蓄電池在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用解決方案

通信直流電源是基礎(chǔ)電信設(shè)備，為通信主設(shè)備提供供電保障。蓄電池組是通信直流電源系統(tǒng)中的重要組成部分，相當(dāng)于備用電源，是通信直流電源系統(tǒng)的最后一道防線。

在電信業(yè)務(wù)的初期發(fā)展過程中，運(yùn)營商對(duì)蓄電池關(guān)注較少，在交流停電時(shí)蓄電池能供電就可以了。近年來，電信運(yùn)營領(lǐng)域的競爭加劇、愈演愈烈，運(yùn)營商對(duì)蓄電池的使用壽命、維護(hù)工作量、TCO非常關(guān)注，要求越來越高。

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，為了節(jié)省建設(shè)成本、加快建設(shè)周期，在城鄉(xiāng)結(jié)合部、小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，運(yùn)營商往往不建設(shè)機(jī)房或者移動(dòng)方艙，而是采用室外柜方案安置通信主設(shè)備及直流電源系統(tǒng)。近年來，全球主流運(yùn)營商的新建基站中，室外基站的比例逐年提高。對(duì)于低緯度及沙漠化的國家或地區(qū)（如南亞、非洲等），高溫對(duì)室外基站的影響很大。室外基站一般處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力保障較差，尤其在發(fā)展中國家。室外基站經(jīng)常面對(duì)高溫、電網(wǎng)頻繁停電的惡劣工作環(huán)境。通信直流電源系統(tǒng)的室外應(yīng)用漸趨主流，蓄電池經(jīng)常處于高溫、電網(wǎng)頻繁停電的惡劣應(yīng)用環(huán)境。

蓄電池在惡劣應(yīng)用環(huán)境下面臨的問題

隨著室外基站應(yīng)用增多，惡劣應(yīng)用環(huán)境下蓄電池故障逐漸凸顯出來，如巴基斯坦、印度等南亞地區(qū)，既給運(yùn)營商造成了經(jīng)濟(jì)損失又損害了運(yùn)營商的客戶滿意度。針對(duì)在惡劣應(yīng)用環(huán)境下蓄電池大量損壞，中興通訊進(jìn)行了廣泛調(diào)研，深入了解蓄電池的應(yīng)用場景，調(diào)查分析蓄電池故障原因。問題的關(guān)鍵不在蓄電池本身，問題出在室外蓄電池柜沒有考慮對(duì)蓄電池進(jìn)行高溫防護(hù)。要想根本解決問題，必須提供蓄電池在室外惡劣環(huán)境下應(yīng)用的綜合解決方案。

室外蓄電池柜主動(dòng)散熱技術(shù)的對(duì)比分析

室外柜的散熱方式有多種選擇，哪種散熱方式適合室外蓄電池柜呢？這要從蓄電池的產(chǎn)品特性說起。對(duì)于通信直流電源系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池，用戶最關(guān)注的是使用壽命。影響鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素是環(huán)境溫度和電網(wǎng)條件。

鉛酸蓄電池的使用壽命與環(huán)境溫度密切相關(guān)。環(huán)境溫度越高，蓄電池的使用壽命越短。當(dāng)環(huán)境溫度高于蓄電池設(shè)計(jì)壽命要求溫度(25 oC)時(shí)，溫度每上升10oC，使用壽命縮短一半。

蓄電池的放電次數(shù)、放電深度直接影響蓄電池使用壽命。放電次數(shù)越多、放電深度越深，蓄電池的使用壽命越短。也就是說電網(wǎng)頻繁停電會(huì)降低蓄電池的使用壽命。

對(duì)于室外基站，通常情況下運(yùn)營商無力改善電網(wǎng)條件或者改善電網(wǎng)條件的成本太高、無法承受，所以我們從降低蓄電池的工作環(huán)境溫度入手，來提高蓄電池的使用壽命。

室外柜的傳統(tǒng)散熱方式是風(fēng)扇直通風(fēng)或熱交換器，但這兩種方式都不能使柜內(nèi)溫度低于柜外的環(huán)境溫度。對(duì)于高溫地區(qū)（一般在40℃以上）的應(yīng)用場景，需要通過主動(dòng)散熱，使室外蓄電池柜的柜內(nèi)溫度低于柜外的環(huán)境溫度。中興通訊突破常規(guī)，組合創(chuàng)新，把制冷部件引入了室外蓄電池柜。

通信主設(shè)備(如GSM、傳輸?shù)?和直流電源的功率變化部分（整流器）在設(shè)備運(yùn)行過程中都會(huì)發(fā)熱，而蓄電池卻不同。根據(jù)蓄電池充放電的電化學(xué)機(jī)理，蓄電池放電時(shí)不發(fā)熱。正常充電時(shí)(不過充電)基本不發(fā)熱。即蓄電池在正常使用過程中的發(fā)熱量可以忽略，因此，室外蓄電池柜內(nèi)沒有熱源，需要的制冷量小，據(jù)測算，通常情況下室外蓄電池柜只要200—400W的制冷量就夠了。熱電制冷(Thermoelectric Cooler，即TEC)空調(diào)采用新興的半導(dǎo)體制冷技術(shù)，對(duì)于室外蓄電池柜的應(yīng)用場景，TEC空調(diào)和傳統(tǒng)壓縮機(jī)空調(diào)相比有很多優(yōu)勢：

1) 結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。整個(gè)制冷器由熱電制冷模塊和導(dǎo)線連接而成，不需要壓縮機(jī)，沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因而無振動(dòng)、無摩擦、無噪聲。可靠性高、壽命長(在32℃環(huán)境下壽命大于100,000小時(shí))。

2）制冷不受交流停電影響。采用直流48V供電，在交流停電時(shí)由蓄電池給TEC空調(diào)供電，室外蓄電池柜內(nèi)仍然可以實(shí)現(xiàn)制冷。

3) 制冷效率與制冷量。在大容量情況下，熱電制冷的效率不及蒸氣壓縮式制冷。但是蒸氣壓縮式制冷機(jī)的效率隨容量的減小而下降，且壓縮機(jī)也不可能做得過小，而熱電制冷的效率與容量大小無關(guān)，在冷量負(fù)荷小的應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。對(duì)于室外蓄電池柜應(yīng)用場景(冷量負(fù)荷小)，采用TEC空調(diào)是一個(gè)理想選擇。

4）體積小。特別適合室外柜安裝。

5）性價(jià)比。綜合以上分析，室外蓄電池柜采用TEC空調(diào)，性價(jià)比高。

6) 維護(hù)方便。TEC空調(diào)不需要制冷劑循環(huán)、沒有壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，定期關(guān)注一下防蟲網(wǎng)不要被堵住即可，維護(hù)工作量很小。

7) 綠色環(huán)保。不用氟利昂制冷劑，對(duì)大氣臭氧層無損害，綠色環(huán)保。

基于以上分析，我們選用綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)壓縮機(jī)空調(diào)的TEC空調(diào)作為室外蓄電池柜的制冷部件。

高溫防護(hù)能力良好的系列化TEC室外蓄電池柜

TEC室外蓄電池柜由TEC空調(diào)、柜體、隔熱保溫層等組成。為了滿足安裝不同容量和不同種類蓄電池需要，中興通訊設(shè)計(jì)了系列TEC蓄電池柜，兩種典型的機(jī)柜如圖1所示。圖左機(jī)柜最大可以安裝2組狹長形12V 150Ah AGM或者膠體蓄電池。圖右機(jī)柜最大可以安裝6組狹長形12V 150Ah AGM或者膠體蓄電池（也可以安裝3組寬體12V 150Ah或者200Ah膠體蓄電池）。為了達(dá)到理想的降溫效果，要求機(jī)柜具備良好的隔熱效果，我們對(duì)隔熱棉進(jìn)行了專業(yè)設(shè)計(jì)，盡量使用整張?jiān)牧隙鴾p少開孔和裁剪，隔熱棉采用40mm厚度。與TEC模塊一樣采用IP55防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)。

TEC蓄電池柜在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮制冷效果和產(chǎn)品可靠性，選用先進(jìn)的制冷芯片，高可靠性的風(fēng)扇，保溫性良好的隔熱棉。TEC蓄電池柜具備良好的高溫防護(hù)能力。

圖1 兩種典型TEC蓄電池柜外形圖

綜合解決方案提升蓄電池使用壽命并降低TCO

對(duì)于通信直流電源系統(tǒng)在惡劣應(yīng)用環(huán)境下的室外應(yīng)用，綜合解決方案的要點(diǎn)是通過采用TEC空調(diào)大幅度提高室外蓄電池柜的高溫防護(hù)能力，顯著改善蓄電池的工作環(huán)境。采用TEC空調(diào)的室外蓄電池柜實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，在柜外環(huán)境溫度40℃以上時(shí)，柜內(nèi)溫度比柜外溫度低15℃，蓄電池工作在最佳使用溫度范圍內(nèi)。采用TEC室外蓄電池柜和運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)的普通室外蓄電池柜相比，蓄電池的使用壽命提高了1.5倍，提高幅度非常大。

綜合解決方案采用TEC室外蓄電池柜，在蓄電池柜上增加一些成本投入，獲得了寶貴的高溫防護(hù)能力，使蓄電池工作在最佳使用溫度范圍內(nèi)，避免了因使用壽命過低造成的蓄電池成批更換，避免了現(xiàn)場成批更換蓄電池所需的蓄電池采購成本、相關(guān)運(yùn)輸費(fèi)用和更換的人工費(fèi)用，因此降低了運(yùn)營商的運(yùn)行維護(hù)成本。蓄電池使用壽命的大幅度提高有效保障通信網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運(yùn)行，顯著改善運(yùn)營商的客戶滿意度。因此采用綜合解決方案在蓄電池使用壽命提升的同時(shí)，為運(yùn)營商降低了TCO（Total Cost of Ownership）。

應(yīng)用實(shí)例與用戶價(jià)值

綜合解決方案已經(jīng)在巴基斯坦實(shí)際應(yīng)用。2010年5月中旬， TEC蓄電池柜運(yùn)抵巴基斯坦某運(yùn)營商室外基站，采用綜合解決方案對(duì)該站的直流電源系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場改造。TEC蓄電池柜投入使用后，對(duì)其制冷能力進(jìn)行了測試，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)生成的溫度走勢曲線見圖2。T2為TEC蓄電池柜內(nèi)部溫度，Tc為室外環(huán)境溫度（在遮陽篷下的陰涼處測得），ΔT為環(huán)境溫度與柜內(nèi)溫度的溫差。

圖2 TEC蓄電池柜溫度走勢曲線

從測試結(jié)果看，在中午12:00至下午5:00之間的時(shí)間段，室外環(huán)境溫度較高，最高達(dá)到45℃時(shí)，TEC蓄電池柜可以達(dá)到內(nèi)外溫差15℃的制冷效果。蓄電池柜內(nèi)部溫度可以控制在25℃—30℃之間，滿足蓄電池最佳使用溫度范圍要求。

通過巴基斯坦某運(yùn)營商室外站的直流電源系統(tǒng)現(xiàn)場改造，用戶非常認(rèn)可中興通訊的綜合解決方案，認(rèn)為采用綜合解決方案可以大幅度提高蓄電池在惡劣應(yīng)用環(huán)境下的生存能力，顯著減少蓄電池的維護(hù)工作量，可以有效降低室外站直流電源系統(tǒng)的綜合TCO。