基于通信汇聚机房站点铁锂电池节能应急供电

陈镇波

（中国移动通信集团广东有限公司 揭阳分公司，广东 揭阳 522000）

0 引 言

随着5G的建设大潮，基站机房需求大增，为了节能减排，规划基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）设备集中部署，可以减少基站机房数量所带来的大量配套耗能。取而代之建设业务汇聚机房，存放安装BBU、切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）接入设备以及家集客光缆终端设备（Optical Line Terminal，OLT）等。一个普通地市部署300～400多个业务汇聚机房，其中租赁机房占多数，一旦停电，为保证业务的不间断，就需使用汽油发电机组进行发电。在碳中和的背景下，储能设备是一个趋势，将一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来。在通信业务汇聚机房，可利用铁锂电池储能设备在机房停电时应急供电，减少油机的使用频次，减少碳排放，降低噪声污染，又可以充分利用电价低谷时段充电。

业务汇聚机房用于单个或多个微网格内业务收敛的汇聚节点，作为无线C-RAN BBU的集中部署节点，家集客OLT的部署节点。市电供电方式要求不得低于3类市电供电，容量不低于25 kW[1]。业务汇聚机房一般部署3～4个机架，负载约55 A，停电后用10 kW发电机发电，为节省油费，不带空调负载，降低油机负载率。随着储能设备的运用，特别是铁锂电池，性能越来越稳定，电池的密度也越来越高。通信铁锂电池，一般使用48 V/50 AH或者48 V/100 AH，每个电池组内部由16只3.2 V电池单体串联组成，并配置电池管理系统（Battery Management System，BMS）进行电池充放电管理。铁锂电池在不同放电电流和温度下放电，放电容量变化不大，前期电压稳定在49 V以上，对供电回路产生电压降影响不明显，且循环寿命较长。根据行业标准，电池组的循环寿命不少于1 000次[2]。

利用铁锂电池替代汽油发电机，电能输送给交流配电箱，再到组合式开关电源，从而为机房业务设备提供可靠电源，铁锂电池应急供电方式如图1所示。

图1 铁锂电池应急供电方式

1 铁锂电池供电原理

组合式开关电源有稳定的48 V电源输出，就可以保证OLT等设备的不间断供电。开关电源的主要器件为整流模块，如艾默生开关电源系列PS48600的整流模块型号为RU2900。

整流模块主要由交流输入滤波器、输出整流滤波器、功率变换电路、保护电路以及辅助电源等几部分组成。主要电路拓扑如图2所示，交流输入电压经电网滤波、桥式整流得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，得到需要的直流电压。

图2 电源模块主电路拓扑

主电路的3个主要组成部分为EMI滤波器、桥式整流滤波以及功率变换电路。EMI滤波器一方面可以抑制电网上的电磁干扰，另一方面也可抑制本身产生的电磁干扰。桥式整流滤波市电经滤波后，再经全桥整流滤波，可得到300 V左右的高压直流。功率变换电路中，300 V高压直流电送入功率变换器，将高压直流电转变为高频交流脉冲电压或脉动直流电，再经变压器降压，最后经输出整流滤波得到所需的低压直流电[3]。

将整流模块的交流输入改变成直流输入，不必对开关电源进行改造，电源模块仍可正常工作。输入电路如图3（a）所示，交流电的正负半周分别在两个相对的二极管导通，并在电容上形成脉冲直流电。不同类型电源输入的电容电压波形如图3（b）所示，电压波形更加平稳，不存在无功部分，降低功率因数[4]。以直流的铁锂电池替代交流发电机组，组合式开关电源同样能正常工作。

图3 整流模块全桥整流输入电路

2 铁锂电池供电性能

下面对铁锂电池供电的整流模块限功率、电压降、发电机供电对比进行阐述。根据《PS48400-3/2900& PS48600-3/2900电源系统技术手册》，开关电源的交流输入参数如表1所示，只要输入电压在85 V以上，整流模块就可以工作[5]。通信用每块铁锂电池电压约为50 V，因此可串联成100 V、150 V、200 V以及250 V，另外因为交流输入等效电压为220 V，所以此处暂不考虑250 V直流输入情况。但当电压小于176 V时，电源模块将限制输出。

表1 开关电源交流输入参数

整流模块输出功率与输入电压关系如图4所示，输入电压为100 V时，输出功率达到额定功率的32.15%，输入电压为150 V时，输出功率达到额定功率的76.81%，输入电压为200 V时，输出功率达到额定功率的100%。考虑电压等级及模块功率输出，建议使用3只50 V铁锂电池串联成150 V，实际电压为162 V，输出功率为额定功率的87.49%。如过组合式开关电源的负载电流为55 A，那么现场启用两个50 A的整流模块，则负载可以正常工作。3只50 AH的铁锂电池应急供电，考虑15%损耗，放电时长约2.5 h。如用6只并联成两组，放电时长为5 h，可满足应急场景需求。

图4 整流模块输出功率与电源输入电压关系

电压降的公式为：

式中，L为电缆长度，ρ为电阻率，A为电缆截面积，I为电流。电缆长度约取30 m，参照发电机供电，布放4×6（截面积A为6 mm2）的铜线电缆，使用其中两芯，开关电源的负载电流为50 A，电缆输入电流I约为18 A，铜电阻率取0.0185Ω·mm2/m计算。当电池电压为149 V时，电源端输入电压为145.67 V，仍在开关电源的输入电压工作范围内，整流模块输出限功率在70%以上，可正常工作。

铁锂电池在25 ℃下的放电曲线如图5所示，在0.1C到1C的放电电流下，电池容量下降80%后，电池电压仍在48 V以上，电池具有良好的放电平台。如0.5C的放电电流，电池容量下降80%，单只电池电压约为49 V，3只串联的电压为147 V。若长度达到60 m，压降约为6 V，仍在141 V左右，整流模块的限流输出约70%，此时开启两个额定电流为50 A的模块仍可满足负载需求。

图5 铁锂电池在25 ℃下的放电曲线

发电机发电及铁锂供电对比，汽油燃油消耗约200 g/（kW·h），发电费用约1.4元/（kW·h），而业务汇聚机房属于商业用电，电价为0.7元（kW·h），可节省一半费用。另外，发电机发电噪声较大，风冷式一般在100多分贝，在居民区、夜间发电，存在扰民的现象，而铁锂供电则无此现象。再者，发电机的尾气排放存在一定的中毒安全隐患，在密闭空间发电可能会产生CO气体，而铁锂供电也无此问题。

3 铁锂电池供电实践

按照上面图1所示的供电方式，选取一个业务汇聚机房，电源为中兴开关电源，直流设备的电流为71.3 A。选用3只50 A的雄韬铁锂电池，如图6（a）所示进行串联，电压为152.63 V，正极连接AC相输入B相，负极连接零线，把机房内除开关电源外空调负载、照明负载的空气开关均分闸，合上电池开关，开启开关电源B相对应的3个模块，浮充电压停电后由49 V上升到51.5 V，如图6（b）所示，电池放电电流为零，说明铁锂电池可通过此方式应急供电。

图6 现场铁锂供电照片

4 结 语

随着储能设备的应用不断的深入，特别是铁锂电池，具备绿色、环保、低碳等优势。在技术与市场的协同发展中，铁锂电池的密度已达到200 W/kg，密度越来越大，单位储能也在不断增大，便携性则越来越好。5G快速发展，站点功耗倍增，因此需要能量密度更高的储能系统，铁锂电池正当其时。充分利用分时峰谷电价错峰降低电费，应急供电便利性快速应急供电，铁锂电池成本持续下降，通信汇聚机房节能应急供电方式前景更适用时代的发展。