蓄電池在惡劣應用環(huán)境下的綜合解決方案

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

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

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

蓄電池在惡劣應用環(huán)境下面臨的問(wèn)題

隨著(zhù)室外基站應用增多，惡劣應用環(huán)境下蓄電池故障逐漸凸顯出來(lái)，如巴基斯坦、印度等南亞地區，既給運營(yíng)商造成了經(jīng)濟損失又損害了運營(yíng)商的客戶(hù)滿(mǎn)意度。針對在惡劣應用環(huán)境下蓄電池大量損壞，中興通訊進(jìn)行了廣泛調研，深入了解蓄電池的應用場(chǎng)景，調查分析蓄電池故障原因。問(wèn)題的關(guān)鍵不在蓄電池本身，問(wèn)題出在室外蓄電池柜沒(méi)有考慮對蓄電池進(jìn)行高溫防護。要想根本解決問(wèn)題，必須提供蓄電池在室外惡劣環(huán)境下應用的綜合解決方案。

室外蓄電池柜主動(dòng)散熱技術(shù)的對比分析

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(shuō)起。對于通信直流電源系統中的鉛酸蓄電池，用戶(hù)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。當環(huán)境溫度高于蓄電池設計壽命要求溫度(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、放電深度直接影響蓄電池使用壽命。放電次數越多、放電深度越深，蓄電池的使用壽命越短。也就是說(shuō)電網(wǎng)頻繁停電會(huì )降低蓄電池的使用壽命。

對于室外基站，通常情況下運營(yíng)商無(wú)力改善電網(wǎng)條件或者改善電網(wǎng)條件的成本太高、無(wú)法承受，所以我們從降低蓄電池的工作環(huán)境溫度入手，來(lái)提高蓄電池的使用壽命。

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

通信主設備(如GSM、傳輸等)和直流電源的功率變化部分（整流器）在設備運行過(guò)程中都會(huì )發(fā)熱，而蓄電池卻不同。根據蓄電池充放電的電化學(xué)機理，蓄電池放電時(shí)不發(fā)熱。正常充電時(shí)(不過(guò)充電)基本不發(fā)熱。即蓄電池在正常使用過(guò)程中的發(fā)熱量可以忽略，因此，室外蓄電池柜內沒(méi)有熱源，需要的制冷量小，據測算，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)空調采用新興的半導體制冷技術(shù)，對于室外蓄電池柜的應用場(chǎng)景，TEC空調和傳統壓縮機空調相比有很多優(yōu)勢：

1) 結構簡(jiǎn)單、可靠性高。整個(gè)制冷器由熱電制冷模塊和導線(xiàn)連接而成，不需要壓縮機，沒(méi)有機械轉動(dòng)部件，因而無(wú)振動(dòng)、無(wú)摩擦、無(wú)噪聲?？煽啃愿?、壽命長(cháng)(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空調供電，室外蓄電池柜內仍然可以實(shí)現制冷。

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的效率隨容量的減小而下降，且壓縮機也不可能做得過(guò)小，而熱電制冷的效率與容量大小無(wú)關(guān)，在冷量負荷小的應用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。對于室外蓄電池柜應用場(chǎng)景(冷量負荷小)，采用TEC空調是一個(gè)理想選擇。

4）體積小。特別適合室外柜安裝。

5）性?xún)r(jià)比。綜合以上分析，室外蓄電池柜采用TEC空調，性?xún)r(jià)比高。

6) 維護方便。TEC空調不需要制冷劑循環(huán)、沒(méi)有壓縮機轉動(dòng)，定期關(guān)注一下防蟲(chóng)網(wǎng)不要被堵住即可，維護工作量很小。

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

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

高溫防護能力良好的系列化TEC室外蓄電池柜

TEC室外蓄電池柜由TEC空調、柜體、隔熱保溫層等組成。為了滿(mǎn)足安裝不同容量和不同種類(lèi)蓄電池需要，中興通訊設計了系列TEC蓄電池柜，兩種典型的機柜如圖1所示。圖左機柜最大可以安裝2組狹長(cháng)形12V 150Ah AGM或者膠體蓄電池。圖右機柜最大可以安裝6組狹長(cháng)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）。為了達到理想的降溫效果，要求機柜具備良好的隔熱效果，我們對隔熱棉進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)設計，盡量使用整張原材料而減少開(kāi)孔和裁剪，隔熱棉采用40mm厚度。與TEC模塊一樣采用IP55防護等級設計。

TEC蓄電池柜在產(chǎn)品設計時(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

對于通信直流電源系統在惡劣應用環(huán)境下的室外應用，綜合解決方案的要點(diǎn)是通過(guò)采用TEC空調大幅度提高室外蓄電池柜的高溫防護能力，顯著(zhù)改善蓄電池的工作環(huán)境。采用TEC空調的室外蓄電池柜實(shí)驗測試結果表明，在柜外環(huán)境溫度40℃以上時(shí)，柜內溫度比柜外溫度低15℃，蓄電池工作在最佳使用溫度范圍內。采用TEC室外蓄電池柜和運營(yíng)商現網(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能力，使蓄電池工作在最佳使用溫度范圍內，避免了因使用壽命過(guò)低造成的蓄電池成批更換，避免了現場(chǎng)成批更換蓄電池所需的蓄電池采購成本、相關(guān)運輸費用和更換的人工費用，因此降低了運營(yíng)商的運行維護成本。蓄電池使用壽命的大幅度提高有效保障通信網(wǎng)絡(luò )的安全可靠運行，顯著(zhù)改善運營(yíng)商的客戶(hù)滿(mǎn)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)，為運營(yíng)商降低了TCO（Total Cost of Ownership）。

應用實(shí)例與用戶(hù)價(jià)值

綜合解決方案已經(jīng)在巴基斯坦實(shí)際應用。2010年5月中旬， TEC蓄電池柜運抵巴基斯坦某運營(yíng)商室外基站，采用綜合解決方案對該站的直流電源系統進(jìn)行了現場(chǎng)改造。TEC蓄電池柜投入使用后，對其制冷能力進(jìn)行了測試，根據現場(chǎng)測試數據生成的溫度走勢曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。T2為T(mén)EC蓄電池柜內部溫度，Tc為室外環(huán)境溫度（在遮陽(yáng)篷下的陰涼處測得），ΔT為環(huán)境溫度與柜內溫度的溫差。

圖2 TEC蓄電池柜溫度走勢曲線(xiàn)

從測試結果看，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，最高達到45℃時(shí)，TEC蓄電池柜可以達到內外溫差15℃的制冷效果。蓄電池柜內部溫度可以控制在25℃—30℃之間，滿(mǎn)足蓄電池最佳使用溫度范圍要求。

通過(guò)巴基斯坦某運營(yíng)商室外站的直流電源系統現場(chǎng)改造，用戶(hù)非常認可中興通訊的綜合解決方案，認為采用綜合解決方案可以大幅度提高蓄電池在惡劣應用環(huán)境下的生存能力，顯著(zhù)減少蓄電池的維護工作量，可以有效降低室外站直流電源系統的綜合TCO。