蓄電池精準(zhǔn)配置分析模型開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究

摘" 要：作為基站備用電源，蓄電池除能保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與穩(wěn)定性，還能在削峰填谷、平衡電網(wǎng)負(fù)荷及降低通信設(shè)備能耗的情況下發(fā)揮重要作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在蓄電池正常運(yùn)行的情況下，仍存在容量下降過(guò)快、使用壽命大幅縮短的問(wèn)題，初步認(rèn)為與蓄電池本身狀況及使用環(huán)境有關(guān)。為此，該文開(kāi)發(fā)一種電池容量測(cè)評(píng)模型，該模型建立4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)，在指標(biāo)賦值的情況下對(duì)蓄電池的基礎(chǔ)信息、運(yùn)行環(huán)境、社會(huì)影響和維護(hù)情況作出綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)最終的評(píng)分判斷電池等級(jí)，并為下一步的蓄電池管理提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：蓄電池;電池容量測(cè)評(píng)模型;電池容量配置;磷酸鐵鋰電池;基站備用電源

中圖分類號(hào)：TM91" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）09-0077-04

Abstract： Be used as the backup power of the base station， which battery can not only ensure the reliability and stability of the communication network， but also play an important role in cutting the peak and filling the valley， balancing the power grid load and reducing the energy consumption of communication equipment. The survey found that when the battery is running normally， there will still be the problem that the capacity decreases too fast and the service life is greatly shortened， which is preliminarily related to the condition of the base station battery itself and the use environment. For this reason， a battery capacity evaluation model is developed in this paper. The model has 4 first-level indexes and 17 second-level indexes. In the case of index assignment， it can comprehensively evaluate the basic information， operating environment， social impact and maintenance of the battery， judge the battery grade according to the final score and provide guidance for the next step of battery management.

Keywords： battery; battery capacity evaluation model; battery capacity configuration; lithium ferric phosphate battery; base station backup power supply

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)能耗逐年上升，移網(wǎng)資源能耗呈明顯上升趨勢(shì)。結(jié)合蓄電池運(yùn)行特征，通過(guò)對(duì)在網(wǎng)運(yùn)行蓄電池各類運(yùn)行數(shù)據(jù)的研究并考慮未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，盤(pán)活、整合現(xiàn)網(wǎng)蓄電池資源，深入挖掘潛力，提高資源利用效率，以達(dá)到精準(zhǔn)投資、高效建設(shè)的目的。

1" 電池容量測(cè)評(píng)模型的構(gòu)建

1.1" 影響電池壽命的主要因素

導(dǎo)致電池壽命縮短的主要因素有以下幾種。

1）頻繁斷電。在基站頻繁停電，并且停電時(shí)間、停電時(shí)長(zhǎng)無(wú)明顯規(guī)律的情況下，基站蓄電池的充放電次數(shù)增加，每次充放電時(shí)長(zhǎng)不同。有時(shí)一天內(nèi)停電數(shù)次，或連續(xù)幾天停電，這時(shí)基站蓄電池在放電后尚未充足電的情況下再次放電，出現(xiàn)欠充現(xiàn)象。如此反復(fù)數(shù)次，將會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量累積性虧損，使用壽命快速下降。

2）機(jī)房環(huán)境。雖然許多基站均配備了空調(diào)，用于調(diào)節(jié)基站室內(nèi)溫度，但是在空調(diào)發(fā)生故障后將失去調(diào)溫功能，從而導(dǎo)致蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下運(yùn)行，不僅使用壽命縮短，而且有可能發(fā)生爆炸事故。目前基站所用空調(diào)以柜機(jī)或分體式空調(diào)為主，一方面是長(zhǎng)時(shí)間不中斷運(yùn)行，另一方面是空調(diào)維護(hù)不及時(shí)，使空調(diào)故障率較高。當(dāng)空調(diào)無(wú)法制冷后，室內(nèi)溫度最高可以達(dá)到70 ℃，高溫環(huán)境下蓄電池失水量增加，電解液飽和度下降，導(dǎo)致電池容量降低[1]。

3）斷電恢復(fù)。地理位置較為偏遠(yuǎn)的山區(qū)，市電供給情況較差，停電次數(shù)多且每次停電時(shí)間長(zhǎng)。基站停電后，蓄電池放電至終止電壓，如果未能及時(shí)補(bǔ)充電，也會(huì)造成電池容量的下降。循環(huán)幾次后，蓄電池壽命明顯縮短。

1.2" 電池容量測(cè)評(píng)模型的指標(biāo)選取

本文根據(jù)影響蓄電池運(yùn)行的基礎(chǔ)信息和環(huán)境因素構(gòu)建了電池容量測(cè)評(píng)模型。該模型有4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，分別是基礎(chǔ)信息、社會(huì)影響、運(yùn)行環(huán)境和維護(hù)情況;有17個(gè)二級(jí)指標(biāo)。其中，一級(jí)指標(biāo)“基礎(chǔ)信息”下包含8個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別是電池類型、電池總?cè)萘俊㈦姵亟M數(shù)、直流負(fù)荷、站址類型、續(xù)航情況、啟用年限和設(shè)備性能;一級(jí)指標(biāo)“社會(huì)影響”下包含2個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別是站址等級(jí)、租戶數(shù)量;一級(jí)指標(biāo)“運(yùn)行環(huán)境”下包含3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別是機(jī)房溫度、斷電頻次、斷電時(shí)長(zhǎng);一級(jí)指標(biāo)“維護(hù)情況”下包含4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別是油機(jī)配置、到站時(shí)長(zhǎng)、充放電維護(hù)和設(shè)備設(shè)置。該模型以站址歷史信息為依據(jù)，結(jié)合電池配置調(diào)整因素，分別測(cè)算各個(gè)站址的系數(shù)取值，按照計(jì)算結(jié)果確定站址電池配置的優(yōu)先級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的精準(zhǔn)配置。

2" 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分算法

2.1" 電池類型

目前常用的蓄電池類型有鐵鋰電池、鉛酸電池等若干種。按照GB 51194—2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中的規(guī)定，對(duì)于不同廠家、不同容量、不同型號(hào)的蓄電池，不得并聯(lián)使用。如果存在2種及以上電池混用的情況，本項(xiàng)得分為100分，不存在混用情況不得分。

2.2" 電池總?cè)萘?/p>

統(tǒng)計(jì)機(jī)房?jī)?nèi)所有類型電池組的總?cè)萘浚瑩?jù)實(shí)填報(bào)。該項(xiàng)指標(biāo)用于計(jì)算不實(shí)際評(píng)分。

2.3" 電池組數(shù)

據(jù)實(shí)填報(bào)機(jī)房?jī)?nèi)所有類型電池組的數(shù)量。根據(jù)《規(guī)范》，直流供電系統(tǒng)的蓄電池以2組為宜。如果單位電池為1組，本項(xiàng)得分為100分，2組及以上為0分。

2.4" 直流負(fù)荷

據(jù)實(shí)填報(bào)基站現(xiàn)場(chǎng)直流負(fù)荷。該項(xiàng)指標(biāo)用于計(jì)算不實(shí)際評(píng)分。

2.5" 站址類型

機(jī)房的站址類型有2類，分別是“機(jī)柜站”和“機(jī)房站”，據(jù)實(shí)填報(bào)。按照《中國(guó)鐵塔股份有限公司河南省分公司2022年度5G建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)（電源配套分冊(cè)）》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》）中的規(guī)定，機(jī)房站的后備時(shí)長(zhǎng)為3 h，機(jī)柜站的后備時(shí)間為1 h。該項(xiàng)指標(biāo)用于計(jì)算不實(shí)際評(píng)分。

2.6" 續(xù)航情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電池配置和用電負(fù)荷，確定電池當(dāng)前的續(xù)航能力。根據(jù)《意見(jiàn)》，綜合考慮機(jī)房空間、現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備功耗、新增5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗、運(yùn)營(yíng)商提出的后備時(shí)長(zhǎng)等因素確定磷酸鐵鋰電池的容量[2]。考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，以5G設(shè)備1 h、機(jī)房站3 h、機(jī)柜站1 h后備時(shí)長(zhǎng)配置電池容量。磷酸鐵鋰電池容量（Q）的簡(jiǎn)易計(jì)算公式如下

Q=K×a×（P1×T1×P2×T2）/51.2，

式中：K為安全系數(shù)，取1.25;a為溫度調(diào)整系數(shù)，寒冷、寒溫地區(qū)以1.25計(jì)，其他地區(qū)以1.0計(jì);P1和P2分別為一次、二次下電側(cè)通信設(shè)備工作實(shí)際功率，W;T1和T2分別為一次、二次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長(zhǎng)，h。鉛酸蓄電池容量（q）的簡(jiǎn)易計(jì)算公式如下

q=K×I×T/η[1+a（t-25）]，

式中：K為安全系數(shù)，取1.25;I為負(fù)荷電流，A;T為放電小時(shí)數(shù)，h;η為放電容量系數(shù);t為電池所在地的環(huán)境溫度數(shù)值，℃;a為電池溫度系數(shù)，當(dāng)放電小時(shí)率超過(guò)10時(shí)，取0.006，當(dāng)放電小時(shí)率在1～10之間時(shí)，取0.008，當(dāng)放電小時(shí)率不足1時(shí)，取0.01。如果所需容量大于等于現(xiàn)有電池總?cè)萘浚卷?xiàng)分值為100分;若小于標(biāo)準(zhǔn)，線性得分，即“（實(shí)際后備時(shí)長(zhǎng)-要求后備時(shí)長(zhǎng)）×100/要求后備時(shí)長(zhǎng)”。

2.7" 啟用年限

據(jù)實(shí)填報(bào)電池啟用年限。如果使用年限在6 a或以上，得100分;若使用年限滿1 a但不足6 a，線性得分，即“（使用年限-1）×100/5”;若使用年限不足1 a，得0分。

2.8" 設(shè)備性能

由第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)蓄電池組進(jìn)行測(cè)評(píng)，得出電池實(shí)際性能。如果測(cè)評(píng)結(jié)果顯示電池達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，得100分;剩余容量小于標(biāo)稱容量60%的，按報(bào)廢處理;達(dá)不到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告或運(yùn)維大數(shù)據(jù)分析與專家決策平臺(tái)實(shí)測(cè)容量與標(biāo)稱容量比值線性得分，比值越低，得分越高。計(jì)算公式為“（標(biāo)稱容量-實(shí)際容量）×100/標(biāo)稱容量”;如果實(shí)際容量超過(guò)標(biāo)稱容量，得0分。

2.9" 站址等級(jí)

在發(fā)生斷電情況后，站址等級(jí)的高低直接決定了影響范圍的大小，高等級(jí)站的影響面更大[3]。參照鐵塔內(nèi)部基站等級(jí)劃分結(jié)果，對(duì)于高等級(jí)站，得100分;對(duì)于非高等級(jí)站，得60分。

2.10" 租戶數(shù)量

在發(fā)生斷電情況后，租戶數(shù)量的多少直接決定了影響范圍的大小，租戶數(shù)量越多則影響面越大。租戶數(shù)量在3家及以上的，得100分;2家得80分，1家得40分。

2.11" 機(jī)房溫度

正常情況下，機(jī)房溫度應(yīng)控制在10～28 ℃;安裝耐高溫電池的機(jī)房，可適當(dāng)提升溫度上限，但是最高不得超過(guò)35 ℃。如果機(jī)房實(shí)際溫度在10～28 ℃區(qū)間內(nèi)，得0分;如果低于10 ℃或超過(guò)28 ℃的，均得100分。

2.12" 斷電頻次

統(tǒng)計(jì)1年中機(jī)房的斷電次數(shù)，精確到小數(shù)點(diǎn)后2位。如果平均每月斷電次數(shù)在4次及以上，則判定為頻繁斷電，得100分。平均每月斷電次數(shù)不足4次的，線性得分，即“月均斷電次數(shù)×100/4”。

2.13" 斷電時(shí)長(zhǎng)

統(tǒng)計(jì)1年中機(jī)房的斷電時(shí)間，精確到小數(shù)點(diǎn)后2位。如果每月斷電時(shí)長(zhǎng)達(dá)到2 h或更長(zhǎng)，則判定為較為突出，得100分。平均每月斷電時(shí)長(zhǎng)不足2 h的，線性得分，即“月均斷電時(shí)長(zhǎng)×100/2”。

2.14" 油機(jī)配置

根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)于三類市電，山區(qū)的移動(dòng)通信基站宜每5個(gè)站配置1臺(tái)移動(dòng)發(fā)電機(jī)，平原的移動(dòng)通信基站宜每10個(gè)站配置1臺(tái)移動(dòng)發(fā)電機(jī)，在電力資源供應(yīng)緊張或交通不便的地區(qū)可適當(dāng)調(diào)整。如果每10個(gè)站配置的油機(jī)臺(tái)數(shù)不足1臺(tái)，得100分;如果超過(guò)2臺(tái)，得0分;在1～2臺(tái)之間的線性得分。

2.15" 到站時(shí)長(zhǎng)

將到站時(shí)長(zhǎng)與后備時(shí)長(zhǎng)做對(duì)比，如果到站時(shí)長(zhǎng)小于后備時(shí)長(zhǎng)，得0分;反之得100分。

2.16" 充放電維護(hù)

為延長(zhǎng)電池使用壽命和保證電池工況良好，需要定時(shí)進(jìn)行電池的充放電維護(hù)。根據(jù)維護(hù)對(duì)象和維護(hù)內(nèi)容的不同，維護(hù)周期也有差異。

對(duì)于閥控式密封蓄電池，維護(hù)內(nèi)容與維護(hù)周期如下。

①需要每月開(kāi)展1次的項(xiàng)目。電池室的清潔維護(hù)，測(cè)量和記錄電池室內(nèi)的環(huán)境溫度，全面清潔蓄電池并進(jìn)行端子、極柱、外殼、連接條和安全閥的物理外觀檢查，測(cè)量和記錄電池系統(tǒng)的總電壓與浮充電流、單體端電壓。②需要每季度開(kāi)展1次的項(xiàng)目。單體電池內(nèi)阻測(cè)量，檢查是否達(dá)到充電條件（如果達(dá)到需要進(jìn)行均勻充電），檢查引線與端子的基礎(chǔ)情況，檢查饋電母線、電纜及軟連接頭等各連接部位的連接是否可靠，并測(cè)量壓降。③需要每半年開(kāi)展1次的項(xiàng)目。核對(duì)性放電試驗(yàn)（UPS使用的6 V和12 V電池）。④需要每年開(kāi)展1次的項(xiàng)目。核對(duì)性放電試驗(yàn)（2 V電池）。⑤需要每3年開(kāi)展1次的項(xiàng)目。儀表校正和容量測(cè)試[4]。

對(duì)于磷酸鐵鋰電池，維護(hù)內(nèi)容與維護(hù)周期如下。

①需要每月開(kāi)展1次的項(xiàng)目。電池室的清潔維護(hù)，測(cè)量和記錄電池系統(tǒng)的總電壓、浮充電流和單體端電壓，全面清潔蓄電池并進(jìn)行端子、外殼的物理外觀檢查，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控檢查電池電壓、容量是否正常，電池及環(huán)境溫度是否正常，BMS電池各項(xiàng)管理功能是否正常。②需要每季度開(kāi)展1次的項(xiàng)目。測(cè)量單體電池內(nèi)阻，檢查告警功能，檢查接線是否良好，檢查開(kāi)關(guān)、接觸器件是否可靠接觸，檢查指示燈狀態(tài)是否正常，檢查電池組浮充電壓是否正常，斷開(kāi)交流電后檢查電池組是否正常放電并讀取放電狀態(tài)數(shù)據(jù)和負(fù)載電流大小，放電后再合上交流電并檢查電池組能否正常充電。③需要每年開(kāi)展1次的項(xiàng)目。核對(duì)性容量試驗(yàn)和校正儀表。④需要每3年開(kāi)展1次的項(xiàng)目。容量試驗(yàn)。

如果滿足維護(hù)章程，得0分;如果不滿足維護(hù)章程的，得100分。

2.17" 設(shè)備設(shè)置

正常情況下，電池容量配置必須與電池的實(shí)際配置容量保持相同。在配置正常的情況下，持續(xù)充電10 h左右可以讓電池達(dá)到滿電狀態(tài)，如果容量配置偏低或者限流參數(shù)配置過(guò)低，將會(huì)導(dǎo)致電池的充電時(shí)間變長(zhǎng)。如果在沒(méi)有充滿電的情況下再次停電，將有概率使電池過(guò)放和備電時(shí)長(zhǎng)不足，電池容量隨之下降。

在蓄電池的運(yùn)行中，環(huán)境溫度、放電深度、充放電流、容量配置和定期維護(hù)等因素都會(huì)在一定程度上影響電池的壽命[5]。開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)具有多項(xiàng)電池管理功能，如溫度補(bǔ)償、周期均沖、欠壓保護(hù)告警和充電智能限流等。根據(jù)《規(guī)范》，直流供電系統(tǒng)采用在線充電方式“全浮充制”運(yùn)行。對(duì)于電池的浮充電壓、均衡充電電壓、初充電電壓等參數(shù)，要根據(jù)蓄電池的類型和通信設(shè)備端子電壓要求計(jì)算確定，具體見(jiàn)表1。

3" 指標(biāo)的權(quán)值分配

在明確了電池容量測(cè)評(píng)模型的一級(jí)和二級(jí)指標(biāo)后，還要對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)分配權(quán)值，分配結(jié)果見(jiàn)表2。

4" 電池容量測(cè)評(píng)模型的應(yīng)用情況

對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)分配權(quán)值后，計(jì)算二級(jí)指標(biāo)和一級(jí)指標(biāo)的綜合分值，評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表3。

在綜合評(píng)分中，電池的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下：①得分為100分，為A級(jí)電池，報(bào)廢入庫(kù)，需要及時(shí)更換;②得分小于100分，但是大于等于80分，為B級(jí)電池，需要擴(kuò)容;③得分小于80分但是大于等于60分，為C級(jí)電池，需要整改;④得分小于60分，為D級(jí)電池，加強(qiáng)維護(hù)。

由表3可知，電池容量測(cè)評(píng)模型的評(píng)分結(jié)果為29.96分，按照上述評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)屬于“D”級(jí)電池，下一步要加強(qiáng)維護(hù)和密切監(jiān)測(cè)，保證在電池出現(xiàn)不良工況時(shí)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并整改。

5" 結(jié)束語(yǔ)

本文基于影響電池使用壽命的主要因素，設(shè)計(jì)了電池容量測(cè)評(píng)模型，該模型分別選取了電池類型、續(xù)航情況、租戶數(shù)量、斷電頻次和設(shè)備設(shè)置等17項(xiàng)指標(biāo)，并進(jìn)行權(quán)值分配，然后對(duì)蓄電池的實(shí)際表現(xiàn)作出評(píng)分。根據(jù)最終評(píng)分評(píng)定電池所屬等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)著不同的管理策略，從而指導(dǎo)下一步電池管理工作的開(kāi)展。本文選擇的研究對(duì)象最終評(píng)分為29.96分，屬于D級(jí)，對(duì)應(yīng)的管理策略為加強(qiáng)維護(hù)。今后要按照維護(hù)章程做好檢查、養(yǎng)護(hù)等工作，使蓄電池保持良好工況，延長(zhǎng)使用壽命。

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第一作者簡(jiǎn)介：張琳（1986-），女，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橥ㄐ烹娫础?/p>