俞 迪，吳 慧，吳偉強

（1.中國電信股份有限公司 湖州分公司，浙江 湖州 313000；2.浙江安力能源有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引 言

隨著5G時代的到來，5G基站設(shè)備功率是現(xiàn)有4G基站的3～4倍，運營商亟需解決網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段的電力配套擴容問題與網(wǎng)絡(luò)運營階段的新增能耗問題[1]。由于基站和綜合接入局站空間有限，如何實現(xiàn)機房空間的高效利用是擴容時需關(guān)注的重點。同時，在綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展背景下，運用儲能技術(shù)進行“削峰填谷”也是運營商有效降低能耗成本的可選方案[2]。

目前通信機房大部分備電電源使用的是鉛酸蓄電池，但是鉛酸電池普遍存在能量密度低（占地面積大和重量重）、運行環(huán)境溫度要求高、放電效率低、壽命短以及可靠性低等問題[3]。根據(jù)對基站斷站數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，電池原因約占40%。

隨著電源技術(shù)的快速發(fā)展，各種體系的電池相繼出現(xiàn)，如鋰電池、液流電池、鈉-氯化鎳電池等，為通信基站備電電源升級帶來新的契機。湖州電信公司根據(jù)實際應(yīng)用特點和需求，在眾多電池技術(shù)中挑選新型的環(huán)保鈉-氯化鎳電池（簡稱“鈉鹽電池”）作為基站備電電源，進行基站備電和儲能模式探索。

1 鈉鹽電池概述

鈉鹽電池是20世紀80年代在國外發(fā)展起來的一種新型電池，該電池被應(yīng)用于車載動力[4]、潛艇備電[5]、通信基站以及電網(wǎng)儲能領(lǐng)域等，因具有安全性、長壽命以及綠色環(huán)保等性能而備受推崇[6]。

1.1 電池反應(yīng)機理

鈉鹽電池正極為NiCl2，負極為Na，電解質(zhì)兼隔膜是氧化鋁陶瓷，第二電解質(zhì)是NaAlCl4。其充放電反應(yīng)方程式為：

1.2 電池特性

1.2.1 安全性高

鈉鹽電池的安全性體現(xiàn)在3個方面。一是本身材料體系，本身材料和裝配零部件具有高沸點、高熔點特性（鈉金屬除外）[7]；二是化學(xué)反應(yīng)，電池反應(yīng)溫和，無任何易燃、易爆物產(chǎn)生；三是結(jié)構(gòu)設(shè)計，單體電芯通過真空金屬焊接方式牢固密封，電池包用雙層不銹鋼焊接，電池管理系統(tǒng)有繼電器保險絲防護。單體電芯通過UL1973的短路、撞擊、振動、熱循環(huán)以及火燒等實驗，獲得相關(guān)認證證書。電池包經(jīng)過嚴苛的實驗，獲得UL1973認證、泰爾和CE相關(guān)認證，安全可靠[8]。

1.2.2 能量密度高

鈉鹽電池的額定電壓為2.58 V，高于鉛酸、鎳氫等體系電池的電壓平臺，低于鋰電池的電壓平臺。相較于應(yīng)用較為廣泛的鉛酸電池，鈉鹽電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度是其3倍左右（單體電芯能量密度120～130 Wh/kg，體積能量密度300～310 Wh/L）。實際應(yīng)用時，鈉鹽電池能量密度高、占用空間小，不僅有助于提高機房空間利用率，同時也降低了對機房承重的要求[9]。

1.2.3 使用壽命長

鈉鹽電池具有較長的循環(huán)壽命和備電浮充壽命。根據(jù)相關(guān)文獻闡述，鈉鹽電池充放電循環(huán)次數(shù)在3 000次以上，若是只作為備電浮充電池，其浮充壽命在15年左右。鈉鹽電池在應(yīng)用時，允許單串回路中有5%的單體電芯損壞。單體電芯失效后，電壓為0 V，該電芯變成一個導(dǎo)體，不影響該串電池正常運行，不會造成安全事故，該特征有別于其他電池。

1.3 E4815鈉鹽電池包

鈉鹽電池一般以電池包的形式應(yīng)用于實際環(huán)境中，電池包結(jié)構(gòu)包含單體電池、正負極柱、加熱板、溫度傳感器、陶瓷保護套、云母、保溫棉、不銹鋼內(nèi)外箱體以及電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）等部件。以通信系統(tǒng)行業(yè)48 V備電采用的E4815電池包為例，單個電池包由6路串電池并聯(lián)組成，每路串電池由21只單體電芯串聯(lián)，總共126只單體電芯。基于鈉鹽電池的安全性，并未采集每只電池的電壓，僅對每一串的中間點電壓進行測試比較，根據(jù)特有的判定邏輯來判定電池的好壞。

E4815電池包可作為獨立單元應(yīng)用，也可根據(jù)應(yīng)用需求并聯(lián)使用，其基本參數(shù)見表1。

表1 E4815基本參數(shù)

1.3.1 E4815電池包的不同小時率性能

E4815鈉鹽電池是一款能量型電池，圖1是其不同小時率的放電曲線。

圖1 E4815鈉鹽電池放電曲線

從圖1可以看出，10小時率和5小時率都具有良好的放電曲線平臺，標(biāo)稱容量基本能100%放出。圖2是對標(biāo)鉛酸電池（48V/200Ah）不同小時率的放電曲線。

圖2 鉛酸電池放電曲線

從圖2可以看出，5小時率不能100%放出標(biāo)稱容量，電壓平臺較低，鉛酸電池整體放出的有效能量低于鈉鹽電池[10]。

1.3.2 高低溫性能

高低溫性能主要指電池包在不同環(huán)境溫度下的放電性能，由于鈉鹽電池包的隔熱層具有良好的保溫效果，因此環(huán)境溫度對電池包的放電容量影響較小。圖3是E4815電池包在常溫25 ℃、高溫60 ℃以及低溫-40 ℃的I5放電曲線。

圖3 電池包在不同溫度下的放電曲線

由圖3可知，常溫25 ℃、高溫60 ℃以及低溫-40 ℃的I5放電曲線完全重合，說明鈉鹽電池能夠適應(yīng)較大的環(huán)境溫度變化。該性能意味著鈉鹽電池應(yīng)用時不需要額外制冷或加熱，能夠適應(yīng)各種室內(nèi)或室外高低溫場景。

2 鈉鹽電池在通信接入站點的應(yīng)用實例

2.1 示范站點配置情況

通信局站實際應(yīng)用的鈉鹽電池系統(tǒng)主要包括鈉鹽電池包和遠程通信控制模塊，現(xiàn)場效果見圖4。

圖4 鈉鹽電池在通信局站的應(yīng)用

鈉鹽電池包自帶BMS，遠程通信模塊分別與BMS、機房電源動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)通信，具體配置見表2。

表2 鈉鹽電池系統(tǒng)配置清單

兩個示范站點均用鈉鹽電池系統(tǒng)替換了原有的鉛酸電池系統(tǒng)，安裝的鈉鹽電池包數(shù)量根據(jù)機房的負荷和業(yè)務(wù)等級而定，具體見表3。多個鈉鹽電池包應(yīng)用時，鈉鹽電池包進行并聯(lián)使用。示范站點1主要用于浮充備電和峰谷儲能，示范站點2用于浮充備電，其中站點2市電斷電頻率較高。

表3 示范站點鈉鹽電池配置表

2.2 示范站點使用情況

2.2.1 備電功能

在實際應(yīng)用時，鈉鹽電池體現(xiàn)了良好的備電性能。2020年3月21日凌晨03:58市電停電，站點1在電池啟用備電與儲能功能的情況下，電池持續(xù)供電5 h。5 h后柴油發(fā)電，電池的SOC還剩53%，驗證了電池的備電符合要求，具體數(shù)據(jù)曲線見圖5和圖6。圖5顯示的是電壓、荷電狀態(tài)隨放電時間的變化趨勢，圖6是負載功率和電流的變化曲線。相比鋰電池，鈉鹽電池能長期浮充在線，當(dāng)電網(wǎng)斷電時更易于實現(xiàn)無縫切換。

圖5 鈉鹽電池實用場景放電時間的曲線

圖6 基站放電功率、電流曲線

示范點2安裝兩只電池包，負載2.4 kW，備電10 h，電池一直處于浮充狀態(tài)。持續(xù)運行一段時間后，查看電池串的中間點電壓，并未發(fā)現(xiàn)有任何電池異常，電池運行狀態(tài)良好。具體數(shù)據(jù)見表4和表5。

表4 示范點2電池包1內(nèi)各電池組串壓差

表5 示范點2電池包2內(nèi)各電池組串壓差

2.2.2 削峰填谷

示范站點通過后臺設(shè)定程序，在符合備電要求的情況下將多余的能量根據(jù)電價進行削峰填谷，峰谷時間與充放電設(shè)置見表6。

表6 削峰填谷時間設(shè)置表

參照鈉鹽電池10小時率放電特性曲線，預(yù)留3～5 h應(yīng)急時間，其實際運行曲線見圖7。

圖7 峰谷儲能SOC變化

2.2.3 智能管理

電池管理系統(tǒng)BMS內(nèi)嵌在鈉鹽電池包中，通過物聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至管理平臺，可通過專門的App或電腦Web頁面實時監(jiān)測電池系統(tǒng)和示范站點電源的工作狀態(tài)及運行情況，對出現(xiàn)的電池衰減問題進行成因分析。通過精準控制保障電池的安全，實現(xiàn)電池的智能化管理。

2.2.4 空調(diào)節(jié)能

示范站點空調(diào)具有人工智能（Artificial Intelligence，AI）控制功能。使用鈉鹽電池后，啟用深度AI控制模式，將機房最高環(huán)境溫度提升至35 ℃，可以有效降低空調(diào)能耗。

2.3 成效分析

2.3.1 安全性

經(jīng)過兩年多的實際使用，鈉鹽電池未出現(xiàn)外觀變形、過熱、漏液、異味等情形，提升了通信機房的安全性。此外，鈉鹽電池包單體重量達到148 kg，置于無人值守的接入站點可以降低電池被偷盜的風(fēng)險，進而減少由此造成的通信網(wǎng)絡(luò)中斷故障。

2.3.2 經(jīng)濟性

示范站點利用鈉鹽電池的儲能功能，開啟削峰填谷模式后，通信設(shè)備用電節(jié)能降費率約為24.5%。此外，鈉鹽電池對環(huán)境溫度的適應(yīng)性好，示范站點的空調(diào)在室溫達到35 ℃時才啟動，空調(diào)能耗比普通AI控制節(jié)能模式（室溫30 ℃啟動）有所節(jié)約。通過使用上述節(jié)能技術(shù)，該站點全年共節(jié)約電費9 606.8元。相較于鉛酸電池，鈉鹽電池具備在線實時監(jiān)測等功能，可節(jié)約每年每站1 000元的電池容量檢測費用。此外，鈉鹽電池的能量密度是鉛酸的2～3倍，示范站點的占地面積平均減少50%。利用鈉鹽電池運行環(huán)境溫度范圍廣、體積小等特性，可以逐步實現(xiàn)機房去空調(diào)化，進一步降低投資和運營成本。

3 結(jié) 論

將鈉鹽電池應(yīng)用于通信機房，經(jīng)過兩年多的實踐與分析，已經(jīng)初步驗證了鈉鹽電池的優(yōu)點。通過應(yīng)用鈉鹽電池，在提升機房安全性和空間利用率的同時，能有效降低5G基站、通信機房的能耗成本，有利于通信企業(yè)貫徹落實綠色發(fā)展理念并構(gòu)建綠色信息網(wǎng)絡(luò)，提升行業(yè)綠色低碳發(fā)展水平，助力實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”。