鐵鋰電池如何正常使用下電功能研究

穆 贊，李楊明

（中國移動通信集團重慶有限公司,重慶 401121）

0 引 言

隨著5G及相關信息技術的高速發展，移動通信已經進入爆發式增長，移動基站的數量和規模也逐步加大。而磷酸鐵鋰電池在無線網基站中的規模應用，其安全性已獲得充分驗證，技術、經濟優勢愈加凸顯，生產、使用和報廢均不產生有毒有害物質。本文論述了在基站推廣磷酸鐵鋰電池的意義，淺析了基站維護中遇見的故障，提出了如何在使用鐵鋰蓄電池的基站正確使用一次下電功能。

1 磷酸鐵鋰蓄電池在基站推廣的意義

當前，通信基站使用的蓄電池大部分為鉛酸電池，隨著5G技術的發展，設備規模增加，峰值功耗將達到17.4～19.6 kW，則蓄電池配置也需相應增加，但受基站使用面積限制，若按照傳統鉛酸電池安裝面積要求，則無法滿足使用需求。通信基站配置情況如圖1所示。鉛酸蓄電池恒電流放電參數如表1所示。鐵鋰蓄電池恒電流放電參數如表2所示。蓄電池組的占地面積和重量如表3所示。

圖1 通信基站配置情況

由表1和表2比較：50 A負載放電5 h的情況下，需配置300 A·h鉛酸電池，而鐵鋰電池容量只需要200 A·h。從表3看出一組48 V/200（A·h）鐵鋰電池組與一組48 V/300（A·h） 鉛酸電池組在同樣的安裝方式下,前者占地面積是后者的59%,前者重量是后者的28%，這些情況均是當前移動基站發展需要重點考慮的方面。

表1 鉛酸蓄電池恒電流放電參數

表2 鐵鋰蓄電池恒電流放電參數

表3 蓄電池組的占地面積和重量

再結合電池的循環壽命、高溫性能、自放電率、充放電效率、環保等方面，鐵鋰蓄電池均優于鉛酸蓄電池，在通信基站大規模推廣具有較大的意義[1]。

2 如何正確使用磷酸鐵鋰蓄電池的一次下電功能

某省移動基站運維現狀：基站停電后的維護方式是采取自動派單應急發電模式，即外市電停電后，基站蓄電池放電，當電池電壓為47.8 V時系統自動產生發電工單，運維人員趕往基站發電，而通過實際運維過程中發現目前發電工單原則與鐵鋰電池放電特性不匹配[2]。

情況分析：基站運維人員收到發電工單后前往停電站點應急處理，途中發現使用磷酸鐵鋰蓄電池的站點在一次下電告警產生后，短時間之內傳輸業務中斷，無法開展正常的應急發電流程[3]。遂進行鐵鋰蓄電池的容量檢查，結果均未發現落后蓄電池且容量滿足保障需求。基于此，中國移動通信集團重慶有限公司對鐵鋰蓄電池的站點進行調研，按照其放電特性、一次電壓設置值、發現什么問題等3個方面進行分析。

2.1 兩種蓄電池放電特性

標準工況、同樣設備及負載情況下，分別對鉛酸和磷酸鐵鋰蓄電池進行10 h率放電測試，測試曲線如圖2所示。

圖2 放電曲線對比

與鉛酸蓄電池對比，磷酸鐵鋰電池早期放電電壓非常平穩，總電壓下降較為緩慢，放電后期（主要指剩余的20%容量）電壓變化較快,基本呈斷崖式下降。由此可知鉛酸與鐵鋰蓄電池放電特性差異較大。

2.2 蓄電池一次下電電壓值設置分析

2.2.1 一次下電功能

基站直流供電系統一次下電常規方式是按照電壓設置，當市電停電，蓄電池給基站數據設備、無線設備（AAU/BBU/RRU）和傳輸設備等供電，基站此時依然正常運行[4]。當電池電壓下降到開關電源設置的一次下電電壓時，開關電源斷掉數據設備、無線設備等供電，只保證傳輸設備供電，如圖3所示。

圖3 一次下電示意圖

2.2.2 鉛酸與鐵鋰蓄電池一次下電電壓值分析

根據實地檢查各使用鐵鋰蓄電池站點的開關電源一次電壓設置值，發現設置值基本為47 V，是按照鉛酸蓄電池的一次下電電壓值設置。從圖4看出，蓄電池電壓在47 V后，鐵鋰蓄電池電壓呈斷崖式下降，故一次下電告警產生后傳輸業務中斷較快[5]。

圖4 47V下兩類蓄電池剩余容量對比

基于此，需計算鐵鋰蓄電池最佳的一次下電電壓值。

蓄電池容量計算公式如下：

Q≥KIT/η[1+α（t-25）]

式中：Q為蓄電池容量A·h；K為安全系數；I為負荷電流（A）；T為放電小時數（h）；η為放電容量系數；t為實際電池所在地最低環境溫度值；α為電池溫度系數，1/℃。

當前常規5G基站傳輸負荷約15 A，有兩組200 A·h的鐵鋰蓄電池。在外市電停電后蓄電池容量需支撐傳輸業務約6 h以上，即需1.25×15 A×6 h/1=112.5 A·h（此處安全系數取1.25，且考慮10小時放電率，η=1）容量的蓄電池，兩組200 A·h的蓄電池，剩余容量為400 A·h×0.3=120 A·h滿足要求。由此可得，常規基站鐵鋰蓄電池剩余容量為30%以上時能滿足保障傳輸業務持續運行約6 h以上。

根據圖 5可以得出按照一次下電后電池至少有30%的容量，故鐵鋰電池一次下電電壓需設置為51 V。據此，某省移動也將發電工單觸發條件由原47 V調整為51 V。

圖5 剩余容量相同時電壓對比

2.3 使用鐵鋰蓄電池的站點如何完成一次電壓設置

2.3.1 開關電源功能滿足需求的站點

開關電源功能滿足需求的站點，可以在開關電源功能菜單的蓄電池管理中將鐵鋰蓄電池一次下電電壓值設置為51 V。

2.3.2 開關電源功能不滿足需求的站點

在調研各通信企業使用鐵鋰蓄電池的基站運行情況時，發現存在較大部分開關電源的監控單元設置一次下電的電壓參考的是鉛酸電池的特性，電壓設置值均不能高于49 V。而從圖1可以看出，在放電還未到49 V時，其容量就即將耗盡，導致一次下電的功能失去意義。由此需外置一次下電電壓控制裝置，如圖6所示。

圖6 與基站開關電源接線示意圖

外置控制裝置的工作原理：

（1）通過AD轉換器讀取各鐵鋰電池組的實時電壓數據；

（2）通過控制器可在本地設置一次下電電壓值，同時接入動環系統，也可以遠程設置一次下電電壓值；

（3）當鐵鋰蓄電池組放電至一次下電的電壓值時，控制裝置對開關電源的一次下電接觸器進行下電操作。

注意，為提高系統安全的冗余度，需對原開關電源的一次下電接觸器采用長通設計，裝置故障時不會影響基站設備的供電。

3 使用磷酸鐵鋰蓄電池的其他注意事項

（1）不同規格、不同型號、不同新舊程度的磷酸鐵鋰蓄電池禁止在同一直流供電系統中使用；

（2）必須配置電池能量管理（Battery Management System，BMS），BMS 應具有 RS232、RS485、RJ45或 USB 等標準通訊接口，支持蓄電池檢測裝置通信協議；

（3）多組電池并聯使用時，各 BMS 之間應具備通信功能并可以協同工作，由一個 BMS 與監控系統或開關電源通信；

（4）應具備休眠功能和休眠喚醒功能；

（5）應具備充電限流功能，并能控制電池組并聯充電環流和充電不均衡問題；

（6）必須配置溫度檢測裝置并具備完善的保護和告警功能，包括過充保護、過放保護、短路保護、過載保護、溫度保護等，并能通過標準協議、接口實時上傳至監控平臺；

（7）應保證環境溫度不低于-10 ℃。-10 ℃以下低溫環境充電易損壞電池，北方地區可配置加熱膜實現正常充電溫度。

4 結 論

隨著新建5G基站和原4G基站擴容5G設備的站點數量越來越大，磷酸鐵鋰蓄電池的部署規模也越來越大。本文介紹了推廣鐵鋰蓄電池的意義后，為解決使用鐵鋰電池的基站出現一次下電后續航不足的問題，提出了解決方案，同時提出了使用磷酸鐵鋰蓄電池的其他注意事項，為大規模使用鐵鋰蓄電池提供了技術支撐。