蓄電池精準配置分析模型開發與應用研究

摘" 要：作為基站備用電源，蓄電池除能保證通信網絡的可靠性與穩定性，還能在削峰填谷、平衡電網負荷及降低通信設備能耗的情況下發揮重要作用。調查發現，在蓄電池正常運行的情況下，仍存在容量下降過快、使用壽命大幅縮短的問題，初步認為與蓄電池本身狀況及使用環境有關。為此，該文開發一種電池容量測評模型，該模型建立4個一級指標和17個二級指標，在指標賦值的情況下對蓄電池的基礎信息、運行環境、社會影響和維護情況作出綜合評價，根據最終的評分判斷電池等級，并為下一步的蓄電池管理提供指導。

關鍵詞：蓄電池;電池容量測評模型;電池容量配置;磷酸鐵鋰電池;基站備用電源

中圖分類號：TM91" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0077-04

Abstract： Be used as the backup power of the base station， which battery can not only ensure the reliability and stability of the communication network， but also play an important role in cutting the peak and filling the valley， balancing the power grid load and reducing the energy consumption of communication equipment. The survey found that when the battery is running normally， there will still be the problem that the capacity decreases too fast and the service life is greatly shortened， which is preliminarily related to the condition of the base station battery itself and the use environment. For this reason， a battery capacity evaluation model is developed in this paper. The model has 4 first-level indexes and 17 second-level indexes. In the case of index assignment， it can comprehensively evaluate the basic information， operating environment， social impact and maintenance of the battery， judge the battery grade according to the final score and provide guidance for the next step of battery management.

Keywords： battery; battery capacity evaluation model; battery capacity configuration; lithium ferric phosphate battery; base station backup power supply

隨著網絡規模的增長，網絡能耗逐年上升，移網資源能耗呈明顯上升趨勢。結合蓄電池運行特征，通過對在網運行蓄電池各類運行數據的研究并考慮未來網絡發展需求，盤活、整合現網蓄電池資源，深入挖掘潛力，提高資源利用效率，以達到精準投資、高效建設的目的。

1" 電池容量測評模型的構建

1.1" 影響電池壽命的主要因素

導致電池壽命縮短的主要因素有以下幾種。

1）頻繁斷電。在基站頻繁停電，并且停電時間、停電時長無明顯規律的情況下，基站蓄電池的充放電次數增加，每次充放電時長不同。有時一天內停電數次，或連續幾天停電，這時基站蓄電池在放電后尚未充足電的情況下再次放電，出現欠充現象。如此反復數次，將會導致蓄電池容量累積性虧損，使用壽命快速下降。

2）機房環境。雖然許多基站均配備了空調，用于調節基站室內溫度，但是在空調發生故障后將失去調溫功能，從而導致蓄電池長時間處于高溫環境下運行，不僅使用壽命縮短，而且有可能發生爆炸事故。目前基站所用空調以柜機或分體式空調為主，一方面是長時間不中斷運行，另一方面是空調維護不及時，使空調故障率較高。當空調無法制冷后，室內溫度最高可以達到70 ℃，高溫環境下蓄電池失水量增加，電解液飽和度下降，導致電池容量降低[1]。

3）斷電恢復。地理位置較為偏遠的山區，市電供給情況較差，停電次數多且每次停電時間長。基站停電后，蓄電池放電至終止電壓，如果未能及時補充電，也會造成電池容量的下降。循環幾次后，蓄電池壽命明顯縮短。

1.2" 電池容量測評模型的指標選取

本文根據影響蓄電池運行的基礎信息和環境因素構建了電池容量測評模型。該模型有4個一級指標，分別是基礎信息、社會影響、運行環境和維護情況;有17個二級指標。其中，一級指標“基礎信息”下包含8個二級指標，分別是電池類型、電池總容量、電池組數、直流負荷、站址類型、續航情況、啟用年限和設備性能;一級指標“社會影響”下包含2個二級指標，分別是站址等級、租戶數量;一級指標“運行環境”下包含3個二級指標，分別是機房溫度、斷電頻次、斷電時長;一級指標“維護情況”下包含4個二級指標，分別是油機配置、到站時長、充放電維護和設備設置。該模型以站址歷史信息為依據，結合電池配置調整因素，分別測算各個站址的系數取值，按照計算結果確定站址電池配置的優先級，從而實現對蓄電池的精準配置。

2" 二級評價指標的評分算法

2.1" 電池類型

目前常用的蓄電池類型有鐵鋰電池、鉛酸電池等若干種。按照GB 51194—2016《通信電源設備安裝工程設計規范》（以下簡稱《規范》）中的規定，對于不同廠家、不同容量、不同型號的蓄電池，不得并聯使用。如果存在2種及以上電池混用的情況，本項得分為100分，不存在混用情況不得分。

2.2" 電池總容量

統計機房內所有類型電池組的總容量，據實填報。該項指標用于計算不實際評分。

2.3" 電池組數

據實填報機房內所有類型電池組的數量。根據《規范》，直流供電系統的蓄電池以2組為宜。如果單位電池為1組，本項得分為100分，2組及以上為0分。

2.4" 直流負荷

據實填報基站現場直流負荷。該項指標用于計算不實際評分。

2.5" 站址類型

機房的站址類型有2類，分別是“機柜站”和“機房站”，據實填報。按照《中國鐵塔股份有限公司河南省分公司2022年度5G建設指導意見（電源配套分冊）》（以下簡稱《意見》）中的規定，機房站的后備時長為3 h，機柜站的后備時間為1 h。該項指標用于計算不實際評分。

2.6" 續航情況

根據現場電池配置和用電負荷，確定電池當前的續航能力。根據《意見》，綜合考慮機房空間、現網設備功耗、新增5G網絡設備功耗、運營商提出的后備時長等因素確定磷酸鐵鋰電池的容量[2]。考慮現場實際條件，以5G設備1 h、機房站3 h、機柜站1 h后備時長配置電池容量。磷酸鐵鋰電池容量（Q）的簡易計算公式如下

Q=K×a×（P1×T1×P2×T2）/51.2，

式中：K為安全系數，取1.25;a為溫度調整系數，寒冷、寒溫地區以1.25計，其他地區以1.0計;P1和P2分別為一次、二次下電側通信設備工作實際功率，W;T1和T2分別為一次、二次下電側設備備電總時長，h。鉛酸蓄電池容量（q）的簡易計算公式如下

q=K×I×T/η[1+a（t-25）]，

式中：K為安全系數，取1.25;I為負荷電流，A;T為放電小時數，h;η為放電容量系數;t為電池所在地的環境溫度數值，℃;a為電池溫度系數，當放電小時率超過10時，取0.006，當放電小時率在1～10之間時，取0.008，當放電小時率不足1時，取0.01。如果所需容量大于等于現有電池總容量，本項分值為100分;若小于標準，線性得分，即“（實際后備時長-要求后備時長）×100/要求后備時長”。

2.7" 啟用年限

據實填報電池啟用年限。如果使用年限在6 a或以上，得100分;若使用年限滿1 a但不足6 a，線性得分，即“（使用年限-1）×100/5”;若使用年限不足1 a，得0分。

2.8" 設備性能

由第三方專業機構對蓄電池組進行測評，得出電池實際性能。如果測評結果顯示電池達到報廢標準，得100分;剩余容量小于標稱容量60%的，按報廢處理;達不到報廢標準的，根據檢測報告或運維大數據分析與專家決策平臺實測容量與標稱容量比值線性得分，比值越低，得分越高。計算公式為“（標稱容量-實際容量）×100/標稱容量”;如果實際容量超過標稱容量，得0分。

2.9" 站址等級

在發生斷電情況后，站址等級的高低直接決定了影響范圍的大小，高等級站的影響面更大[3]。參照鐵塔內部基站等級劃分結果，對于高等級站，得100分;對于非高等級站，得60分。

2.10" 租戶數量

在發生斷電情況后，租戶數量的多少直接決定了影響范圍的大小，租戶數量越多則影響面越大。租戶數量在3家及以上的，得100分;2家得80分，1家得40分。

2.11" 機房溫度

正常情況下，機房溫度應控制在10～28 ℃;安裝耐高溫電池的機房，可適當提升溫度上限，但是最高不得超過35 ℃。如果機房實際溫度在10～28 ℃區間內，得0分;如果低于10 ℃或超過28 ℃的，均得100分。

2.12" 斷電頻次

統計1年中機房的斷電次數，精確到小數點后2位。如果平均每月斷電次數在4次及以上，則判定為頻繁斷電，得100分。平均每月斷電次數不足4次的，線性得分，即“月均斷電次數×100/4”。

2.13" 斷電時長

統計1年中機房的斷電時間，精確到小數點后2位。如果每月斷電時長達到2 h或更長，則判定為較為突出，得100分。平均每月斷電時長不足2 h的，線性得分，即“月均斷電時長×100/2”。

2.14" 油機配置

根據《規范》，對于三類市電，山區的移動通信基站宜每5個站配置1臺移動發電機，平原的移動通信基站宜每10個站配置1臺移動發電機，在電力資源供應緊張或交通不便的地區可適當調整。如果每10個站配置的油機臺數不足1臺，得100分;如果超過2臺，得0分;在1～2臺之間的線性得分。

2.15" 到站時長

將到站時長與后備時長做對比，如果到站時長小于后備時長，得0分;反之得100分。

2.16" 充放電維護

為延長電池使用壽命和保證電池工況良好，需要定時進行電池的充放電維護。根據維護對象和維護內容的不同，維護周期也有差異。

對于閥控式密封蓄電池，維護內容與維護周期如下。

①需要每月開展1次的項目。電池室的清潔維護，測量和記錄電池室內的環境溫度，全面清潔蓄電池并進行端子、極柱、外殼、連接條和安全閥的物理外觀檢查，測量和記錄電池系統的總電壓與浮充電流、單體端電壓。②需要每季度開展1次的項目。單體電池內阻測量，檢查是否達到充電條件（如果達到需要進行均勻充電），檢查引線與端子的基礎情況，檢查饋電母線、電纜及軟連接頭等各連接部位的連接是否可靠，并測量壓降。③需要每半年開展1次的項目。核對性放電試驗（UPS使用的6 V和12 V電池）。④需要每年開展1次的項目。核對性放電試驗（2 V電池）。⑤需要每3年開展1次的項目。儀表校正和容量測試[4]。

對于磷酸鐵鋰電池，維護內容與維護周期如下。

①需要每月開展1次的項目。電池室的清潔維護，測量和記錄電池系統的總電壓、浮充電流和單體端電壓，全面清潔蓄電池并進行端子、外殼的物理外觀檢查，通過遠程監控檢查電池電壓、容量是否正常，電池及環境溫度是否正常，BMS電池各項管理功能是否正常。②需要每季度開展1次的項目。測量單體電池內阻，檢查告警功能，檢查接線是否良好，檢查開關、接觸器件是否可靠接觸，檢查指示燈狀態是否正常，檢查電池組浮充電壓是否正常，斷開交流電后檢查電池組是否正常放電并讀取放電狀態數據和負載電流大小，放電后再合上交流電并檢查電池組能否正常充電。③需要每年開展1次的項目。核對性容量試驗和校正儀表。④需要每3年開展1次的項目。容量試驗。

如果滿足維護章程，得0分;如果不滿足維護章程的，得100分。

2.17" 設備設置

正常情況下，電池容量配置必須與電池的實際配置容量保持相同。在配置正常的情況下，持續充電10 h左右可以讓電池達到滿電狀態，如果容量配置偏低或者限流參數配置過低，將會導致電池的充電時間變長。如果在沒有充滿電的情況下再次停電，將有概率使電池過放和備電時長不足，電池容量隨之下降。

在蓄電池的運行中，環境溫度、放電深度、充放電流、容量配置和定期維護等因素都會在一定程度上影響電池的壽命[5]。開關電源系統具有多項電池管理功能，如溫度補償、周期均沖、欠壓保護告警和充電智能限流等。根據《規范》，直流供電系統采用在線充電方式“全浮充制”運行。對于電池的浮充電壓、均衡充電電壓、初充電電壓等參數，要根據蓄電池的類型和通信設備端子電壓要求計算確定，具體見表1。

3" 指標的權值分配

在明確了電池容量測評模型的一級和二級指標后，還要對各項指標分配權值，分配結果見表2。

4" 電池容量測評模型的應用情況

對各項指標分配權值后，計算二級指標和一級指標的綜合分值，評分結果見表3。

在綜合評分中，電池的評級標準如下：①得分為100分，為A級電池，報廢入庫，需要及時更換;②得分小于100分，但是大于等于80分，為B級電池，需要擴容;③得分小于80分但是大于等于60分，為C級電池，需要整改;④得分小于60分，為D級電池，加強維護。

由表3可知，電池容量測評模型的評分結果為29.96分，按照上述評級標準屬于“D”級電池，下一步要加強維護和密切監測，保證在電池出現不良工況時第一時間發現并整改。

5" 結束語

本文基于影響電池使用壽命的主要因素，設計了電池容量測評模型，該模型分別選取了電池類型、續航情況、租戶數量、斷電頻次和設備設置等17項指標，并進行權值分配，然后對蓄電池的實際表現作出評分。根據最終評分評定電池所屬等級，每個等級對應著不同的管理策略，從而指導下一步電池管理工作的開展。本文選擇的研究對象最終評分為29.96分，屬于D級，對應的管理策略為加強維護。今后要按照維護章程做好檢查、養護等工作，使蓄電池保持良好工況，延長使用壽命。

參考文獻：

[1] 屠新強，張蔡洧，鄭旭江，等.基于最小二乘法辨識模型的鉛酸蓄電池在線監測系統設計[J].機械與電子，2022，40（1）：20-24.

[2] 檀勤良，單子婧，丁毅宏，等.考慮蓄電池與電制氫的多能源微網靈活性資源配置雙層優化模型[J].電力建設，2023，44（2）：38-49.

[3] 張利國，李宇劍，劉樂，等.基于參數分析的蓄電池模型健康狀態估計[J].自動化儀表，2022，43（2）：69-75.

[4] 陳宇，蘇海濤，韓偉，等.基于蓄電池改進模型的均衡充電方法研究[J].電工技術，2022（18）：63-65.

[5] 李毅，龍瀾，吳小虎，等.基于多元線性回歸模型的鉛酸蓄電池容量預測方法研究[J].通信電源技術，2022，39（20）：134-137.

第一作者簡介：張琳（1986-），女，高級工程師。研究方向為通信電源。