張燕琴，王一帆，劉鄭海，劉寶慶，陳聰慧（.中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 00048；.中訊郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 00048；.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 000）

0 前言

目前5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已進(jìn)入商用階段。與傳統(tǒng)基站相比，5G基站站址更密集，建設(shè)環(huán)境更復(fù)雜，站點(diǎn)功耗密度大幅提高，為應(yīng)對(duì)新的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)需求，各運(yùn)營(yíng)商都在尋求快速部署、免維護(hù)的室外建站方案，這不僅能夠提高建設(shè)效率、節(jié)省建設(shè)投資，而且能夠節(jié)省空調(diào)、場(chǎng)租等費(fèi)用。

蓄電池是保障基站供電可靠性的重要設(shè)備。冬季傳統(tǒng)鉛酸電池或磷酸鐵鋰電池在我國(guó)南方地區(qū)室外應(yīng)用沒(méi)有問(wèn)題，而中國(guó)北方冬季氣溫普遍在0 ℃以下，東北、西北地區(qū)冬季溫度可達(dá)到-30 ℃以下，鉛酸蓄電池或磷酸鐵鋰電池如果不采取任何保溫措施直接在室外使用，將出現(xiàn)電解液活性、極化等問(wèn)題，電池充電和放電性能差，甚至于損壞。本文將分析基站建設(shè)現(xiàn)狀、北方寒冷地區(qū)氣溫特點(diǎn)、電池特性，提出低溫環(huán)境地區(qū)室外型基站電池解決方案，以提高通信網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性，降本增效。

1 基站現(xiàn)狀及低溫下電池備電問(wèn)題

1.1 基站建設(shè)現(xiàn)狀

隨著基站無(wú)線(xiàn)設(shè)備不斷演進(jìn)，BBU 趨向于集中化設(shè)置，RRU/AAU 采用拉遠(yuǎn)方式部署。建造成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)成本高、維護(hù)難度大的機(jī)房式基站越來(lái)越少，拉遠(yuǎn)RRU/AAU 基站規(guī)模越來(lái)越大。截至2020年底，全國(guó)5G 基站已達(dá)到70萬(wàn)個(gè)，而部分地區(qū)室外型基站的比例達(dá)到60%～70%，未來(lái)隨著5G 基站的大規(guī)模部署，室外型基站的比例還將增加。

目前大部分拉遠(yuǎn)的RRU/AAU 基站安裝方式如圖1 所示，AAU/RRU 由-48 V 一體化電源供電，一體化電源采用抱桿或掛墻安裝。對(duì)于拉遠(yuǎn)的RRU/AAU 基站，目前大部分基站還未配置電池，但隨著5G 業(yè)務(wù)需求的逐漸提升，將對(duì)基站的供電可靠性提出更高的要求，以保證通信業(yè)務(wù)的持續(xù)不間斷運(yùn)行，拉遠(yuǎn)的RRU/AAU基站也需要考慮電池備電的問(wèn)題。

圖1 室外型基站安裝方式

1.2 低溫下室外型基站電池備電存在的問(wèn)題

拉遠(yuǎn)RRU/AAU 基站采用純室外化安裝方式，具有建造成本低、建設(shè)速度快、運(yùn)營(yíng)成本低等特點(diǎn)，但其安裝環(huán)境也更惡劣，溫度差異大，特別是我國(guó)北方地區(qū)，冬季氣溫低，例如：黑龍江地區(qū)氣溫可達(dá)到-30 ℃。而電池對(duì)環(huán)境溫度比較敏感，目前普遍采用的鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池耐低溫性能差，特別是-10℃以下的低溫，影響電池的正常使用，甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題。

1.2.1 鉛酸電池

鉛酸電池工作溫度降至0℃以下時(shí)，在充電初始負(fù)極板會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的濃差極化，使電池充電能力受限，電池充、放電容量隨著溫度的降低會(huì)明顯下降；當(dāng)環(huán)境溫度降至0℃以下時(shí)，溫度每降低10℃，內(nèi)阻增加約15%，且由于硫酸溶液粘度變大，增大了硫酸溶液的電阻，加重了電極極化的影響。如果環(huán)境溫度進(jìn)一步下降，甚至?xí)霈F(xiàn)電池電解液固化，電池被凍炸的情況，存在極大的安全隱患。

1.2.2 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池正極材料是LiFePO4，負(fù)極材料是石墨，中間是聚合物的隔膜，電解液是LiPF6?！锻ㄐ庞昧姿徼F銼電池組第1 部分集成式電池組磷酸鐵鋰電池》（YD/T 2344.1-2011）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：磷酸鐵鋰電池的工作溫度范圍為-10 ℃～55 ℃。

磷酸鐵鋰電池在低溫環(huán)境下使用會(huì)受到限制，除了放電容量嚴(yán)重衰退外，低溫（-5 ℃）下也不能對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。在低溫充電時(shí)，電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反應(yīng)是同時(shí)存在且相互競(jìng)爭(zhēng)的；低溫條件下鋰離子在石墨中的擴(kuò)散被抑制，電解液的導(dǎo)電率下降，從而導(dǎo)致嵌入速率降低，在石墨表面上會(huì)使鍍鋰反應(yīng)更容易產(chǎn)生，導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部阻抗增加與鋰離子析出，使容量衰減，降低電池的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成鋰枝晶引發(fā)內(nèi)部短路，導(dǎo)致電池失效甚至起火。

1.2.3 我國(guó)氣溫情況

在我國(guó)北京以北地區(qū)和西南地區(qū)，冬季氣溫普遍在0 ℃以下。以哈爾濱地區(qū)為例，全年有5 個(gè)月以上日均最低氣溫在0 ℃以下，3 個(gè)月以上日均最低氣溫在-20 ℃以下，如圖2所示。

圖2 哈爾濱全年平均氣溫圖

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池或磷酸鐵鋰電池在0 ℃以下使用時(shí)會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，因此迫切需要研究新型耐低溫電池，解決嚴(yán)寒地區(qū)室外型基站電池備電問(wèn)題。

2 鈦酸鋰電池研究分析

2.1 鈦酸鋰電池原理

鈦酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池同屬于鋰離子電池，由正、負(fù)極板（正極活性物質(zhì)為三元鋰、錳酸鋰等，負(fù)極為鈦酸鋰）、隔膜、電解質(zhì)、極耳、不銹鋼（鋁合金）外殼等組成，鈦酸鋰電池的工作原理如圖3 所示。正負(fù)極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，隔膜、電解質(zhì)提供Li+的傳輸通道，進(jìn)而起到引導(dǎo)電流的作用。以正極材料為錳酸鋰材料為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下。

圖3 鈦酸鋰電池的工作原理圖

正極反應(yīng)：

負(fù)極反應(yīng)：

總化學(xué)反應(yīng)方程Li4Ti5012式：

2.2 鈦酸鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)

鈦酸鋰電池和以碳做負(fù)極的鐵鋰電池的主要指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 鈦酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池主要指標(biāo)對(duì)比

鈦酸鋰材料能量密度低、價(jià)格高是制約其推廣應(yīng)用的主要因素，但相比以碳做負(fù)極的鐵鋰電池，鈦酸鋰電池具有以下顯著優(yōu)勢(shì)。

a）低溫性能好。低溫下鋰的嵌入及脫出能力都會(huì)下降，尤其是嵌入能力，鈦酸鋰負(fù)極在脫、嵌鋰過(guò)程中單位晶胞體積形變僅為0.3%，在-30 ℃下電池充電也不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致短路或使負(fù)極惡化的鋰枝晶。

b）循壞性能更好。由于鈦酸鋰是“零應(yīng)變”材料，不會(huì)在充放電過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，具有非常優(yōu)越的循環(huán)性能。

c）安全性更高。由于作為負(fù)極材料的鈦酸鋰平衡電位高，不會(huì)在負(fù)極形成鋰枝晶，具有更好的安全性。

相比傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池，鈦酸鋰電池最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其低溫特性，該特性為解決低溫環(huán)境地區(qū)室外型基站電池備電問(wèn)題提供了可能。

2.3 鈦酸鋰電池性能測(cè)試

溫度是制約電池在低溫環(huán)境使用的主要因素，因此在實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)驗(yàn)證了標(biāo)稱(chēng)容量為-48 V/30 Ah 的鈦酸鋰電池的充、放電容量試驗(yàn)和-30℃循環(huán)試驗(yàn)。

2.3.1 容量測(cè)試

25 ℃和-30 ℃的容量測(cè)試均是以0.2 C 電流恒流充電，充電至-57 V 轉(zhuǎn)恒壓充電至完全充滿(mǎn)電（充電電流小于或等于0.02 CA），以1 C 電流放電，電池組放電至終止電壓-40 V 或單體電池電壓低于1.5 V 時(shí)，放電結(jié)束。表2 是鈦酸鋰電池分別在25 ℃和-30 ℃的充、放電容量。

表2 鈦酸鋰電池充放電容量

電池在25 ℃常溫下，電池放電容量為31.6 Ah，在-30 ℃環(huán)境溫度下，電池放電容量23.71 Ah，約為常溫容量的75%，電池運(yùn)行正常。

圖4 是試驗(yàn)電池分別在25 ℃和-30 ℃下，以0.2 C電流進(jìn)行充電的曲線(xiàn)。從2 條曲線(xiàn)可以看出，隨著環(huán)境溫度的下降，充電電壓平臺(tái)被抬高；隨著溫度的下降，鈦酸鋰電池活性下降，電池充電容量下降，充電容量約為25 ℃下容量的75%，溫度仍然是鈦酸鋰電池充電容量的主要制約因素，但遠(yuǎn)好于業(yè)內(nèi)其他電池。

圖4 鈦酸鋰電池充電曲線(xiàn)

圖5是試驗(yàn)電池分別在25 ℃和-30 ℃下，以1 C電流進(jìn)行放電的曲線(xiàn)，其中-30℃下為2 條放電曲線(xiàn)，兩者的電池充電溫度分別為25 ℃和-30 ℃，放電均是在-30 ℃下進(jìn)行。從3條曲線(xiàn)可以看出，隨著環(huán)境溫度的下降，放電電壓平臺(tái)被拉低，電池放電容量下降；從2條-30 ℃放電曲線(xiàn)可以看出，在不同的環(huán)境溫度下對(duì)電池充電，在同一低溫環(huán)境下對(duì)電池放電，表現(xiàn)出來(lái)的放電容量存在較大的差異，低溫下充電時(shí)電池放電容量更低。由此可見(jiàn)，電池在低溫環(huán)境下放電問(wèn)題不大，之所以低溫下電池放電容量低主要是由低溫下電池充電容量下降導(dǎo)致的。

圖5 鈦酸鋰電池放電曲線(xiàn)

通信設(shè)備的工作電壓一般為-40 V～-60 V。隨著溫度的降低，電池的放電電壓平臺(tái)被拉低，-30 ℃的電池放電截止電壓低于25 ℃的電池截止電壓，但都在通信設(shè)備的工作電壓范圍內(nèi)。在25 ℃下，電池組電壓降至-47 V，電池放電容量比達(dá)到99.65%，電池基本已無(wú)可用容量。-30 ℃下，電池組截止電壓為44.07 V，電池放電容量達(dá)到充電容量的98%，電池實(shí)際放電容量基本達(dá)到-30 ℃下的可用容量。

2.3.2 -30 ℃循環(huán)測(cè)試

在-30 ℃下進(jìn)行了10次以上的充、放電循環(huán)試驗(yàn)，除第1 次循環(huán)討論為常溫充電低溫放電外，其他循環(huán)討論均是在-30 ℃下進(jìn)行的充、放電測(cè)試。經(jīng)過(guò)10 次以上的低溫循環(huán)試驗(yàn)，電池充、放電容量穩(wěn)定，并未隨著循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)電池容量衰減的現(xiàn)象，在1 C大倍率放電電流下，電池容量穩(wěn)定地維持在25 ℃下容量的75%左右，且電池運(yùn)行正常，鈦酸鋰電池具有顯著的低溫特性。-30 ℃鈦酸鋰電池循環(huán)充、放電統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

圖6 -30 ℃鈦酸鋰電池循環(huán)充、放電統(tǒng)計(jì)圖

2.4 鈦酸鋰電池現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)情況

在哈爾濱地區(qū)選取了2 個(gè)基站的2 個(gè)扇區(qū)作為試點(diǎn)，2 個(gè)基站均為室外型樓頂抱桿站，分別為每個(gè)扇區(qū)配置1 套一體化電源（-48 V/2 kW）和1 組鈦酸鋰電池（-48 V/30 Ah），電源和電池均未額外增加保溫措施，測(cè)試周期為2020 年9 月至2021 年4 月，跨越哈爾濱地區(qū)整個(gè)冬季。

在測(cè)試周期內(nèi)，分別對(duì)每組電池進(jìn)行了8～9 次核對(duì)性容量試驗(yàn)，每次電池放電容量達(dá)到50%以上，測(cè)試期間監(jiān)測(cè)到的最低環(huán)境溫度為-29℃，并在該溫度下對(duì)2 組電池進(jìn)行了充、放電試驗(yàn)。鈦酸鋰電池現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試情況如表3所示。

表3 鈦酸鋰電池現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試情況

試驗(yàn)電池在網(wǎng)運(yùn)行5個(gè)月，試驗(yàn)電池運(yùn)行正常，現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)后對(duì)電池進(jìn)行了返廠(chǎng)測(cè)試，電池容量保持率分別為97.9%和98.5%，電池容量無(wú)明顯衰減。

單個(gè)5G RRU 的典型功率在900 W 左右，5G 基站的備電時(shí)長(zhǎng)一般要求1 h，考慮到-30 ℃下，電池放電容量只能達(dá)到常溫容量的75%，因此本次測(cè)試采用的電池容量為30 Ah。本次測(cè)試電池重量約為25 kg，分別在2 個(gè)基站采用了掛抱桿和掛墻的安裝方式，施工快捷、方便，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中也可采用此方案配置。

2.5 電池特性總結(jié)及應(yīng)用建議

通過(guò)對(duì)鈦酸鋰電池原理、電池實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試的研究，鈦酸鋰電池性能及使用建議總結(jié)如下。

a）鈦酸鋰電池適合在低溫環(huán)境地區(qū)使用。電池在-30 ℃地區(qū)容量保持率高，在長(zhǎng)達(dá)半年的低溫環(huán)境中實(shí)際應(yīng)用，電池容量基本無(wú)衰減，且電池運(yùn)行正常，未出現(xiàn)安全問(wèn)題，鈦酸鋰電池在低溫下的可用容量是目前行業(yè)內(nèi)其他類(lèi)型的電池達(dá)不到的。

b）電池在低溫環(huán)境下放電容量下降，主要由于低溫環(huán)境下電池充電能力下降所致。在低溫環(huán)境下，相比常溫環(huán)境，電池充電電壓平臺(tái)被抬高，電池電壓放電平臺(tái)被拉低，低溫下電池的電壓平臺(tái)更寬，但受限于通信設(shè)備的工作電壓要求，電池充電電壓建議設(shè)置到57 V，電池放電截止電壓可適當(dāng)抬高到44 V。

c）和鉛酸電池不同，鈦酸鋰電池不需均浮充電壓，若鈦酸鋰電池轉(zhuǎn)為浮充電壓54 V，將出現(xiàn)電池放電的情況，然后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，因此建議在實(shí)際使用中，可根據(jù)鈦酸鋰電池的類(lèi)型和串聯(lián)只數(shù)，在電池充滿(mǎn)電后轉(zhuǎn)為離線(xiàn)狀態(tài)或提高電源模塊輸出電壓，避免電池在有市電的情況下出現(xiàn)放電的情況。

d）鈦酸鋰電池可作為室外型基站的電池備電，在無(wú)額外保溫措施的情況下，實(shí)現(xiàn)純低溫環(huán)境下的充、放電，且運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的可用容量；電池體積和重量能夠比較好的滿(mǎn)足便捷安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單的建設(shè)要求；無(wú)需額外保溫措施，降低了基站耗能。鈦酸鋰電池對(duì)解決北方寒冷地區(qū)建設(shè)成本低、周期短、能耗低的室外型基站備電具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3 展望

無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的室外型基站是未來(lái)基站建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，在北方寒冷地區(qū)，鈦酸鋰電池表現(xiàn)出良好的低溫適應(yīng)性，且具備大倍率電流充、放電的能力，符合當(dāng)前極簡(jiǎn)5G基站的應(yīng)用要求。在我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)，若采用鈦酸鋰電池作為備電，可直接在室外采用掛墻或掛抱桿等極簡(jiǎn)式安裝，無(wú)需額外對(duì)電池增加空調(diào)等保溫設(shè)備，且鈦酸鋰電池體積較小，安裝方便，成本低廉、能耗低，降本增效，適合作為低溫環(huán)境地區(qū)的室外型極簡(jiǎn)5G 基站的電池備電解決方案。無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試還是現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，鈦酸鋰電池在放電末期還存在一致性差的問(wèn)題，在后期實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)做好電池配組，同時(shí)在后續(xù)產(chǎn)品優(yōu)化方面加大對(duì)電池一致性的技術(shù)改進(jìn)。