基于通信匯聚機房站點鐵鋰電池節能應急供電

陳鎮波

（中國移動通信集團廣東有限公司 揭陽分公司，廣東 揭陽 522000）

0 引 言

隨著5G的建設大潮，基站機房需求大增，為了節能減排，規劃基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）設備集中部署，可以減少基站機房數量所帶來的大量配套耗能。取而代之建設業務匯聚機房，存放安裝BBU、切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）接入設備以及家集客光纜終端設備（Optical Line Terminal，OLT）等。一個普通地市部署300～400多個業務匯聚機房，其中租賃機房占多數，一旦停電，為保證業務的不間斷，就需使用汽油發電機組進行發電。在碳中和的背景下，儲能設備是一個趨勢，將一種能量形式用同一種或者轉換成另一種能量形式存儲起來，基于未來應用需要以特定能量形式釋放出來。在通信業務匯聚機房，可利用鐵鋰電池儲能設備在機房停電時應急供電，減少油機的使用頻次，減少碳排放，降低噪聲污染，又可以充分利用電價低谷時段充電。

業務匯聚機房用于單個或多個微網格內業務收斂的匯聚節點，作為無線C-RAN BBU的集中部署節點，家集客OLT的部署節點。市電供電方式要求不得低于3類市電供電，容量不低于25 kW[1]。業務匯聚機房一般部署3～4個機架，負載約55 A，停電后用10 kW發電機發電，為節省油費，不帶空調負載，降低油機負載率。隨著儲能設備的運用，特別是鐵鋰電池，性能越來越穩定，電池的密度也越來越高。通信鐵鋰電池，一般使用48 V/50 AH或者48 V/100 AH，每個電池組內部由16只3.2 V電池單體串聯組成，并配置電池管理系統（Battery Management System，BMS）進行電池充放電管理。鐵鋰電池在不同放電電流和溫度下放電，放電容量變化不大，前期電壓穩定在49 V以上，對供電回路產生電壓降影響不明顯，且循環壽命較長。根據行業標準，電池組的循環壽命不少于1 000次[2]。

利用鐵鋰電池替代汽油發電機，電能輸送給交流配電箱，再到組合式開關電源，從而為機房業務設備提供可靠電源，鐵鋰電池應急供電方式如圖1所示。

圖1 鐵鋰電池應急供電方式

1 鐵鋰電池供電原理

組合式開關電源有穩定的48 V電源輸出，就可以保證OLT等設備的不間斷供電。開關電源的主要器件為整流模塊，如艾默生開關電源系列PS48600的整流模塊型號為RU2900。

整流模塊主要由交流輸入濾波器、輸出整流濾波器、功率變換電路、保護電路以及輔助電源等幾部分組成。主要電路拓撲如圖2所示，交流輸入電壓經電網濾波、橋式整流得到直流電壓，通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經高頻變壓器隔離變換，輸出高頻交流電壓，最后經過輸出整流濾波電路，得到需要的直流電壓。

圖2 電源模塊主電路拓撲

主電路的3個主要組成部分為EMI濾波器、橋式整流濾波以及功率變換電路。EMI濾波器一方面可以抑制電網上的電磁干擾，另一方面也可抑制本身產生的電磁干擾。橋式整流濾波市電經濾波后，再經全橋整流濾波，可得到300 V左右的高壓直流。功率變換電路中，300 V高壓直流電送入功率變換器，將高壓直流電轉變為高頻交流脈沖電壓或脈動直流電，再經變壓器降壓，最后經輸出整流濾波得到所需的低壓直流電[3]。

將整流模塊的交流輸入改變成直流輸入，不必對開關電源進行改造，電源模塊仍可正常工作。輸入電路如圖3（a）所示，交流電的正負半周分別在兩個相對的二極管導通，并在電容上形成脈沖直流電。不同類型電源輸入的電容電壓波形如圖3（b）所示，電壓波形更加平穩，不存在無功部分，降低功率因數[4]。以直流的鐵鋰電池替代交流發電機組，組合式開關電源同樣能正常工作。

圖3 整流模塊全橋整流輸入電路

2 鐵鋰電池供電性能

下面對鐵鋰電池供電的整流模塊限功率、電壓降、發電機供電對比進行闡述。根據《PS48400-3/2900& PS48600-3/2900電源系統技術手冊》，開關電源的交流輸入參數如表1所示，只要輸入電壓在85 V以上，整流模塊就可以工作[5]。通信用每塊鐵鋰電池電壓約為50 V，因此可串聯成100 V、150 V、200 V以及250 V，另外因為交流輸入等效電壓為220 V，所以此處暫不考慮250 V直流輸入情況。但當電壓小于176 V時，電源模塊將限制輸出。

表1 開關電源交流輸入參數

整流模塊輸出功率與輸入電壓關系如圖4所示，輸入電壓為100 V時，輸出功率達到額定功率的32.15%，輸入電壓為150 V時，輸出功率達到額定功率的76.81%，輸入電壓為200 V時，輸出功率達到額定功率的100%。考慮電壓等級及模塊功率輸出，建議使用3只50 V鐵鋰電池串聯成150 V，實際電壓為162 V，輸出功率為額定功率的87.49%。如過組合式開關電源的負載電流為55 A，那么現場啟用兩個50 A的整流模塊，則負載可以正常工作。3只50 AH的鐵鋰電池應急供電，考慮15%損耗，放電時長約2.5 h。如用6只并聯成兩組，放電時長為5 h，可滿足應急場景需求。

圖4 整流模塊輸出功率與電源輸入電壓關系

電壓降的公式為：

式中，L為電纜長度，ρ為電阻率，A為電纜截面積，I為電流。電纜長度約取30 m，參照發電機供電，布放4×6（截面積A為6 mm2）的銅線電纜，使用其中兩芯，開關電源的負載電流為50 A，電纜輸入電流I約為18 A，銅電阻率取0.0185Ω·mm2/m計算。當電池電壓為149 V時，電源端輸入電壓為145.67 V，仍在開關電源的輸入電壓工作范圍內，整流模塊輸出限功率在70%以上，可正常工作。

鐵鋰電池在25 ℃下的放電曲線如圖5所示，在0.1C到1C的放電電流下，電池容量下降80%后，電池電壓仍在48 V以上，電池具有良好的放電平臺。如0.5C的放電電流，電池容量下降80%，單只電池電壓約為49 V，3只串聯的電壓為147 V。若長度達到60 m，壓降約為6 V，仍在141 V左右，整流模塊的限流輸出約70%，此時開啟兩個額定電流為50 A的模塊仍可滿足負載需求。

圖5 鐵鋰電池在25 ℃下的放電曲線

發電機發電及鐵鋰供電對比，汽油燃油消耗約200 g/（kW·h），發電費用約1.4元/（kW·h），而業務匯聚機房屬于商業用電，電價為0.7元（kW·h），可節省一半費用。另外，發電機發電噪聲較大，風冷式一般在100多分貝，在居民區、夜間發電，存在擾民的現象，而鐵鋰供電則無此現象。再者，發電機的尾氣排放存在一定的中毒安全隱患，在密閉空間發電可能會產生CO氣體，而鐵鋰供電也無此問題。

3 鐵鋰電池供電實踐

按照上面圖1所示的供電方式，選取一個業務匯聚機房，電源為中興開關電源，直流設備的電流為71.3 A。選用3只50 A的雄韜鐵鋰電池，如圖6（a）所示進行串聯，電壓為152.63 V，正極連接AC相輸入B相，負極連接零線，把機房內除開關電源外空調負載、照明負載的空氣開關均分閘，合上電池開關，開啟開關電源B相對應的3個模塊，浮充電壓停電后由49 V上升到51.5 V，如圖6（b）所示，電池放電電流為零，說明鐵鋰電池可通過此方式應急供電。

圖6 現場鐵鋰供電照片

4 結 語

隨著儲能設備的應用不斷的深入，特別是鐵鋰電池，具備綠色、環保、低碳等優勢。在技術與市場的協同發展中，鐵鋰電池的密度已達到200 W/kg，密度越來越大，單位儲能也在不斷增大，便攜性則越來越好。5G快速發展，站點功耗倍增，因此需要能量密度更高的儲能系統，鐵鋰電池正當其時。充分利用分時峰谷電價錯峰降低電費，應急供電便利性快速應急供電，鐵鋰電池成本持續下降，通信匯聚機房節能應急供電方式前景更適用時代的發展。