通信基站蓄電池的發展與應用

2023-09-09 05:55:10宋月敏

通信電源技術 2023年13期

宋月敏，梅峰

（中國鐵塔股份有限公司新疆分公司，新疆烏魯木齊 830011）

0 引言

移動通信基站是整個移動通信網絡的基礎，因此必須確保在各種條件下都能維持其所需的電力供應。其電源供電通常分為2 種，一種是電網的交流輸入，另一種是蓄電池的直流輸出。當市電電力供應中斷時，?？紤]利用基站的蓄電池提供電力保障。但是企業對蓄電池的不科學保養，會導致電池的容量迅速衰減，使用壽命縮短。這一問題已經引起有關部門的重點關注。用于移動基站的閥控式密閉鉛酸蓄電池在復充使用時，其理論使用壽命一般為15 ～20 年，但由于受到環境溫度、充放電頻次、深度以及應用方式等因素的影響，實際使用壽命會存在較大差別，有些電池使用1 年后就發生退化，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。鉛酸蓄電池比較穩定，密封性能較好，一般情況下不會對環境造成損害，但是鉛酸蓄電池中含有許多對環境有不良影響的材料，對其制造及循環利用有很大影響。因此要想節約能源和保護環境，就需要延長蓄電池的使用周期，加大對新型蓄電池的研發和利用。

1 基站蓄電池概述

基站蓄電池組可以將電能和化學進行相互轉化。對蓄電池進行充電時，電能轉換成化學能存儲在蓄電池中，而如果需要對蓄電池進行放電，電池中的化學能轉換成特定電能，并提供給用電負荷。普通蓄電池通常由正極、負極、電解質、隔膜以及電池槽5 個部件構成。對于閥控式的鉛酸電池，需配置一個泄壓閥。在無線通信基站中，蓄電池可以保證整個系統的穩定與連續，且蓄電池能否發揮作用將會對整個通信網絡的運作效能產生關鍵影響。因此，蓄電池既是整個通信系統的備用能源，又是一個可以實現平穩、過濾的協助體[1]。

2 基站蓄電池應用具體分析

2.1 選擇

（1）應用壽命長。從經濟效益來看，蓄電池的使用周期與通信裝置的更換周期應設定一致，一般為10 年。蓄電池的使用壽命與蓄電池的工作環境和循環充放電的頻次有很大關系，如果充放電的頻率過高，則將會導致電池的使用壽命降低。

（2）安全性高。蓄電池電解質是一種極具腐蝕性的硫酸溶液。除此之外，對于封閉式蓄電池，在其進行電化學反應階段產生的氣體會使其內部壓力增大，當壓力達到某個極限，就會導致蓄電池爆炸，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，該防酸板能夠對蓄電池內部壓力進行自我調整，同時具有液體阻隔、爆炸等作用。此外，蓄電池要具有安裝方便、免維護以及低內阻等特點。

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，另外在安裝和運輸過程中發生碰撞也會引起漏液。電池漏液的顯著特征是液體外溢，或者有白色結晶聚積在構造裂縫處。蓄電池出現漏液時，需要立即進行替換，否則出現腐蝕設備、電池失水、高壓系統漏電等安全問題。

（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、浮充裝置新舊混合等。針對這一點，蓄電池使用之前，必須仔細核對其連接部分及系統參數設定，確保正確并對電能進行均勻釋放。通常新制電解槽要運轉3 ～6 個月，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，就要注意電池電量，一旦發生任何意外失效，需要及時進行處理，避免帶來不必要的損失。

（3）失火。蓄電池失火屬于嚴重的事故，通常很少發生。蓄電池的連接條出現松動、高電壓系統出現局部漏液、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。蓄電池的儲能容量不足會導致其實際使用周期遠遠達不到正常需求標準。產生這個現象的原因是基站停電，如頻繁性停電、停電時間較長以及停電時間無規則等。在基站電源處于斷停狀態下，蓄電池會自動釋放能量。蓄電池放電后，由于未得到及時充電，電池的充電能力會異常下降。導致出現這個現象的原因是蓄電池本身電源系統的結構性不足，在電池沒有足夠電力時，它的負極會發生鹽化。在基站長時間斷電階段，蓄電池的容量將會大幅度衰減，最終達不到額定電量的80%，即電池報廢?；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，如調節電池的參數以及工作環境，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行充放電。

（5）鼓脹。蓄電池表面產生異常隆起，通常是受到內外部2 種干擾的綜合表現。內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時間較長以及沒有采取溫度補償措施等。一旦發生膨脹現象，就應該從內外2 個方面對電池進行全面檢測，改善蓄電池的工作狀態，并及時替換膨脹的電池。

2.2.2 解決措施

（1）健全基站機制。在基站的初期設計階段，設計人員應當對其基站位置的實際供電線路和市電供應情況進行全面調查與勘測。根據項目需要，選擇具有良好供電質量的電源線路，并根據基站期望操作結果制定合理的蓄電池容量，實現因地制宜，而不是對所有的基礎電廠都采用一刀切。

（2）強化基站巡檢。各地區都會發生經常性斷電現象，因此必須安排蓄電池售后工作人員進行定時巡視，以便可以及時找到基站問題并進行處理。除此之外，要加強對售后維護人員的技術訓練，讓他們熟悉如何提升基站蓄電池的使用性能，如何延長電池的使用壽命，從而實現在最短時間內對基站中出現的普遍問題進行快速高效處理。

（3）調整基站電壓。關于基站組合開關電源內電池欠壓保護裝置的電壓值設定，需要以實際經驗為依據進行具體調整，開關電源一次下電設置電壓不小于46 V，二次下電設置電壓不小于44 V。1/3I10 A 或更高的負荷電流符合標準，如果基站負荷電流低于1/3I10 A，就必須保證放電時間短于24 h。此設定方法的目的是增加蓄電池的欠壓保護設定電壓，從而可以有效防止蓄電池的過度放電。

（4）強化應急保障。在基站監測中心，要加強對基站工作狀態的監測，并制定相應的應急預案。在基站停電發出預警后，應當立即安排基站維修人員進行發電，確保蓄電池在放電結束后可以第一時間對其進行充電，從而減少基站蓄電池在部分負荷狀態下工作的可能性，有效防止蓄電池因過度放電而產生重大的結構損壞，增加維護費用。

（5）增加蓄電池的充入電量?；臼须娊洺０l生故障，會導致蓄電池容量較小，其對策關鍵是增強蓄電池的充放電能力。第一，調節蓄電池的充電限流數值，將它從0.1C10 A 調節到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，針對斷電頻率高、斷電持續時間長的基站，需調節斷電狀態下的平衡充電時間鑒別參數，可將原有調節值提高30%以上[3]。

2.3 環保應用

（1）移動通信基站鉛酸蓄電池管理。當前基站蓄電池的使用過程一般會出現蓄電池容量下降嚴重、使用周期較低的問題，經過12 年的使用周期，容量為原先標稱容量的30%～40%，而大部分基站蓄電池在運行14 年后，其容量僅為原先標稱容量的50%，無法達到其預期使用壽命。通信基站蓄電池的應用主要出現了2 個問題：第一，基站數量眾多，分布廣泛，并且所處的環境溫度等差異大，再加上各區域進行了大量的基礎設施改造，基站掉電和供電不穩定的情況比較嚴重，導致了蓄電池的使用周期變短；第二，在蓄電池的應用過程中，沒有在電池組退化早期及時地找到劣化電池，導致了蓄電池組綜合退化的積累、加劇，最終導致電池的提前淘汰。因此必須強化對蓄電池的精細化管控，實現降低成本和延長蓄電池壽命的目的。

（2）基站溫度的控制。移動基站的內部溫度會影響蓄電池的使用壽命，因此要想對基站機房內部溫度進行管控，就需要增加一個基站智能通風系統，有效解決因市電停電或空調故障而造成的氣溫過高問題。隨著蓄電池組的溫度變化對浮充電壓進行同步設置，很多開關電源都具有對蓄電池組浮充電壓自動調整的能力，然而目前網絡中許多基站在安裝開關電源時，并沒有科學安裝溫度傳感器，致使開關電源不能對蓄電池組進行正確設定，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，其電量低于標稱電量的80%，可將其作為廢品進行更換；12 V 單電池使用超過5 年后，其容量低于80%，可以更換。如果發生比較嚴重的物理損壞（外殼裂紋漏液、極板腐蝕損壞、極板短路、極板破損、膨脹變形嚴重等），可以直接丟棄，而剩余單體則需要進一步檢測。蓄電池活化是對在正常使用條件下的浮充電池進行深度充放電循環和電解質活化的一種修復方式。若工作性能不小于80%，且符合操作品質，則可持續運轉。當系統的各項性能參數不符合系統容量需求時，需要進行調整，退出網絡，重新進行更新。

3 發展

3.1 鋰電池進程加速

我國移動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，需要經常進行日常維護。相對于4G基站，5G基站的能源消耗是其2倍，同時5G 基站的小型化和輕型化特征對能源存儲的要求越來越高，對電力供應的需求越來越大，而高安全性、長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基站能耗高導致供電費用高，鋰電池可發揮其循環性能，減輕電網擴容對電網的依賴性，并采用分時峰谷電價進行錯峰供電，進而降低電網的投資與運行費用。中國移動通信集團有限公司、中國聯合網絡通信有限公司、中國電信集團有限公司以及中國鐵塔股份有限公司等加大了磷酸鐵鋰電池在通信行業的采購力度。

3.2 基站儲能市場

5G 基站儲能設備蘊含的龐大市場潛力，引起了各大電池廠商的關注。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廠商之外，其他動力電池廠商也紛紛投入此產業。某知名企業于2022 年1 月與某市簽署了5G 新能源產業園建設協議，該產業園以5G 通信用的磷酸鐵鋰為核心產品，年產7 GW·h，加上前期建設的一期工程，合計將達到10 GW·h 的規模，計劃在2023 年第3 季度竣工[4,5]。

3.3 5G 基站儲能釋放

基站中的蓄電池是維持通信實現持續電力供應的重要裝置。當電力供應處于正常狀態下，蓄電池可以輔助電力供應的穩定和過濾，提高電力供應的質量；在電力供應不穩定或失效時，蓄電池可以作為后備電力供應。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，并要求有能量儲存裝置作為支撐。據中華人民共和國工業和信息化部公布的數字：2023年度5G基站將增加78萬個，目前已建5G 基站有90 萬個；電信聯通正式啟動5G基站共享共建，完成了66 萬個5G 網絡基站的建設。