淺談惡劣環(huán)境下的蓄電池應用方案

　　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(tǒng)中的重要組成部分，相當于備用電源，是通信直流電源系統(tǒng)的最后一道防線。

　　在電信業(yè)務的初期發(fā)展過程中，運營商對蓄電池關注較少，在交流停電時蓄電池能供電就可以了。近年來，電信運營領域的競爭加劇、愈演愈烈，運營商對蓄電池的使用壽命、維護工作量、TCO非常關注，要求越來越高。

　　隨著通信網(wǎng)絡的發(fā)展與技術進步，為了節(jié)省建設成本、加快建設周期，在城鄉(xiāng)結合部、小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，運營商往往不建設機房或者移動方艙，而是采用室外柜方案安置通信主設備及直流電源系統(tǒng)。近年來，全球主流運營商的新建基站中，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(qū)（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(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)境下面臨的問題

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

　　室外蓄電池柜主動散熱技術的對比分析

　　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)品特性說起。對于通信直流電源系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池，用戶最關注的是使用壽命。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。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，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)頻繁停電會降低蓄電池的使用壽命。

　　對于室外基站，通常情況下運營商無力改善電網(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)散熱方式是風扇直通風或熱交換器，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。對于高溫地區(qū)（一般在40℃以上）的應用場景，需要通過主動散熱，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。

　　通信主設備（如GSM、傳輸?shù)龋┖椭绷麟娫吹墓β首兓糠郑ㄕ髌鳎┰谠O備運行過程中都會發(fā)熱，而蓄電池卻不同。根據(jù)蓄電池充放電的電化學機理，蓄電池放電時不發(fā)熱。正常充電時（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)采用新興的半導體制冷技術，對于室外蓄電池柜的應用場景，TEC空調(diào)和傳統(tǒng)壓縮機空調(diào)相比有很多優(yōu)勢：

　　1） 結構簡單、可靠性高。整個制冷器由熱電制冷模塊和導線連接而成，不需要壓縮機，沒有機械轉動部件，因而無振動、無摩擦、無噪聲?？煽啃愿摺勖L（在32℃環(huán)境下壽命大于100，000小時）。

　　2）制冷不受交流停電影響。采用直流48V供電，在交流停電時由蓄電池給TEC空調(diào)供電，室外蓄電池柜內(nèi)仍然可以實現(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的效率隨容量的減小而下降，且壓縮機也不可能做得過小，而熱電制冷的效率與容量大小無關，在冷量負荷小的應用領域具有優(yōu)勢。對于室外蓄電池柜應用場景（冷量負荷?。?，采用TEC空調(diào)是一個理想選擇。

　　4）體積小。特別適合室外柜安裝。

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

　　6） 維護方便。TEC空調(diào)不需要制冷劑循環(huán)、沒有壓縮機轉動，定期關注一下防蟲網(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，我們對隔熱棉進行了專業(yè)設計，盡量使用整張原材料而減少開孔和裁剪，隔熱棉采用40mm厚度。與TEC模塊一樣采用IP55防護等級設計。

　　TEC蓄電池柜在產(chǎn)品設計時充分考慮制冷效果和產(chǎn)品可靠性，選用先進的制冷芯片，高可靠性的風扇，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(tǒng)在惡劣應用環(huán)境下的室外應用，綜合解決方案的要點是通過采用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)的室外蓄電池柜實驗測試結果表明，在柜外環(huán)境溫度40℃以上時，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、相關運輸費用和更換的人工費用，因此降低了運營商的運行維護成本。蓄電池使用壽命的大幅度提高有效保障通信網(wǎng)絡的安全可靠運行，顯著改善運營商的客戶滿意度。因此采用綜合解決方案在蓄電池使用壽命提升的同時，為運營商降低了TCO（Total Cost of Ownership）。

　　應用實例與用戶價值

　　綜合解決方案已經(jīng)在巴基斯坦實際應用。2010年5月中旬， TEC蓄電池柜運抵巴基斯坦某運營商室外基站，采用綜合解決方案對該站的直流電源系統(tǒng)進行了現(xiàn)場改造。TEC蓄電池柜投入使用后，對其制冷能力進行了測試，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

　　從測試結果看，在中午12:00至下午5:00之間的時間段，室外環(huán)境溫度較高，最高達到45℃時，TEC蓄電池柜可以達到內(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。

　　通過巴基斯坦某運營商室外站的直流電源系統(tǒng)現(xiàn)場改造，用戶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(tǒng)的綜合TCO。