔽且不做任何處理[8,9]。同理，基站、應急充電車電池出現欠壓狀況時，網管平臺同樣進行處理。

正常供電狀態下系統可實現市電對電池充電，市電失電模式狀態下可實現梯次利用電池儲能系統對通信機房內設備進行供電。各監控模塊可對供電系統的整流模塊、逆變模塊、電源轉換模塊、電池管理系統以及冷卻系統等進行信息監控管理，監控模塊采用串行數據與網絡IP包實現各種數據的轉換和傳輸，實現擴展串口通信和遠程管理。系統具備接入IP監控設備，能夠實現實時圖像監控、照明控制、門禁管理以及紅外、溫濕度、煙感、水浸或防盜報警聯動等功能。另外，整個系統結合等電位設計思想，電磁兼容性能和防雷保護措施完備[10]。

3 結 論

基站智能共享供備電系統充分考慮了動力電池全生命周期應用情況，按照綠色環保設計理念，實現了基站、電動車以及應急發電車之間的電池共享復用和動力電池退役梯次利用。用戶或代維即可執行最靠近位置更換，避免遠距離行駛到店換電或者遠程呼叫現場救援換電，解決了可能導致宕機、增加時間成本及電池更換成本的問題，且可延長蓄電池壽命，使得常年閑置的蓄電池得到充分利用，降低了蓄電池閑置率，將閑置轉為創收，綠色低碳，節能環保，經濟實惠，與民生互利互惠，節能減排。同時，無需等待應急發電，能夠快速完成低壓或掉電后的發電、備電及換電。