5G基站电源解决方案研究及应用

郭 涛，金立标，江 陵，陈 郁

（1.中国联通苏州市分公司，江苏 苏州 215000；2.中国联通江苏省分公司，江苏 南京 210008）

0 引 言

随着经济、信息技术、电子技术的快速发展，据中华人民共和国工业和信息化部统计信息显示，截至2021年6月，我国已建成5G基站96.1万个，占全球70%，5G连接数已超过3.65亿，占全球80%。下一步，我国将继续大力推进5G、千兆网络等新一代信息通信基础设施建设。5G建设主要面临的挑战是能耗和空间的优化。其中，能耗主要分为通信主设备能耗和配套设施能耗两部分。5G有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）、室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）通信主设备等能耗大幅增加。以中国联合网络通信集团有限公司建设的5G设备标准配置（3个AAU+1个BBU）为例，单个AAU设备平均功耗值0.54 kW、单个BBU设备平均功耗值0.16 kW，总功耗1.87 kW，折算成48 V系统供电，相当于每套5G设备增加直流负载35 A。基站配套设施能耗主要包括空调、电源、建筑结构，其中电源系统一般由交流供电系统、直流配电系统组成，能耗主要包括电源系统的自身损耗、线缆损耗等能量损失。另外，由于5G基站的频率较高，在网络覆盖方面，5G需要增加更多的设备用于连续覆盖。而5G基站需要大量的时间逐步建设，各大运营商都有不同程度的站址稀缺。充分挖掘现有资源，提高机房电源利用率以及区域内的共建共享将会是主流趋势[1]。

1 5G基站动力配套现状及问题

基站通信动力系统设备分为电源设备、空调设备、动力环境监控系统以及防雷接地系统。电源设备主要包括交、直流配电设备。其中，交流配电设备包括油机、交流配电箱、进线电缆等，直流供电设备包括开关电源、蓄电池、直流列头柜等。基站动力系统如图1所示。

图1 基站动力系统示意图

1.1 动力配套设备配置

（1）交流外市电容量不足。5G设备的增加，不仅是直观上开关电源设备直流负载的增加，还有空调冷负荷、蓄电池扩容后充电电流的增加。按照目前运营商现有基站的资源条件，外市电容量根本无法满足5G基站的要求，特别是转供电、租用站点，在“双碳”背景下，变压器扩容难度较大，成本高，扩容改造周期长，根本无法满足5G快速部署的要求。

（2）开关电源容量不足。目前，运营商基站内的主流开关电源主要有600 A组合式开关电源和300 A插框式开关电源两种，配置50 A整流模块，标准机架尺寸1 800×600×800。组合式开关电源占用机房空间，300 A插框式开关电源扩容困难。两种主流开关电源都无法满足5G设备扩容需求且无法实现数字化维护。

（3）蓄电池容量不足。目前，各运营商现有基站大多采用 2 组 300 A·h、500 A·h、1 000 A·h 的铅酸阀控电池作为后备电源。随着使用年限的增加，实际的维护工作中经常出现单组、单体蓄电池落后或开路状态，导致整组蓄电池无法正常使用，剩余容量逐年下降，后备时长缩短。同时，随着5G设备增加，越来越多的站点出现容量不足情况，需要扩容1 000 A·h电池甚至通过并联更多组数才能达到后备时长要求。另外，铅酸存在重量重、体积大、循环使用寿命短等缺点，无法满足后期削峰填谷等新节能技术的推广使用[2]。

1.2 站址稀缺以及基站空间不足

5G时代的到来，意味着同一区域需要的5G通信设备比4G通信设备多。因此，在一个面积紧张、空间狭小的接入机房内要放置更多的机柜，必然要占用大量空间。目前机房内除了机柜，最占用空间的无疑是电源及后备电源，很多机房目前都标配600 A组合式开关电源，2组500 A·h双层双列电池，约占用10个机柜位置。考虑电池维护等因素，实际占用空间更大，因此高密度模块化电源和铁锂电池的空间优势就显得尤为重要。

2 新的供电解决方案

2.1 高功率密度模块化电源

高功率密度模块化电源采用标准19英寸机架式安装，高度仅4U，配置8块高功率75 A整流模块，满配600 A，体积是同容量600 A组合式开关电源的1/4，安装扩容方便，可快速部署。它搭配智能监控单元，可对削峰填谷全周期监控，计量削峰填谷数据，通过对铁锂电池实时监控检测电池整体状态，实现站点数字化、智能化。高密度功率模块化电源结构如图2所示。

图2 高密度功率模块化电源结构

高密度功率模块化电源具有以下优点：一是支持“市电削峰”，支持“错峰用电”，搭配智慧锂电可实现智能储能，合理利用电峰谷电价差，节约成本；二是通信接口丰富，满足RS485、网口、干接点等，便于实现远程管理；三是支持交、直流计量，支持多种计费模式；四是支持光伏高低压平滑叠加供电；五是支持配电单元灵活扩展；六是内置蓝牙和连接密码，采用通用App，用于本地维护[3]。高密度功率模块化电源监控如图3所示。

图3 高密度功率模块化电源监控

2.2 智慧锂电

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，由电极、电解液、外壳、极柱及隔膜组成的蓄能单元。与常规阀控铅酸蓄电池相比，智慧锂电除了具备体积小、重量轻、能量密度高、循环寿命高等优点，还具备以下优势。

（1）满足直流远供、新旧混用、铅锂混用等场景，双向DCDC智能锂电管理系统，完美地解决了常规锂电的短板。

（2）因为体积小、重量轻，智慧锂电在安装时，对空间和承重没有特殊要求，节省了基站空间资源，在有限的空间内尽量为5G设备腾挪空间，易于维护使用。

（3）工作温度范围广。相比常规阀控铅酸蓄电池苛刻的环境温度要求，智慧锂电工作温度在-20～50 ℃（推荐使用温度15～35 ℃），南方高温环境下不会造成容量损失。

（4）状态监测。支持对电芯的电压、温度以及整组的电压、电流检测，具备电荷状态（State Of Charge，SOC）、健康状态（State Of Health，SOH）检测计算，易于维护使用，可以最大限度地提升电池的安全可靠性和使用寿命。

（5）内置先进的电池管理系统（Battery Management System，BMS）功能。电池管理系统搭配双向DC功率变换技术，具备双向升降压功能，可与站点存量电池直接并联使用，满足电池利旧、站点备电平滑扩容需求。

（6）并联扩功率特性。最大支持32组电池并联，支持最大功率不高于4 kW。

（7）告警管理。支持过压、欠压、过流、高低温等异常告警。

（8）恒流恒压。在工作期间内均使用恒流恒压的工作模式且充放电限流可调，避免因电池组自身的不均衡性而导致电池组出现过流保护切断输出，出现“雪崩”效应。

（9）均流控制。通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）通信接口，每个电池可接收其他电池组的数据信息，通过自适应均流策略运算，实现放电均流控制，或采用自适应容量均衡策略运算，实现最佳容量匹配充放电[4]。

2.3 氢燃料电池

氢燃料电池实际是一种质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC），使用H2作为燃料，与空气中的氧气在电堆内反应生成水。通过电化学反应将化学能直接转换为电能，因为氢燃料电池结构构造简单，具有能量转换效率高、噪声小、稳定的特点。同时，反应物H2为可再生清洁能源，电化学反应过程中不产生明火，无安全隐患，生成物为无污染的水且不产生温室气体，是真正绿色环保的新能源。氢燃料电池原理如图4所示。

工作原理如下：一是H2通过管道或导气板到达阳极；二是在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为H2→2H+2e-；三是在电池的另一端，O2（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，O2和H+与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为1/2O2+2H+2e-→H2O，总的化学反应为H2+1/2O2＝H2O。

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给H2和O2，就可以向外电路的负载连续输出电能。

2.4 传统备用电源供电方案与氢燃料电池备用电源供电方案对比

传统备用电源供电方案如图5所示，氢燃料电池备用电源供电方案如图6所示。

图5 传统备用电源供电方案

图6 氢燃料电池备用电源供电方案

与传统的备用电源供电方案相比，氢燃料电池具有以下明显的优势。

（1）应急能力。燃料电池单次能够持续运行24 h甚至更长，而铅酸电池的备用时间一般为8 h左右。

（2）远程监控。监控中心可以通过远程监控模块，实时监测和控制燃料电池各部分的运行状况、库存燃料量；对铅酸电池来讲，监控中心难于监控电池备用时间，需要人工维护。

（3）安全性。氢气作为极易挥发的气体，在储罐泄漏时在敞开空间不积累，安全性远高于汽油、液化气；氢是储存在储罐中，不是在燃料电池中，安全性远高于铅酸电池和锂电池。

（4）使用能耗。电池运行温度范围窄，一般在20～28 ℃，需运行在空调房间，维护能耗非常高。燃料电池的运行范围广，可以在环境温度为-40～50℃内运行，维护能耗几乎为零。

（5）低噪声。与传统的柴油机相比，燃料电池在运行过程中同噪声低，对于静音要求高的场所尤为重要。

（6）绿色环保。与铅酸电池相比，燃料电池在生产、使用及用后可循环过程中对环境污染排放非常低，绿色环保；不同于传统的柴油机，燃料电池在运行过程中不发生燃烧，没有NO2、NO、SO2以及其他固体颗粒产生。

（7）经济性。生命周期内，按8年计算，其花费低于现有的铅酸电池电源系统。

（8）可靠性。在大多数情况下，燃料电池的可靠性和平均无故障时间均高于现有产品。

（9）空间占用。对于相同备用时间的备用电源，氢燃料电池备用电源不占机房内设备空间，且所占空间比普通蓄电池备用小得多，尤其是当备用时间不少于8 h的情况下。

3 5G基站电源解决方案试点效益分析

通过上述的研究分析，中国联合网络通信集团有限公司对于这3项5G供电技术进行了试点安装，针对不同场景的基站，应用不同的技术解决方案。现就试点测试数据及经验分享如下。

3.1 高功率密度模块化电源搭配智慧锂电

中国联合网络通信集团有限公司某分公司八坼友谊路基站机房有5G设备接电需求，基站原搭配1套爱默生PS48600组合式开关电源，直流负载180 A，搭配2组500 A·h双登电池，主要设备为6个4G BBU、8个5G BBU、3个5G AAU，还有电信、移动友商等无线设备，预计5G设备负载需求60 A，现有基站开关电源、电池无法因站点空间限制，已无法扩容[5]。

针对以上情况，于2021年12月采用高功率密度机架电源及智慧锂电进行改造扩容，将600 A高功率密度机架电源及4组48 V的100 A·h智慧锂电集成在一个标准2M机柜内，将无线BBU及新增5G设备接至新设备内，目前该试点运行情况良好，负载85 A，锂电池后备时长满足3 h要求。在基站有限的空间资源条件下，基站空间面积节省3/4，完全满足基站5G设备的接电需求，同时解决原有开关电源、电池容量不足问题。高密度功率模块化电源及智慧锂电试点安装图如图7所示。

图7 高密度功率模块化电源及智慧锂电试点安装图片

3.2 氢燃料电池

中国联合网络通信集团有限公司某分公司的姚桥基站地势偏远，处于县分乡镇区域，发电距离较远，使用移动式发电车发电较为困难，选取该站点进行氢燃料电池的测试。该站采用的氢燃料电池与基站开关电源系统进行了联动，可对此次试验的氢燃料电池进行远程监控，并进行联合调测。测试期间，记录了氢燃料发电机综合能耗、柴汽油消耗量及费用、人工费等，估算10年柴油机发电和氢燃料发电机发电总成本。在试验期间基站内设备运行正常，无故障发生。氢燃料电池试点安装如图8所示。

图8 氢燃料电池试点安装图片

氢燃料电池发电与柴油发电机发电数据对比如表1所示。人工费按100元单次上站计算。燃料费：氢燃料发电机25元/罐，可发电1.5 h；柴油发电机每小时发电约4 L，油价按5.5元/L计算。综合成本包含移动发电车损耗费、油费，发电车按照0.126 L/km计算。

表1 氢燃料电池发电与柴油发电机发电数据对比

由表1可知：氢燃料电池发电与柴油发电机发电数据进行了分析，通过横向和纵向的对比，在试验期间使用氢燃料发电机设备给基站供电1 h，可降低常规柴油发电机供电1 h成本90.6%。以10年估算，使用氢燃料发电机设备，能够降低总成本32.8%。

4 结 论

随着5G设备接电需求的增加及5G设备的大面积部署，通过对高功率密度模块化电源及智慧锂电的优势分析，提出将高功率密度模块化电源搭配智慧锂电使用应用于5G高负荷站点，实现快速扩容、快速安装，深挖现有基站的资源，利用现有基站的空间完成5G接电需求，完美匹配多种特殊场景，为5G基站供电建设、扩容提供了多种思路。通过高功率密度模块化电源搭配智慧锂电试点情况来看，在大部分站点沿用传统供电方案的情况下，综合考虑机房现有条件，利用各种新的解决方案可以有效快速地实现5G基站快速建设。通过氢燃料电池试点情况来看，使用氢燃料电池替代现有的蓄电池和移动油机发电设备，不仅能够保证市电停电后中基站设备的持续供电，而且大大降低基站备用电源的蓄电池组、移动油机、汽柴油消耗、人工和空调电费成本投入。氢气充足的情况下，氢燃料发电机供电时长可达20 h以上，同时运行过程中的噪声较低。氢燃料电池设备及燃料绿色环保，能够很好地满足目前“双碳”形势下的规划目标，在满足基站安全的条件下，可在运营商选取合适的基站大力推广使用。