通信基站智能共享型電池供電系統(tǒng)設計

黃顯良

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 技術研究背景

傳統(tǒng)的基站供備電系統(tǒng)利用開關電源和電池獨立給基站供備電。其中，開關電源給電池充電的同時給負載供電。電池固定安裝在特定機柜或機架上，二次拆裝耗時費力，而且基站網(wǎng)管中心平臺只能監(jiān)控與管理到各個基站機房內(nèi)部動環(huán)監(jiān)控所遙控、遙信及遙測信息，各個基站之間沒有系統(tǒng)性的相互監(jiān)控和位置信息共享等信息交互功能?；緞迎h(huán)監(jiān)控和網(wǎng)管中心平臺也無法與其他平臺或者設備進行互聯(lián)。

傳統(tǒng)電動車主用動力電池供電，并沒有備份蓄電池部件，車輛運行到動力電池低壓下電即無法再行駛，可能導致在半路宕機，而且動力電池多次低壓下電容易導致電池快速老化。電動車更換電池需遠距離拖車到維修店、4S店或遠程呼叫現(xiàn)場救援進行，且每輛車均為獨立的個體，沒有統(tǒng)一的網(wǎng)管對車輛狀態(tài)和車輛位置信息等進行監(jiān)控與管理，無組網(wǎng)功能，無形中增加了時間成本與動力電池更換成本[1]。

傳統(tǒng)應急發(fā)電車關鍵組成部件為移動發(fā)電機，其缺乏對車輛狀態(tài)和車輛位置等信息進行統(tǒng)一監(jiān)控與管理的網(wǎng)管系統(tǒng)，且無組網(wǎng)功能。傳統(tǒng)的基站供備電系統(tǒng)、電動車與應急發(fā)電系統(tǒng)等之間無相互交互位置信息、蓄電池剩余容量以及供備電狀態(tài)等監(jiān)測等功能，各部件（系統(tǒng)）相互獨立，無法實現(xiàn)共享供備電。因此，新設計一種可與電動車、應急發(fā)電車互換電池的基站智能共享供備電系統(tǒng)，即在有帶備電蓄電池的基站、有儲能電池的應急發(fā)電車等系統(tǒng)上，通過換電柜中的蓄電池打包，換成可隨時更換的電池pack（即插即用，支持熱插拔），從而可實現(xiàn)共享供備電等功能。

電池pack可直接應用在動力電池型應急發(fā)電車與普通型電動車之間、基站動環(huán)監(jiān)控、網(wǎng)管中心與應急發(fā)電車之間進行實時位置及狀態(tài)、供備電參數(shù)信息等信息交互。當基站、應急發(fā)電車或電動車等中的任何一處發(fā)生電池低壓告警時，系統(tǒng)網(wǎng)管中心即可發(fā)送電池低壓告警設備的地理位置信息，到最接近的維修終端門店，并自動進行開門授權和更換授權等換電流程操作。維修終端門店即可派員到現(xiàn)場執(zhí)行電池更換等與業(yè)務，避免電動車等遠距離行駛到維修店/4S店或者遠程呼叫現(xiàn)場救援，從而解決電池更換成本問題，且可延長蓄電池壽命，讓常年“閑置”的蓄電池得到充分利用?；局悄芄蚕砉﹤潆娤到y(tǒng)主要是滿足個人電動車、快遞業(yè)務電動車、老年代步車以及新能源汽車等對電池的續(xù)航和更換需求，在電動車換電行業(yè)中具有較好應用前景[2]。

2 通信基站智能共享供備電系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)總框架

通信基站智能共享供備電系統(tǒng)主要由基站開關電源、基站備電電池pack、基站動環(huán)監(jiān)控、基站通信模塊、網(wǎng)管（中心）平臺、帶應急發(fā)電車儲能電池及通信模塊的應急發(fā)電車、帶動力電池及通信模塊的電動車等構成，系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 通信基站智能共享供備電系統(tǒng)

2.2 技術設計方案

設計的基站智能共享供備電系統(tǒng)可實現(xiàn)應急發(fā)電車、電動車、基站之間的相互儲能和備電共享，有效解決傳統(tǒng)基站供備電系統(tǒng)、應急發(fā)電系統(tǒng)以及電動車供備電系統(tǒng)之間無法組網(wǎng)的問題。

基站通常包含若干（1到N）個基站，各個基站內(nèi)放置若干（1到N）個動力鋰電池（組），另外還包括基站開關電源、基站電池柜、電源監(jiān)控模塊以及直流配電模塊等。開關電源與放置在各個基站內(nèi)的基站備電電池pack相連接，電源監(jiān)控模塊與基站動環(huán)監(jiān)控相連接，可將供備電所有狀態(tài)及參數(shù)等信息實時上報給基站動環(huán)監(jiān)控，基站動環(huán)監(jiān)控再將所有信息傳輸?shù)骄W(wǎng)管中心平臺，同時基站動環(huán)監(jiān)控的通信模塊與網(wǎng)管中心平臺的通信模塊進行信息交互。

電動車的動力電池與電動車的主要用電部件，如電機、控制器、剎車以及車燈等進行連接，同時車輛控制器與通信模塊進行連接，實時進行車輛狀態(tài)及參數(shù)檢測信息的交互。應急發(fā)電車儲能電池與應急發(fā)電車的主要用電部件，如發(fā)電及充電控制管理裝置、電機、控制器、剎車、車燈等進行連接，同時與通信模塊實時進行車輛狀態(tài)及參數(shù)檢測信息信息交互?；尽㈦妱榆?、應急發(fā)電車以及網(wǎng)管平臺均分別通過通信模塊進行無線連接（如GPS、GPRS、4G以及5G等）組網(wǎng)?；緜潆婋姵胤胖迷诨倦姵毓駜?nèi)，電動車動力電池放置在電動車電池盒內(nèi)隨車而行，而應急發(fā)電車儲能電池放置在車后電池盒內(nèi)隨車而行[3]。

監(jiān)控模塊負責監(jiān)測基站電池柜、應急發(fā)電車以及電動車的電池（組）容量，通信模塊負責將電池容量信息發(fā)送至網(wǎng)管中心平臺，網(wǎng)管中心平臺負責統(tǒng)一管理，實現(xiàn)基站、應急發(fā)電車與電動車之間的供備電共享[4]。基站智能共享供備電系統(tǒng)技術原理如圖2所示。

圖2 基站智能共享供備電系統(tǒng)技術原理圖

2.3 基站智能共享供備電系統(tǒng)功能實現(xiàn)

基站智能共享供備電系統(tǒng)功能實現(xiàn)如圖3所示，網(wǎng)管平臺主要由數(shù)據(jù)服務器、端站數(shù)據(jù)采集器以及第二監(jiān)控模塊構成。備電電池、動力電池以及儲能電池盡量使用固態(tài)鋰電池（如磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池、錳酸鋰電池以及三元鋰電池等），液態(tài)鋰電池（目前未量產(chǎn)，仍在不斷摸索研發(fā)與制造）等帶有電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），其容量密度較高，且可大量并串?；尽卑l(fā)電車以及電動車等均通過網(wǎng)管平臺進行組網(wǎng)，實時發(fā)送地理位置、鋰電池容量以及掉電情況等實時信息，網(wǎng)管平臺利用電池管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對動力鋰電池充電容量、充電時間、發(fā)電容量、發(fā)電時間、電池電壓、電池電流、電池最高溫度、最低溫度、電池SOC、告警信息、四遙、充放電狀態(tài)、充電限流以及電池單體均衡保護等參數(shù)進行監(jiān)控和保護，并可有效管理電池運行信息采集、信息存儲以及計費信息等[5]?；倦姵毓裰饕ü耋w、開關電源、基站電池柜、第一監(jiān)控模塊（溫控模塊）以及設于柜體上的可充電電力輸出接口和應急發(fā)電輸入接口。應急發(fā)電車包括應急發(fā)電車車架、應急發(fā)電車動力鋰電池、應急發(fā)電車充電器以及應急發(fā)電車監(jiān)控模塊，電動車包括電動車車架、電動車動力鋰電池、電動車充電器以及電動車監(jiān)控模塊。此外，電動車動力鋰電池、應急發(fā)電車動力鋰電池以及各個基站內(nèi)的若干個動力鋰電池采用同種規(guī)格型號，方便更換和維修?；緞恿︿囯姵赝ǔ閭潆婋姵?，應急發(fā)電車電池一般為儲能電池，而電動車電池為常規(guī)動力電池。應急發(fā)電車動力電池和基站動力電池均可為動力退役電池[6]。

圖3 基站智能共享供備電系統(tǒng)構成及功能

基站開關電源的直流配電及電源監(jiān)控單元能對更換進基站后的基站備電電池pack、電動車動力電池以及應急發(fā)電車儲能電池進行正常充放電管理，即更換進來的蓄電池與基站原備電電池pack可共用，不會與基站內(nèi)未更換的基站備電電池pack產(chǎn)生倒灌和環(huán)流等現(xiàn)象，不會導致基站備電電池pack、電動車動力電池以及應急發(fā)電車儲能電池老化、故障或失效[7]。

各監(jiān)控模塊主要功能在于監(jiān)測基站、電動車以及應急發(fā)電車內(nèi)動力鋰電池的電池容量，一旦某個動力鋰電池電池容量低于監(jiān)控閥值，網(wǎng)管平臺將發(fā)出欠壓報警。假設某電動車電池欠壓，網(wǎng)管平臺的端站數(shù)據(jù)采集器FSU監(jiān)測到欠壓電動車具體位置后將相關位置信息發(fā)送至網(wǎng)管平臺，由網(wǎng)管平臺通過內(nèi)部數(shù)據(jù)信息分析判斷此欠壓電動車注冊授權信息。已經(jīng)注冊授權的，網(wǎng)管平臺及時利用手機等終端發(fā)送電池容量充足的基站位置或應急發(fā)電車位置等信息給車主，通知車主前往換電，同時發(fā)送信息給代維提醒授權管理。無注冊授權的，系統(tǒng)自動屏蔽且不做任何處理[8,9]。同理，基站、應急充電車電池出現(xiàn)欠壓狀況時，網(wǎng)管平臺同樣進行處理。

正常供電狀態(tài)下系統(tǒng)可實現(xiàn)市電對電池充電，市電失電模式狀態(tài)下可實現(xiàn)梯次利用電池儲能系統(tǒng)對通信機房內(nèi)設備進行供電。各監(jiān)控模塊可對供電系統(tǒng)的整流模塊、逆變模塊、電源轉換模塊、電池管理系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等進行信息監(jiān)控管理，監(jiān)控模塊采用串行數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡IP包實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的轉換和傳輸，實現(xiàn)擴展串口通信和遠程管理。系統(tǒng)具備接入IP監(jiān)控設備，能夠實現(xiàn)實時圖像監(jiān)控、照明控制、門禁管理以及紅外、溫濕度、煙感、水浸或防盜報警聯(lián)動等功能。另外，整個系統(tǒng)結合等電位設計思想，電磁兼容性能和防雷保護措施完備[10]。

3 結 論

基站智能共享供備電系統(tǒng)充分考慮了動力電池全生命周期應用情況，按照綠色環(huán)保設計理念，實現(xiàn)了基站、電動車以及應急發(fā)電車之間的電池共享復用和動力電池退役梯次利用。用戶或代維即可執(zhí)行最靠近位置更換，避免遠距離行駛到店換電或者遠程呼叫現(xiàn)場救援換電，解決了可能導致宕機、增加時間成本及電池更換成本的問題，且可延長蓄電池壽命，使得常年閑置的蓄電池得到充分利用，降低了蓄電池閑置率，將閑置轉為創(chuàng)收，綠色低碳，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟實惠，與民生互利互惠，節(jié)能減排。同時，無需等待應急發(fā)電，能夠快速完成低壓或掉電后的發(fā)電、備電及換電。