1 引言
在过去的三十年里，移动通信经历了从语音业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展，不仅深刻地改变了人们的生活方式，也极大地促进了社会和经济的飞速发展。移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主要驱动力，为第五代移动通信（5G）提供了广阔的应用前景。面向 2022 年及未来，数据流量的千倍增长，千亿设备连接和多样化的业务需求都将对 5G 系统设计带来严峻挑战。与4G 相比，5G 将支持更加多样化的场景，融合多种无线接入方式，并充分利用低频和高频等频谱资源。同时，5G 还将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求，大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。随着通信业务的快速发展，通信设备集成化程度和业务承载能力大幅度升高，单架设备用电需求增长迅速，对通信局房现有的电池备电系统提出了更高的保障等级要求。
随着互联网、云计算等蓬勃发展，ICT 业务融合的趋势也不断加强，下一代未来网络对供电系统建设和运营提出了新的要求：具备高可靠性、高效、灵活扩展的供电能力，可应对突发业务的高承载力，具备融合性、智能化、可扩展性的保障电源系统运营管理能力，以及轻量化、低成本的保障电源系统建设模式和运行模式。电池是保障电源系统的重要组成部分，目前正处于铅酸电池时代向锂电池时代迈进的关键时期，如何解决铅酸电池时代遗留的主要问题，应对国际、国内双碳政策，都将是锂电池时代亟需解决的关键难题。
本白皮书将研究可用于 5G 网络、数据中心的智慧锂电技术，并提出具体的发展方向，结合在网通信备电系统建设现状，提出分阶段备电架构演进规划。
2 电池系统面对的挑战
2.1 电池系统应用现状
1） 通信用铅酸电池现状
铅酸蓄电池由于其安全稳定、性价比高等优点，在电池领域占据较高的市场份额，并被广泛应用于汽车起动、通信、储能等领域。尤其在通信领域，铅酸电池市场占有率在 90%以上。铅酸蓄电池与可供选择的其它电化学储能系统相比，具有较低的能量密度，但仍然是世界上最重要的二次电源，这是因为只考虑能量密度是不够的，在最终的评价中，能量密度、寿命、成本共同决定了电池在工业中的使用价值。此外，电池的特性，如比能量、可靠性、原材料的来源以及回收再利用的可能性，也非常重要。综合考虑上述因素，铅酸蓄电池是一个好的折中选择。因此，铅酸蓄电池在未来一定时期，仍然是最重要的电化学储能系统，这在对铅的重量要求不高的固定电池应用中特别适用，对于这些应用，体积能量密度比重量能量密度更重要，因此铅酸蓄电池是更合适的选择。
随着
5G通信技术发展，市电保障提升，运营商对铅酸蓄电池的应用提出了多样化的需求，如短时大电流放电、集成化等要求。
5G 技术的主要特点为：
①高可靠，低延时；
②增强型移动宽带；
③大规模机器通信。
5G 技术的应用特点对蓄电池的高温性能、可靠性和寿命提出了更高要求，需要电池机房配备机房空调，导致产生更高的建设和运营成本。
在户外通信基站，后备电池的工作环境恶劣，温度变化范围宽，有时可能达到 45℃以上高温。作为后备用的阀控式密封铅酸蓄电池一般采用铅钙合金作为板栅材料，这种合金通常加入 0.06%~0.1%的 Ca，这将保证电池具有较高的析气过电位，耐腐蚀性良好，从而延长浮充寿命。但是较高含量的 Ca 会容易导致晶粒间腐蚀，特别是在高温条件下腐蚀变得更剧烈，腐蚀产生的钝化层增大了内阻，充电过程中产生更多的热量，形成恶性循环，从而导致热失控，使电池寿命过早终结，最终加速了电池更换周期，增加了运营成本。虽然运营商采用恒温蓄电池柜技术，对节能降耗有一定作用，但效果仍不尽如人意。
在实际应用中，AGM 隔板的阀控式密封铅酸电池普遍存在运行不稳定，容易发生热失控，电解液存在层化，极板硫酸盐化，板栅腐蚀等导致电池的使用寿命偏低等问题，对通信系统运行的可靠性造成威胁。
2） 通信用锂电池应用现状
锂电池是 20 世纪开发成功的新型高能电池，可以理解为含有锂元素（包括金属锂、锂合金、锂离子、锂聚合物）的电池，可分为锂金属电池（极少的生产和使用）和锂离子电池（现今大量使用）。因其具有能量密度高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事、民用电器、纯电动汽车、储能电站中。
5G 时代下，小型基站日益成为一种主流。这是因为 5G 的流量承载能力需达到 4G 的 3 倍以上，这就要求热点区域容量扩展以及信号深度覆盖，运营商的网络架构正在从传统的宏蜂窝向分布式基站转变，5G 时代需要增加更多的小型基站对宏基站形成补充，最终促使小型基站占比的提升。相较于宏基站，小型化基站的特点为：集成度更高、产品尺寸更小，一般设置在城市的人口密集处、室内、楼宇电梯等地，特殊的地理位置及环境要求基站集成美化、尽量减少占地面积、和谐融入环境。基于小型基站的特点，对通信后备电池提出了新的需求：
①安装场景及形式多样化，安装空间小，需要高能量密度的电池；
②条件简陋，提供空调难度较大，要求电池工作温度的适应范围广。
这两个条件对通信后备电源的性能提出了硬性标准，而铁锂电池却能很好的解决上述问题。
因此，锂电池系统在 5G 时代脱颖而出，能够适用于机房、楼道、竖井、户外、应急通信车等多种环境，采用的标准 19 英寸结构，同时支持上架、壁挂、入箱等多种安装方式，方便快速部署，可为 RRU、BBU、EPON、GPON、
WLAN、光猫、直放站、干放、末端光传输、交换机、微蜂窝、基站等多种通讯设备提供后备电源。
3） 梯次锂电的现状
梯次电池是指电动汽车等领域的动力电池不能满足现有电动车辆的功率和能量需求时，将其转移应用到对电池能量密度、功率密度等特性要求相对较低的其它领域。这些动力电池在通信基站中的梯次利用，使动力电池得到最大限度的应用，节省了社会资源，并且减少废弃物排放，降低环境污染，实现动力电池再生利用的目的。
动力电池相比于传统通信基站中采用的铅酸电池，具有能量密度高、循环寿命长、能量转化率高、温度适应范围宽等应用优势。目前退役动力电池主要是磷酸铁锂电池，下面对梯次磷酸铁锂电池与铅酸电池在性能方面进行简单的对比分析。
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发表于 2022-7-25 11:32
