通信基站蓄电池的发展与应用

2023-09-09宋月敏

通信电源技术 2023年13期

宋月敏，梅峰

（中国铁塔股份有限公司新疆分公司，新疆乌鲁木齐 830011）

0 引言

移动通信基站是整个移动通信网络的基础，因此必须确保在各种条件下都能维持其所需的电力供应。其电源供电通常分为2 种，一种是电网的交流输入，另一种是蓄电池的直流输出。当市电电力供应中断时，常考虑利用基站的蓄电池提供电力保障。但是企业对蓄电池的不科学保养，会导致电池的容量迅速衰减，使用寿命缩短。这一问题已经引起有关部门的重点关注。用于移动基站的阀控式密闭铅酸蓄电池在复充使用时，其理论使用寿命一般为15 ～20 年，但由于受到环境温度、充放电频次、深度以及应用方式等因素的影响，实际使用寿命会存在较大差别，有些电池使用1 年后就发生退化，使用5 年以上的电池退化更加剧烈，与其理论使用寿命相差甚远。铅酸蓄电池比较稳定，密封性能较好，一般情况下不会对环境造成损害，但是铅酸蓄电池中含有许多对环境有不良影响的材料，对其制造及循环利用有很大影响。因此要想节约能源和保护环境，就需要延长蓄电池的使用周期，加大对新型蓄电池的研发和利用。

1 基站蓄电池概述

基站蓄电池组可以将电能和化学进行相互转化。对蓄电池进行充电时，电能转换成化学能存储在蓄电池中，而如果需要对蓄电池进行放电，电池中的化学能转换成特定电能，并提供给用电负荷。普通蓄电池通常由正极、负极、电解质、隔膜以及电池槽5 个部件构成。对于阀控式的铅酸电池，需配置一个泄压阀。在无线通信基站中，蓄电池可以保证整个系统的稳定与连续，且蓄电池能否发挥作用将会对整个通信网络的运作效能产生关键影响。因此，蓄电池既是整个通信系统的备用能源，又是一个可以实现平稳、过滤的协助体[1]。

2 基站蓄电池应用具体分析

2.1 选择

（1）应用寿命长。从经济效益来看，蓄电池的使用周期与通信装置的更换周期应设定一致，一般为10 年。蓄电池的使用寿命与蓄电池的工作环境和循环充放电的频次有很大关系，如果充放电的频率过高，则将会导致电池的使用寿命降低。

（2）安全性高。蓄电池电解质是一种极具腐蚀性的硫酸溶液。除此之外，对于封闭式蓄电池，在其进行电化学反应阶段产生的气体会使其内部压力增大，当压力达到某个极限，就会导致蓄电池爆炸，释放出一些有毒和腐蚀性的气体与液体，因此蓄电池需要具有优良的安全防爆性能。通常密封型蓄电池均配有安全阀和防酸板，该防酸板能够对蓄电池内部压力进行自我调整，同时具有液体阻隔、爆炸等作用。此外，蓄电池要具有安装方便、免维护以及低内阻等特点。

2.2 常见问题及解决措施

2.2.1 常见问题

（1）蓄电池漏液。蓄电池漏液一般与安全阀、极柱、槽盖等部分的热封或胶封处理不合格有关，另外在安装和运输过程中发生碰撞也会引起漏液。电池漏液的显著特征是液体外溢，或者有白色结晶聚积在构造裂缝处。蓄电池出现漏液时，需要立即进行替换，否则出现腐蚀设备、电池失水、高压系统漏电等安全问题。

（2）电压失衡。蓄电池的电压不均，即浮充电压不均，其原因有连接不当、浮充装置新旧混合等。针对这一点，蓄电池使用之前，必须仔细核对其连接部分及系统参数设定，确保正确并对电能进行均匀释放。通常新制电解槽要运转3 ～6 个月，以确保酸饱和度的均匀吸收。如果是在2.71 V 或者2.35 V 以下的浮充状态，就要注意电池电量，一旦发生任何意外失效，需要及时进行处理，避免带来不必要的损失。

（3）失火。蓄电池失火属于严重的事故，通常很少发生。蓄电池的连接条出现松动、高电压系统出现局部漏液、电池组局部短路以及雷击等，都有可能引起失火[2]。

（4）容量不足。蓄电池的储能容量不足会导致其实际使用周期远远达不到正常需求标准。产生这个现象的原因是基站停电，如频繁性停电、停电时间较长以及停电时间无规则等。在基站电源处于断停状态下，蓄电池会自动释放能量。蓄电池放电后，由于未得到及时充电，电池的充电能力会异常下降。导致出现这个现象的原因是蓄电池本身电源系统的结构性不足，在电池没有足够电力时，它的负极会发生盐化。在基站长时间断电阶段，蓄电池的容量将会大幅度衰减，最终达不到额定电量的80%，即电池报废。基站停电的这种情况很难控制，因此要求蓄电池厂商做出一些改变，如调节电池的参数以及工作环境，尽可能地确保在基站停电的情况下，蓄电池仍然可以正常进行充放电。

（5）鼓胀。蓄电池表面产生异常隆起，通常是受到内外部2 种干扰的综合表现。内部干扰包括组装压过高、外壳厚度过薄以及开阀压过高等；外部干扰包括环境温度过高、电池之间的安装间隙过小、充电限流过大、充电电压过高而且持续时间较长以及没有采取温度补偿措施等。一旦发生膨胀现象，就应该从内外2 个方面对电池进行全面检测，改善蓄电池的工作状态，并及时替换膨胀的电池。

2.2.2 解决措施

（1）健全基站机制。在基站的初期设计阶段，设计人员应当对其基站位置的实际供电线路和市电供应情况进行全面调查与勘测。根据项目需要，选择具有良好供电质量的电源线路，并根据基站期望操作结果制定合理的蓄电池容量，实现因地制宜，而不是对所有的基础电厂都采用一刀切。

（2）强化基站巡检。各地区都会发生经常性断电现象，因此必须安排蓄电池售后工作人员进行定时巡视，以便可以及时找到基站问题并进行处理。除此之外，要加强对售后维护人员的技术训练，让他们熟悉如何提升基站蓄电池的使用性能，如何延长电池的使用寿命，从而实现在最短时间内对基站中出现的普遍问题进行快速高效处理。

（3）调整基站电压。关于基站组合开关电源内电池欠压保护装置的电压值设定，需要以实际经验为依据进行具体调整，开关电源一次下电设置电压不小于46 V，二次下电设置电压不小于44 V。1/3I10 A 或更高的负荷电流符合标准，如果基站负荷电流低于1/3I10 A，就必须保证放电时间短于24 h。此设定方法的目的是增加蓄电池的欠压保护设定电压，从而可以有效防止蓄电池的过度放电。

（4）强化应急保障。在基站监测中心，要加强对基站工作状态的监测，并制定相应的应急预案。在基站停电发出预警后，应当立即安排基站维修人员进行发电，确保蓄电池在放电结束后可以第一时间对其进行充电，从而减少基站蓄电池在部分负荷状态下工作的可能性，有效防止蓄电池因过度放电而产生重大的结构损坏，增加维护费用。

（5）增加蓄电池的充入电量。基站市电经常发生故障，会导致蓄电池容量较小，其对策关键是增强蓄电池的充放电能力。第一，调节蓄电池的充电限流数值，将它从0.1C10 A 调节到0.15 ～0.2C10 A，并且将充电电压提高到2.33 V/h。需要注意，0.2C10A不能超过充电电流的上限。这种方式可以加快电池的充电速率，在充电初期增加电池的充电量。第二，针对断电频率高、断电持续时间长的基站，需调节断电状态下的平衡充电时间鉴别参数，可将原有调节值提高30%以上[3]。

2.3 环保应用

（1）移动通信基站铅酸蓄电池管理。当前基站蓄电池的使用过程一般会出现蓄电池容量下降严重、使用周期较低的问题，经过12 年的使用周期，容量为原先标称容量的30%～40%，而大部分基站蓄电池在运行14 年后，其容量仅为原先标称容量的50%，无法达到其预期使用寿命。通信基站蓄电池的应用主要出现了2 个问题：第一，基站数量众多，分布广泛，并且所处的环境温度等差异大，再加上各区域进行了大量的基础设施改造，基站掉电和供电不稳定的情况比较严重，导致了蓄电池的使用周期变短；第二，在蓄电池的应用过程中，没有在电池组退化早期及时地找到劣化电池，导致了蓄电池组综合退化的积累、加剧，最终导致电池的提前淘汰。因此必须强化对蓄电池的精细化管控，实现降低成本和延长蓄电池寿命的目的。

（2）基站温度的控制。移动基站的内部温度会影响蓄电池的使用寿命，因此要想对基站机房内部温度进行管控，就需要增加一个基站智能通风系统，有效解决因市电停电或空调故障而造成的气温过高问题。随着蓄电池组的温度变化对浮充电压进行同步设置，很多开关电源都具有对蓄电池组浮充电压自动调整的能力，然而目前网络中许多基站在安装开关电源时，并没有科学安装温度传感器，致使开关电源不能对蓄电池组进行正确设定，因此提出了在蓄电池组附近安装温度传感器的建议。

（3）蓄电池的更换活化。2 V 单电池在使用8年后，其电量低于标称电量的80%，可将其作为废品进行更换；12 V 单电池使用超过5 年后，其容量低于80%，可以更换。如果发生比较严重的物理损坏（外壳裂纹漏液、极板腐蚀损坏、极板短路、极板破损、膨胀变形严重等），可以直接丢弃，而剩余单体则需要进一步检测。蓄电池活化是对在正常使用条件下的浮充电池进行深度充放电循环和电解质活化的一种修复方式。若工作性能不小于80%，且符合操作品质，则可持续运转。当系统的各项性能参数不符合系统容量需求时，需要进行调整，退出网络，重新进行更新。

3 发展

3.1 锂电池进程加速

我国移动通信基站的备电大多采用铅酸蓄电池，这种蓄电池的使用寿命短、性能差，需要经常进行日常维护。相对于4G基站，5G基站的能源消耗是其2倍，同时5G 基站的小型化和轻型化特征对能源存储的要求越来越高，对电力供应的需求越来越大，而高安全性、长寿命以及低成本的磷酸铁锂电池在能量密度上可以不断突破，符合要求。5G基站能耗高导致供电费用高，锂电池可发挥其循环性能，减轻电网扩容对电网的依赖性，并采用分时峰谷电价进行错峰供电，进而降低电网的投资与运行费用。中国移动通信集团有限公司、中国联合网络通信有限公司、中国电信集团有限公司以及中国铁塔股份有限公司等加大了磷酸铁锂电池在通信行业的采购力度。

3.2 基站储能市场

5G 基站储能设备蕴含的庞大市场潜力，引起了各大电池厂商的关注。目前，在通信备用能源方面，除那些在通信备用能源方面有深耕的传统厂商之外，其他动力电池厂商也纷纷投入此产业。某知名企业于2022 年1 月与某市签署了5G 新能源产业园建设协议，该产业园以5G 通信用的磷酸铁锂为核心产品，年产7 GW·h，加上前期建设的一期工程，合计将达到10 GW·h 的规模，计划在2023 年第3 季度竣工[4,5]。

3.3 5G 基站储能释放

基站中的蓄电池是维持通信实现持续电力供应的重要装置。当电力供应处于正常状态下，蓄电池可以辅助电力供应的稳定和过滤，提高电力供应的质量；在电力供应不稳定或失效时，蓄电池可以作为后备电力供应。目前，微型基站、皮基站以及飞行基站均为直流电源，无电能存储装置。其中，宏基站具有最大的功率和覆盖面，但一般安装在户外，并要求有能量储存装置作为支撑。据中华人民共和国工业和信息化部公布的数字：2023年度5G基站将增加78万个，目前已建5G 基站有90 万个；电信联通正式启动5G基站共享共建，完成了66 万个5G 网络基站的建设。