主動均衡系統在5G基站儲備一體中的應用

孫文超，楊振華，楊海林

（中國鐵塔股份有限公司上海市分公司，上海 200000）

0 引 言

在通信基站供電系統中，后備電源（電池）是保證在市電中斷時，通信服務不停止仍能正常服務的重要手段。后備電源中蓄電池性能的好壞直接影響整個供電系統的可靠性。且隨著5G設備逐步覆蓋，一方面用電量越來越大，另一方面隨著電價改革不斷深入，電價市場化、峰谷差價不斷拉大，用電成本增高，致使電費居高不下[1]。電信網技術如何在確保5G基站備電的前提下，疊加儲能應用，以上海市為例，如按峰時全部配置儲能系統，則在需要備電時，將有平均10 h以上備電，涵蓋全部市電斷電事故的90%以上。

通過投資儲能系統來解決備電問題，通過谷電峰用來解決儲能投資，但唯一問題是如何保障蓄電池循環次數達到投資預期。常見問題是蓄電池使用一定循環次數后，不能有效輸出或輸出效率不足，導致無法達到預期的儲能收益，甚至因對單體電池無法管控產生安全問題[2]。

現通過單只主動均衡管理系統，實時掌控單只蓄電池工作狀態，保障充放電過程中單只無損，則可有效實現蓄電池應有壽命。在監控蓄電池整組剩余容量、剩余備電時長性能基礎上，蓄電池智能精準管理平臺獲取充放電策略，結合站點信息、物業信息、環境信息、發電設備、接口信息等生成最優調度方案，從而降低日常應用中的油機發電成本，提高代維發電響應效率。

1 主動均衡系統的特點

1.1 系統運行原理

增加儲能系統后，不改變原有輸入、輸出模式，利用基站儲能系統電池管理系統（Battery Management System，BMS）對電池組進行主動均衡管理，對電池組進行精細化全生命周期管理，實現自錯峰模式進行管控，同時利用物聯網上傳至數據平臺進行監管。利用個人計算機（Personal Computer，PC）端、App端進行互動應用。增加儲能系統基站運行原理如圖1所示。

圖1 增加儲能系統基站運行原理

在不增加直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）模塊基礎上進行儲能應用，降低功率損耗，實現儲能系統高效應用；通過主動均衡系統對單只蓄電池進行主動無損均衡管理，保障蓄電池循環使用壽命，保障儲能項目收益。

1.2 高效無損主動均衡及原理

主動無損均衡方案，是結合蓄電池整組及單體的情況，將電池中單體能量較高的遷移到電池中單體能量較低的，或使用整組（4節或24節）的電池容量補充到整體中單體容量最低的電池，如圖2所示。在此過程中能量通過這個環節在此進行均衡分配及調度。

圖2 主動無損均衡方案

均衡系統是由2個電池組成，經過2個電池并聯和形成1個均衡單元，如圖3所示，電池EB1和EB2組成第一個均衡單元，儲能電容C1；儲能電感L1、L2；開關Q1、Q2組成了均衡電路。當EB1和EB2由于容量不平等，產生電量、電流或電壓不平衡時，該均衡電路在相位相反的兩個方波驅動下交替開關，由電路中的儲能元件構成的能量或者容量交換通路依次把電池組中電壓高的電池的電荷遷移至電池組中整體電壓低的電池中，直至將上述所說的兩個電池的容量、電壓、電流平衡為止[3]。

圖3 主動均衡方式原理

1.3 主動均衡系統技術應用優勢

（1）差異化充電。以往通信基站的電池充電采用整組充電的方式，無法對不同級別電壓進行差異化區別，差異化配置。本系統改變以往的充電方式，采取差異化充電，通過差異化充電，實現對不同狀態的電池（按電壓、容量、電流等）進行區分，施加對單體電池以最適合的充電電壓/電流進行充電，避免整組充電帶來的電池組中單體電池的欠充、過充問題，做到對單體電池的高效率、特性充電。兩種充電方案如圖4所示。

圖4 兩種充電方案

（2）能量轉移放電。以往放電模式為整組統一放電，組中單體全量參與，無法區別化對待落后單體電池，在采用新技術后，可以通過系統智能判斷，將由部分電池的能量對“落后”電池進行額外的能量補充，從而在根本上保證整組電池中個體電池的容量、電壓的一致性，避免傳統方式放電帶來單體電池過放、欠放問題，做到高效率、特性化放電。兩種放電方案如圖5所示。

圖5 兩種放電方案示

（3）電池鏡像技術。在傳統模式中，如果整組電池中單體或者數節出現斷路或者開路等極端情況時，會導致整組電池出現瞬斷，從而引起斷站、無法提供服務的情況。通過電池鏡像技術，對出現極端情況的單體電池（線束脫落、斷路、短路、內部極板損壞等情況）采取鏡像處理，通過鏡像技術，模擬出一節或數節電池電壓及容量，保證電池組工作電壓穩定，電池組持續供電。

（4）電池脈沖修復。通過對蓄電池采用24 h不間斷且頻率高達8 kHz以上小電流脈沖，利用大結晶諧振的方法來溶解鹽化結晶，消除電池的硫化現象，保證蓄電池組長期處于活化狀態，起到主動修復的作用。

2 應用案例

目前上海鐵塔已選擇兩個基站使用主動均衡管理系統進行儲能備電試點，上海奉賢東方基站實景如圖6所示。

圖6 上海奉賢東方基站實景

具體情況如下：平均負載50 A，原有500 Ah電池2組，以47 V為終止電壓蓄電池放電約60 min，不滿足3 h備電要求。通過增加主動均衡管理系統，同時增加一組利舊蓄電池，實現16+3儲備一體，谷電峰用的同時達到4個目標。

（1）打破“四同”原則：通過加裝專業電池管理系統AI·DESS后實現不同年份、品牌、容量、批次蓄電池混用。

（2）單體監測：智能云平臺實時監控單體蓄電池電壓、電流、溫度，保持每節電池“可視”“可管”“可控”。

（3）容量修復：電池管理系統多次循環充放電后，可大幅修復落后電池容量。

（4）安全應用：系統主動均衡管理，杜絕蓄電池充放電點過程中過充電、過放電現象。

3 結 論

基站的蓄電池分時段充電或放電，谷時儲能，峰時釋放，削峰后基站電量電費統計如表1所示。

表1 削峰后基站電量電費統計表

放電自06:00—22:00，蓄電池放電終止電壓47.54 V，放電時平均電流55.8 A，充電初始電流128.9 A，實現儲備一體功能。

在全面配置蓄電池精準管理系統后，通過控制基站的蓄電池分時段充電或放電，做到谷時儲能，峰時釋放，利用削峰填谷套利降低5G基站日常電費支出。由單只在線管理系統對每一只蓄電池進行單節保護，充分盤活沉淀的備電資產，通過谷電峰用降低運營費用。