通信基站智能共享型电池供电系统设计

黄显良

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 技术研究背景

传统的基站供备电系统利用开关电源和电池独立给基站供备电。其中，开关电源给电池充电的同时给负载供电。电池固定安装在特定机柜或机架上，二次拆装耗时费力，而且基站网管中心平台只能监控与管理到各个基站机房内部动环监控所遥控、遥信及遥测信息，各个基站之间没有系统性的相互监控和位置信息共享等信息交互功能。基站动环监控和网管中心平台也无法与其他平台或者设备进行互联。

传统电动车主用动力电池供电，并没有备份蓄电池部件，车辆运行到动力电池低压下电即无法再行驶，可能导致在半路宕机，而且动力电池多次低压下电容易导致电池快速老化。电动车更换电池需远距离拖车到维修店、4S店或远程呼叫现场救援进行，且每辆车均为独立的个体，没有统一的网管对车辆状态和车辆位置信息等进行监控与管理，无组网功能，无形中增加了时间成本与动力电池更换成本[1]。

传统应急发电车关键组成部件为移动发电机，其缺乏对车辆状态和车辆位置等信息进行统一监控与管理的网管系统，且无组网功能。传统的基站供备电系统、电动车与应急发电系统等之间无相互交互位置信息、蓄电池剩余容量以及供备电状态等监测等功能，各部件（系统）相互独立，无法实现共享供备电。因此，新设计一种可与电动车、应急发电车互换电池的基站智能共享供备电系统，即在有带备电蓄电池的基站、有储能电池的应急发电车等系统上，通过换电柜中的蓄电池打包，换成可随时更换的电池pack（即插即用，支持热插拔），从而可实现共享供备电等功能。

电池pack可直接应用在动力电池型应急发电车与普通型电动车之间、基站动环监控、网管中心与应急发电车之间进行实时位置及状态、供备电参数信息等信息交互。当基站、应急发电车或电动车等中的任何一处发生电池低压告警时，系统网管中心即可发送电池低压告警设备的地理位置信息，到最接近的维修终端门店，并自动进行开门授权和更换授权等换电流程操作。维修终端门店即可派员到现场执行电池更换等与业务，避免电动车等远距离行驶到维修店/4S店或者远程呼叫现场救援，从而解决电池更换成本问题，且可延长蓄电池寿命，让常年“闲置”的蓄电池得到充分利用。基站智能共享供备电系统主要是满足个人电动车、快递业务电动车、老年代步车以及新能源汽车等对电池的续航和更换需求，在电动车换电行业中具有较好应用前景[2]。

2 通信基站智能共享供备电系统设计方案

2.1 系统总框架

通信基站智能共享供备电系统主要由基站开关电源、基站备电电池pack、基站动环监控、基站通信模块、网管（中心）平台、带应急发电车储能电池及通信模块的应急发电车、带动力电池及通信模块的电动车等构成，系统模型如图1所示。

图1 通信基站智能共享供备电系统

2.2 技术设计方案

设计的基站智能共享供备电系统可实现应急发电车、电动车、基站之间的相互储能和备电共享，有效解决传统基站供备电系统、应急发电系统以及电动车供备电系统之间无法组网的问题。

基站通常包含若干（1到N）个基站，各个基站内放置若干（1到N）个动力锂电池（组），另外还包括基站开关电源、基站电池柜、电源监控模块以及直流配电模块等。开关电源与放置在各个基站内的基站备电电池pack相连接，电源监控模块与基站动环监控相连接，可将供备电所有状态及参数等信息实时上报给基站动环监控，基站动环监控再将所有信息传输到网管中心平台，同时基站动环监控的通信模块与网管中心平台的通信模块进行信息交互。

电动车的动力电池与电动车的主要用电部件，如电机、控制器、刹车以及车灯等进行连接，同时车辆控制器与通信模块进行连接，实时进行车辆状态及参数检测信息的交互。应急发电车储能电池与应急发电车的主要用电部件，如发电及充电控制管理装置、电机、控制器、刹车、车灯等进行连接，同时与通信模块实时进行车辆状态及参数检测信息信息交互。基站、电动车、应急发电车以及网管平台均分别通过通信模块进行无线连接（如GPS、GPRS、4G以及5G等）组网。基站备电电池放置在基站电池柜内，电动车动力电池放置在电动车电池盒内随车而行，而应急发电车储能电池放置在车后电池盒内随车而行[3]。

监控模块负责监测基站电池柜、应急发电车以及电动车的电池（组）容量，通信模块负责将电池容量信息发送至网管中心平台，网管中心平台负责统一管理，实现基站、应急发电车与电动车之间的供备电共享[4]。基站智能共享供备电系统技术原理如图2所示。

图2 基站智能共享供备电系统技术原理图

2.3 基站智能共享供备电系统功能实现

基站智能共享供备电系统功能实现如图3所示，网管平台主要由数据服务器、端站数据采集器以及第二监控模块构成。备电电池、动力电池以及储能电池尽量使用固态锂电池（如磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、锰酸锂电池以及三元锂电池等），液态锂电池（目前未量产，仍在不断摸索研发与制造）等带有电池管理系统（Battery Management System，BMS），其容量密度较高，且可大量并串。基站、应急发电车以及电动车等均通过网管平台进行组网，实时发送地理位置、锂电池容量以及掉电情况等实时信息，网管平台利用电池管理系统可实现对动力锂电池充电容量、充电时间、发电容量、发电时间、电池电压、电池电流、电池最高温度、最低温度、电池SOC、告警信息、四遥、充放电状态、充电限流以及电池单体均衡保护等参数进行监控和保护，并可有效管理电池运行信息采集、信息存储以及计费信息等[5]。基站电池柜主要包括柜体、开关电源、基站电池柜、第一监控模块（温控模块）以及设于柜体上的可充电电力输出接口和应急发电输入接口。应急发电车包括应急发电车车架、应急发电车动力锂电池、应急发电车充电器以及应急发电车监控模块，电动车包括电动车车架、电动车动力锂电池、电动车充电器以及电动车监控模块。此外，电动车动力锂电池、应急发电车动力锂电池以及各个基站内的若干个动力锂电池采用同种规格型号，方便更换和维修。基站动力锂电池通常为备电电池，应急发电车电池一般为储能电池，而电动车电池为常规动力电池。应急发电车动力电池和基站动力电池均可为动力退役电池[6]。

图3 基站智能共享供备电系统构成及功能

基站开关电源的直流配电及电源监控单元能对更换进基站后的基站备电电池pack、电动车动力电池以及应急发电车储能电池进行正常充放电管理，即更换进来的蓄电池与基站原备电电池pack可共用，不会与基站内未更换的基站备电电池pack产生倒灌和环流等现象，不会导致基站备电电池pack、电动车动力电池以及应急发电车储能电池老化、故障或失效[7]。

各监控模块主要功能在于监测基站、电动车以及应急发电车内动力锂电池的电池容量，一旦某个动力锂电池电池容量低于监控阀值，网管平台将发出欠压报警。假设某电动车电池欠压，网管平台的端站数据采集器FSU监测到欠压电动车具体位置后将相关位置信息发送至网管平台，由网管平台通过内部数据信息分析判断此欠压电动车注册授权信息。已经注册授权的，网管平台及时利用手机等终端发送电池容量充足的基站位置或应急发电车位置等信息给车主，通知车主前往换电，同时发送信息给代维提醒授权管理。无注册授权的，系统自动屏蔽且不做任何处理[8,9]。同理，基站、应急充电车电池出现欠压状况时，网管平台同样进行处理。

正常供电状态下系统可实现市电对电池充电，市电失电模式状态下可实现梯次利用电池储能系统对通信机房内设备进行供电。各监控模块可对供电系统的整流模块、逆变模块、电源转换模块、电池管理系统以及冷却系统等进行信息监控管理，监控模块采用串行数据与网络IP包实现各种数据的转换和传输，实现扩展串口通信和远程管理。系统具备接入IP监控设备，能够实现实时图像监控、照明控制、门禁管理以及红外、温湿度、烟感、水浸或防盗报警联动等功能。另外，整个系统结合等电位设计思想，电磁兼容性能和防雷保护措施完备[10]。

3 结 论

基站智能共享供备电系统充分考虑了动力电池全生命周期应用情况，按照绿色环保设计理念，实现了基站、电动车以及应急发电车之间的电池共享复用和动力电池退役梯次利用。用户或代维即可执行最靠近位置更换，避免远距离行驶到店换电或者远程呼叫现场救援换电，解决了可能导致宕机、增加时间成本及电池更换成本的问题，且可延长蓄电池寿命，使得常年闲置的蓄电池得到充分利用，降低了蓄电池闲置率，将闲置转为创收，绿色低碳，节能环保，经济实惠，与民生互利互惠，节能减排。同时，无需等待应急发电，能够快速完成低压或掉电后的发电、备电及换电。