通信基站备电新技术应用与研究

付培良，李长雷，李尚，叶行方

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

2021 年，全国移动通信基站总数达 996 万个，全年净增 65 万个。其中，4G 基站达 590 万个，5G 基站为 142.5 万个，全年新建 5G 基站超 65万个。随着 5G 套餐正式商用与 5G 网络覆盖之间的错位，5G 套餐流量扩大 3 倍，但由于覆盖不完善，绝大部分流量事实上是通过 4G 网络实现，因此大量 4G 基站需通过扩容来实现业务量增加的需求。新建基站需要预留扩容空间，但由于场地、空间及利旧等各类因素的影响，备电电池必须占地空间小，而且可与铅酸电池混用，就催生了基站备电技术的进步和提升。如智能锂电、铅酸电池合路器技术均是在此背景下出现的（参见图1）。本文中，笔者主要针对此类设备的应用及技术特点展开讨论。

1 智能锂电技术

磷酸铁锂电池由于具有比能量高、循环寿命好的特点，可按标准化 19 英寸进行设计，越来越广泛地应用于通信领域。由于磷酸铁锂电池放电曲线平台同铅酸电池的不同（见图2），如果把铅酸电池与锂电池直接并联，就会造成电池组之间互相充放电（环流），使电池组电能效率降低，并且导致电池寿命提前终止。

图2 典型铅酸电池、锂电电池的放电曲线（10 小时率）

智能锂电技术主要是在普通磷酸铁锂电池的基础上，内部集成 DC-DC 器件，升级 BMS，使智能锂电池的输出电压可控，解决了不同电池组之间的环流问题，并且可以根据基站的备电场景要求，提前设置不同的应用模式。中国泰尔实验室采用以下方案验证智能锂电技术的应用效果：选择 1 组12 V 100 Ah 铅酸蓄电池和 1 组 48 V 75 Ah 智能锂电池共用。2 组电池直接并联于开关电源母排（不受控）。铅酸电池的输出端子并接于智能锂电池，且由智能锂电池接入开关电源母排（受控）。受控情况下的共同充电、共同放电和不受控状态下的共同充电、共同放电情况见表1。

表1 试验计划表

1.1 受控状态下限流放电

受控状态下的铅酸电池和锂电电池的放电电压、电流变化如图3所示。放电时铅酸电池组的电压曲线与锂电池组的电压曲线基本重合。2 组电池的电压同步下降，直至放电终止电压。铅酸电池和锂电池的电流在放电期间始终维持在设定的 0.3C，并直至放电结束。在受控状态下，实现了对铅酸、锂电的共同控制，符合基站使用预期。

图3 受控限流放电时锂电池与铅酸电池的电压、电流曲线

1.2 受控状态下共同充电

受控状态下铅酸电池和锂电池共同充电时的电压、电流变化见图4。铅酸电池的电压曲线和锂电池的电压曲线重合。铅酸电池和锂电池的电流各自限制在 0.1C。当电压上升至限制电压时铅酸电池的电流逐渐下降，锂电池的电流在维持一段时间后快速下降。这与铅酸电池、锂电池单独充电时的特征相似。2 组电池之间未出现由于电压平台不同使不同电池组间相互充电（环流）的情况，而且在恒压阶段各自电流维持在设定值，未出现不同电池组之间的相互干扰。

图4 受控 0.1C 共充时锂电池与铅酸电池的电压、电流曲线

1.3 受控状态下先后放电

2 组电池受控状态下锂电优先放电的电压、电流变化如图5所示。逻辑上控制锂电优先放电时，铅酸电池也会出现小电流放电，但是由于其电流较小，铅酸电池与锂电电池的电压同步下降。当锂电池的放电深度达到 85%时，锂电池的电流迅速下降，而铅酸电池的电流迅速上升，转由铅酸电池主放电。当铅酸电池放电深度达到 85%时，铅酸电池的电流下降，锂电池的电流上升。二者共同放电至终止电压，基本上实现了既定的控制策略。

图5 受控状态下先后放电时锂电池与铅酸电池的电压、电流曲线

1.4 不受控状态下共同充电

不受控状态下共同以 0.1C限流充电时铅酸电池和锂电池的电压、电流变化如图6所示。不受控共同充电时，铅酸电池的电压曲线与锂电池的电压曲线重合，二者的电压同步上升。充电前期锂电池的电流基本为 0 A，所以设备主要为铅酸电池充电。当铅酸电池的电流逐渐下降后，锂电池的充电电流逐渐增大。铅酸电池、锂电池各自的电流值比较杂乱，只能保持电流之和相对稳定。长期如此会对蓄电池自身性能造成一定影响。

图6 不受控共充时锂电池与铅酸电池的电压、电流曲线

1.5 不受控状态下共同放电

铅酸电池和锂电池在不受控情况下共同放电的电压、电流变化如图7所示。不受控共同放电时，铅酸电池的电压曲线和锂电池的电压曲线重合。二者的电压保持同步下降，但放电电流有较大波动。放电初期锂电池的电流较大，而铅酸电池的电流较小，而且二者的电流值基本处于不受控状态。这与图2 中二者的电压平台不同具有较大的关联性，基本上就是谁的电压高谁主放电。放电结束后，测量到 2 组电池间有小电流，即电池组之间出现了环流现象。

图7 不受控共放时锂电池与铅酸电池的电压、电流曲线

1.6 试验结果分析

从以上受控和不受控状态下 2 组电池充放电时电压、电流变化情况来看，智能锂电池在与铅酸电池并用时，可以实现对铅酸电池的控制，避免环流现象，同时可避免铅酸电池无规律大电流放电，起到保护铅酸蓄电池的作用，有效解决了基站场景中铅酸与锂电混用的要求。

2 电池共用管理器技术

相较于智能锂电技术重在解决铅酸电池和锂电池混用的难题，电池共用管理器技术在解决了铅酸电池与锂电池混用的基础上更加侧重于解决基站的扩容问题。电池共用管理器技术在设计上主要是在后备电池与开关电源母排之间架设 DC-DC 装置。加装 DC-DC 装置的数量决定了电池共用管理器的回路数量，即可以串接几组电池。电池共用管理器的结构示意图如图8所示。

图8 电池共用管理器组成方框图

由于配备了多个 DC-DC 控制回路，电池共用管理器可支持多路不同类型、型号、厂家、类别的电池共同使用，在基站扩容时可便捷地提升备电电池的容量，同时可预留一定的扩容空间。智能锂电技术的 DC-DC 控制回路集成在锂电池组自身内，支持与 1 组其它类型电池混用。电池共用管理器将多个 DC-DC 控制回路集成在一套设备内，支持多组电池共用。二者在原理上是共通的。

出于对成本控制的因素，电池共用管理器在控制策略上还存在通过 MOS 管的通断及调节脉冲占空比的方案来控制电池的充放电电流。但是，其在电流的精度控制上存在较大偏差，比双向 DC 控制方案差[1]。鉴于智能锂电与电池共用管理器的功能类似，在电池共用管理器的功能验证上不再赘述。

3 通信领域备电技术发展展望

通信领域备电技术随着电池技术和通信技术的发展一直处于发展的过程中，总结来讲具有以下趋势：

（1）控制精细化。传统的基站备电对电池的控制仅靠开关电源控制电池组的总电压和电流。现有的备电技术增加了 BMS、FSU 等，逐渐在加强对备电电池的监控与管理。除与电池自身的技术特点相关外，对电池的监控与管理越来越精细化[2]。

（2）设备模块化、一体化。由于传统铅酸电池体积大，重量比能量较低，占地空间相对较大，为节约用地，逐渐开发出了可放置于 19 英寸机柜的狭长型铅酸电池。后续在基站使用的磷酸铁锂电池、智能锂电池、电池合路器等均采用了 19 英寸设计，便于集成安装，模块化趋势明显。在新建的5G 基站中，电池与电源集成于一起，便于壁挂及抱杆安装，一体化趋势明显[3]。

（3）设备管控一体化。在通信基站，通信电源本身具有一定的控制功能，后备电池自身具有BMS 或其它监控设备，再加上智能锂电池或电池共用管理器的 DC-DC 控制系统，一些管控功能相对重复（如电压采集，充电参数设置等），同时管控系统相对分散在不同设备上。管控系统的增加会给系统的可靠性、稳定性带来一定影响，对追求高稳定性和高可靠性的通信基站带来风险[4-5]。未来，此类管控功能有望集成在一套系统上，增加后备系统的可靠性与稳定性。

4 总结

通过对智能锂电池的功能验证及其与电池共用管理器的对比分析可以看出，智能锂电技术和电池共用管理器技术可满足现阶段通信基站在扩容中遇到的不同类型电池混用场景，同时对存量巨大的基站余能利用有巨大的促进作用。DC-DC 技术可一定程度上提升电池的放电电压，在直流远供中具有一定的积极作用，可提升基站的电能利用效率，在现阶段具有较强的适应性。目前，这两种技术在基站中已逐渐开始推广应用。未来，随着通信技术和电池技术的发展，通信备电技术有望迎来新的发展，管控技术一体化、电池能量池化有望快速实现。