钠盐电池在通信接入局站的应用实例探析

俞 迪，吴 慧，吴伟强

（1.中国电信股份有限公司 湖州分公司，浙江 湖州 313000；2.浙江安力能源有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引 言

随着5G时代的到来，5G基站设备功率是现有4G基站的3～4倍，运营商亟需解决网络建设阶段的电力配套扩容问题与网络运营阶段的新增能耗问题[1]。由于基站和综合接入局站空间有限，如何实现机房空间的高效利用是扩容时需关注的重点。同时，在绿色低碳高质量发展背景下，运用储能技术进行“削峰填谷”也是运营商有效降低能耗成本的可选方案[2]。

目前通信机房大部分备电电源使用的是铅酸蓄电池，但是铅酸电池普遍存在能量密度低（占地面积大和重量重）、运行环境温度要求高、放电效率低、寿命短以及可靠性低等问题[3]。根据对基站断站数据的统计分析，电池原因约占40%。

随着电源技术的快速发展，各种体系的电池相继出现，如锂电池、液流电池、钠-氯化镍电池等，为通信基站备电电源升级带来新的契机。湖州电信公司根据实际应用特点和需求，在众多电池技术中挑选新型的环保钠-氯化镍电池（简称“钠盐电池”）作为基站备电电源，进行基站备电和储能模式探索。

1 钠盐电池概述

钠盐电池是20世纪80年代在国外发展起来的一种新型电池，该电池被应用于车载动力[4]、潜艇备电[5]、通信基站以及电网储能领域等，因具有安全性、长寿命以及绿色环保等性能而备受推崇[6]。

1.1 电池反应机理

钠盐电池正极为NiCl2，负极为Na，电解质兼隔膜是氧化铝陶瓷，第二电解质是NaAlCl4。其充放电反应方程式为：

1.2 电池特性

1.2.1 安全性高

钠盐电池的安全性体现在3个方面。一是本身材料体系，本身材料和装配零部件具有高沸点、高熔点特性（钠金属除外）[7]；二是化学反应，电池反应温和，无任何易燃、易爆物产生；三是结构设计，单体电芯通过真空金属焊接方式牢固密封，电池包用双层不锈钢焊接，电池管理系统有继电器保险丝防护。单体电芯通过UL1973的短路、撞击、振动、热循环以及火烧等实验，获得相关认证证书。电池包经过严苛的实验，获得UL1973认证、泰尔和CE相关认证，安全可靠[8]。

1.2.2 能量密度高

钠盐电池的额定电压为2.58 V，高于铅酸、镍氢等体系电池的电压平台，低于锂电池的电压平台。相较于应用较为广泛的铅酸电池，钠盐电池的质量能量密度和体积能量密度是其3倍左右（单体电芯能量密度120～130 Wh/kg，体积能量密度300～310 Wh/L）。实际应用时，钠盐电池能量密度高、占用空间小，不仅有助于提高机房空间利用率，同时也降低了对机房承重的要求[9]。

1.2.3 使用寿命长

钠盐电池具有较长的循环寿命和备电浮充寿命。根据相关文献阐述，钠盐电池充放电循环次数在3 000次以上，若是只作为备电浮充电池，其浮充寿命在15年左右。钠盐电池在应用时，允许单串回路中有5%的单体电芯损坏。单体电芯失效后，电压为0 V，该电芯变成一个导体，不影响该串电池正常运行，不会造成安全事故，该特征有别于其他电池。

1.3 E4815钠盐电池包

钠盐电池一般以电池包的形式应用于实际环境中，电池包结构包含单体电池、正负极柱、加热板、温度传感器、陶瓷保护套、云母、保温棉、不锈钢内外箱体以及电池管理系统（Battery Management System，BMS）等部件。以通信系统行业48 V备电采用的E4815电池包为例，单个电池包由6路串电池并联组成，每路串电池由21只单体电芯串联，总共126只单体电芯。基于钠盐电池的安全性，并未采集每只电池的电压，仅对每一串的中间点电压进行测试比较，根据特有的判定逻辑来判定电池的好坏。

E4815电池包可作为独立单元应用，也可根据应用需求并联使用，其基本参数见表1。

表1 E4815基本参数

1.3.1 E4815电池包的不同小时率性能

E4815钠盐电池是一款能量型电池，图1是其不同小时率的放电曲线。

图1 E4815钠盐电池放电曲线

从图1可以看出，10小时率和5小时率都具有良好的放电曲线平台，标称容量基本能100%放出。图2是对标铅酸电池（48V/200Ah）不同小时率的放电曲线。

图2 铅酸电池放电曲线

从图2可以看出，5小时率不能100%放出标称容量，电压平台较低，铅酸电池整体放出的有效能量低于钠盐电池[10]。

1.3.2 高低温性能

高低温性能主要指电池包在不同环境温度下的放电性能，由于钠盐电池包的隔热层具有良好的保温效果，因此环境温度对电池包的放电容量影响较小。图3是E4815电池包在常温25 ℃、高温60 ℃以及低温-40 ℃的I5放电曲线。

图3 电池包在不同温度下的放电曲线

由图3可知，常温25 ℃、高温60 ℃以及低温-40 ℃的I5放电曲线完全重合，说明钠盐电池能够适应较大的环境温度变化。该性能意味着钠盐电池应用时不需要额外制冷或加热，能够适应各种室内或室外高低温场景。

2 钠盐电池在通信接入站点的应用实例

2.1 示范站点配置情况

通信局站实际应用的钠盐电池系统主要包括钠盐电池包和远程通信控制模块，现场效果见图4。

图4 钠盐电池在通信局站的应用

钠盐电池包自带BMS，远程通信模块分别与BMS、机房电源动环监控系统通信，具体配置见表2。

表2 钠盐电池系统配置清单

两个示范站点均用钠盐电池系统替换了原有的铅酸电池系统，安装的钠盐电池包数量根据机房的负荷和业务等级而定，具体见表3。多个钠盐电池包应用时，钠盐电池包进行并联使用。示范站点1主要用于浮充备电和峰谷储能，示范站点2用于浮充备电，其中站点2市电断电频率较高。

表3 示范站点钠盐电池配置表

2.2 示范站点使用情况

2.2.1 备电功能

在实际应用时，钠盐电池体现了良好的备电性能。2020年3月21日凌晨03:58市电停电，站点1在电池启用备电与储能功能的情况下，电池持续供电5 h。5 h后柴油发电，电池的SOC还剩53%，验证了电池的备电符合要求，具体数据曲线见图5和图6。图5显示的是电压、荷电状态随放电时间的变化趋势，图6是负载功率和电流的变化曲线。相比锂电池，钠盐电池能长期浮充在线，当电网断电时更易于实现无缝切换。

图5 钠盐电池实用场景放电时间的曲线

图6 基站放电功率、电流曲线

示范点2安装两只电池包，负载2.4 kW，备电10 h，电池一直处于浮充状态。持续运行一段时间后，查看电池串的中间点电压，并未发现有任何电池异常，电池运行状态良好。具体数据见表4和表5。

表4 示范点2电池包1内各电池组串压差

表5 示范点2电池包2内各电池组串压差

2.2.2 削峰填谷

示范站点通过后台设定程序，在符合备电要求的情况下将多余的能量根据电价进行削峰填谷，峰谷时间与充放电设置见表6。

表6 削峰填谷时间设置表

参照钠盐电池10小时率放电特性曲线，预留3～5 h应急时间，其实际运行曲线见图7。

图7 峰谷储能SOC变化

2.2.3 智能管理

电池管理系统BMS内嵌在钠盐电池包中，通过物联网与云技术将数据上传至管理平台，可通过专门的App或电脑Web页面实时监测电池系统和示范站点电源的工作状态及运行情况，对出现的电池衰减问题进行成因分析。通过精准控制保障电池的安全，实现电池的智能化管理。

2.2.4 空调节能

示范站点空调具有人工智能（Artificial Intelligence，AI）控制功能。使用钠盐电池后，启用深度AI控制模式，将机房最高环境温度提升至35 ℃，可以有效降低空调能耗。

2.3 成效分析

2.3.1 安全性

经过两年多的实际使用，钠盐电池未出现外观变形、过热、漏液、异味等情形，提升了通信机房的安全性。此外，钠盐电池包单体重量达到148 kg，置于无人值守的接入站点可以降低电池被偷盗的风险，进而减少由此造成的通信网络中断故障。

2.3.2 经济性

示范站点利用钠盐电池的储能功能，开启削峰填谷模式后，通信设备用电节能降费率约为24.5%。此外，钠盐电池对环境温度的适应性好，示范站点的空调在室温达到35 ℃时才启动，空调能耗比普通AI控制节能模式（室温30 ℃启动）有所节约。通过使用上述节能技术，该站点全年共节约电费9 606.8元。相较于铅酸电池，钠盐电池具备在线实时监测等功能，可节约每年每站1 000元的电池容量检测费用。此外，钠盐电池的能量密度是铅酸的2～3倍，示范站点的占地面积平均减少50%。利用钠盐电池运行环境温度范围广、体积小等特性，可以逐步实现机房去空调化，进一步降低投资和运营成本。

3 结 论

将钠盐电池应用于通信机房，经过两年多的实践与分析，已经初步验证了钠盐电池的优点。通过应用钠盐电池，在提升机房安全性和空间利用率的同时，能有效降低5G基站、通信机房的能耗成本，有利于通信企业贯彻落实绿色发展理念并构建绿色信息网络，提升行业绿色低碳发展水平，助力实现“碳达峰、碳中和”。