德耐隆淺談高寒環境對通信基站性能影響

  次瀏覽  本站  2021/02/04

我國正在努力實現“穩步推進5G網絡建設，深化共建共享”的目標，5G基站建設如火如荼。高原5G基站特殊的高海拔及嚴寒溫度場景對基站電子器件及電池管理系統的特性影響，從高原基站保溫優化、性能優化兩個方面進行探討，提出了適合高原5G基站應用場景的常見問題的解決方法，為高海拔5G基站的建設維護提供參考。

高原山區5G基站由于維護不便，各通信運營商往往通過加大蓄電池容量以提高后備時間。然而，由于高原基站有著自身特有的高海拔、冬季嚴寒等地理環境特點，對電子器件及蓄電池的配置提出了特殊的要求。傳統的閥控鉛酸電池在高原地區的應用暴露出明顯的缺點：高海拔適應性不足、運輸不便，低溫下循環次數不足，斷站率高。

高原基站場景對電子器件的影響

1.1 高原基站的地理氣象條件

川西高原為青藏高原東南緣和橫斷山脈的一部分，空氣密度較低，其平均海拔3500m，空氣密度0.808kg/f，比標準空氣密度約低34％。

川西高原海拔高差大，氣候立體變化明顯，是典型的高原氣候。大部分地區長冬無夏，春秋相連；降水量少而集中，晝夜溫差大，日照強，陽光充足。年平均氣溫-1.6℃，1月平均溫-12.5℃，極端最低氣溫-35.0℃，被稱為四川的“寒極”。

1.2 磷酸鐵鋰電池技術參數

廠家的生產工藝及使用材料不同，其出廠電池的技術參數略有不同，本文以某電池廠家生產的48NPFC50（50Ah/48V）為例：

工作溫度：-20℃~+60℃；儲存溫度：-5℃~+40℃；

相對濕度：5％～95％，無凝露；海拔高度：0～2000m。

2000m以上降額應用，每升高200m最高工作環境溫度降低1℃，最高工作海拔高度4000m。

1.3 海拔高度的影響

（1） 海拔高度對電池的影響

海拔高度對電池的影響主要體現在引起低密度、低濃度、多孔性材料的物理和化學性質的變化。同時由于內外壓力差的增大，氣體或液體易從密封容器中泄漏或泄漏率增大，蓄電池為具有密封要求的電氣產品，氣壓的改變將間接影響到電氣性能。

（2） 海拔高度對BMS的影響

1） 對絕緣介質強度的影響

電池管理系統和和一般低壓電氣產品一樣，隨著空氣壓力或空氣密度的降低，將引起外絕緣強度的降低。在海拔至5000m范圍內，每升高1000m，即平均氣壓每降低7.7~10.5kPa，外絕緣強度降低8%~13%。

2） 對電氣間隙擊穿電壓的影響

由于基站配電設備的電氣間隙已經固定，隨空氣壓力的降低，其擊穿電壓也下降。為了保證產品在高原環境使用時有足夠的耐擊穿能力，必須增大電氣間隙，高原用電氣產品的電氣間隙可按表1進行修正。

表1海拔高度對設備電氣間隙的影響

1.4 溫度的影響

（1） 對電池的影響

某品牌200Ah磷酸鐵鋰電池在不同的溫度條件下（從-45～+55℃）的放電曲線如圖2所示。

圖2不同溫度條件下特鋰電池的放電曲線圖

圖2中曲線表明：放電容量在25℃時為100%，在-25℃時降為90%，在+55℃時略大于100%。這一現象主要與兩種電池使用的電解液有關。磷酸鐵鋰電池使用的是有機電解液，在0℃以下時,導電率下降很快。

但是，磷酸鐵鋰電池如果在低溫下充電會導致電極表面固體電解質相界面（SEI）膜增厚，使其電阻增加，所以在低于-10℃后，不建議進行充電，當溫度達到表中保護點范圍時（可設定為-15℃），BMS應切斷電路并告警，所以磷酸鐵鋰電池并不適宜在寒冷地區的室外基站露天使用。

（2） 對BMS的影響

高原環境平均空氣溫度和最高空氣溫度均隨海拔升高而降低，電氣絕緣材料的熱老化壽命決定于平均空氣溫度。高原環境空氣溫度的降低可以部分或全部補償因氣壓降低而引起電工產品運行中溫升的增加。環境空氣溫度的補償值為0.5K/hm。

同時高原空氣溫度的日溫差大。較大的溫度變化使產品外殼容易變形、龜裂，密封結構容易破裂。

BMS電氣設備使用在高原基站場景時應在產品設計中考慮這些影響，提高絕緣配合，同時增大電氣間隙，在選擇材料上和器件上綜合考慮，從結構設計和選擇高原型器件入手，解決相關技術問題。

案例

四川移動阿壩分公司松崗基站和腳木足基站分別屬于馬爾康縣轄區內的重要傳輸節點基站，海拔為3200米。

這兩個基站均屬于室內宏站，這二個基站的市電情況和站內安裝通信設備配置基本一致，主設備功耗約40A/48V，具備可比性。

2.1蓄電池組配置

由于鐵鋰電池放電平臺比較平穩，電池的可用容量隨放電電流和時間的變化而變化；另外，實際容量還會受到環境溫度、放電率、放電終止電壓的影響而發生變化。

由于各磷酸鐵鋰電池廠家在產品結構、材料配方等方面有所差別，上述公式可用于電池容量的估算，當電池廠家確定后，應根據廠家提供的恒電流放電數據表，進行查表修正。也有電池廠家給出如下公式：

Q=KIT/η[1-0.006(25-t)]

其中：

Q：電池容量(Ah)；K：安全系數，1~1.2；

I：平均──忙時全局平均放電電流；

T：電池放電時間；

t：實際電芯的最低溫度。電池室有采暖設備時，可按15℃考慮；無采暖設備時，則按所在地區最低室內溫度計算，但不應低于0℃；

25：電池額定容量時的電芯溫度；

0.006：容量溫度系數(即電芯以25℃為標準時，每上升或下降1℃時所增加或減少的容量比值)；

η:電池放電率，見表3；鐵鋰1C放電95%，0.3C放電100%。

表3鉛酸電池和鐵鋰電池放電率

比較之下，前一公式采用了近似計算法，后者較準確，但缺乏根據實際產品的校正。

根據前一公式計算，測試基站的蓄電池組Q≥463Ah。本系統設計為-48V系統。選用單體電壓48V/50Ah的磷酸鐵鋰電池，共10節并聯，或者選用單體500Ah的磷酸鐵鋰電池，共15節串聯構成48V/500Ah電池組；以集成式抗爆安裝方式為宜。

2.2蓄電池對比測試

為了驗證高原基站場景對磷酸鐵鋰電池的影響，在運行三年后對松崗基站和腳木足基站的磷酸鐵鋰電池進行測試。主要測試基站環境溫度、蓄電池容量保存率、單體電池一致性等，并進行數據對比，對環境低溫造成的電池性能影響進行驗證。

基站試運行時間及測試時環境溫度：

馬爾康縣松崗基站，2011年12月6日安裝。

配置及安裝方式：HET48PLi500，10只并聯四層單列電池架分布式安裝。

測試時電池環境溫度:22℃（空調環境）。

馬爾康縣腳木足基站，2011年12月7日安裝。

配置及安裝方式：500AH，15只串聯封閉集成式安裝。測試時電池環境溫度:-10℃（無空調自然環境）。

測試方法：斷開交流電源和直流負載，采用假負載（5000W）放電（至40V時終止），半小時記錄一次。其放電電壓及放電壓電流數據參見表4、表5。（電池放電至40V時終止）

表4 22℃溫度條件下的放電測試記錄表

表5 -10℃溫度條件下的放電測試記錄表

圖3 500AH磷酸鐵鋰電池放電曲線對比圖

根據上面兩個基站所配置的蓄電池不同溫度條件下的測試數據，繪制放電曲線對比圖，通過圖3可以看出，在市電情況、充放電次數和放電電流基本一致的情況下，環境溫度對磷酸鐵鋰電池電池具有顯著的影響?？照{環境中的磷酸鐵鋰電池運行三年后基本保持了100%的容量，而在滿足蓄電池運行的低溫條件下（-10℃），剩余容量約為常溫條件下的70%。

結束語

從上述實驗得知，環境溫度對移動基站內部的影響是不能忽視的！為了減少重量及成本, 配件對材料減薄及實際保溫隔熱有持續的需求，然而這對于材料的可靠性甚至換熱性能都會帶來新的挑戰，未來也將通過保溫材料優化解決。

廣州市綠原環保材料有限公司的德耐隆Telite®產品系列I-HWR-Q采用獨創新材料工藝幫助移動基站（鋰電池）有效抵御戶外高低溫的影響，為電池提供安全合理的工作環境，從而保持電池的溫度一致性，保持電池組的性能使用壽命。

移動基站的保溫隔熱防水防火專用材料德耐隆Telite®的關鍵技術包括導熱、隔熱、保溫，低應力緩釋技術,新型阻燃技術三大技術，在協助電池進行熱管理、降低溫差、實現熱平衡;撞擊、跌落、爆炸瞬間完成沖擊力緩釋;實現在高溫、過充、刺穿防爆中的阻燃隔熱效果等方面將取得決定性的作用。

下面這些特性使德耐隆Telite®保溫隔熱材料在各種電子設備和汽車應用中脫穎而出，并有助于您應對未來大容量鋰電池系統和其他部件的設計和生產的相關挑戰：

?熱阻極低GB/T 10295-2008 0.069[m2.K]/W

?優異的熱穩定性（-200℃至220℃）

?嚴酷條件下的可靠性能——耐熱沖擊、抗氧化、抗潮濕和耐化學品性

?隔熱保溫（導熱系數僅為0.018W/m.k）

高原基站環境主要有高海拔、冬季室外溫度低的特點。鐵鋰電池耐高溫，放電容量穩定，受放電率的影響不如鉛酸電池明顯，運輸成本降低，適用于無機房、無空調、環境溫度在零度以上的高原基站。

高原基站具有海拔高、空氣密度低的特點，高原用磷酸鐵鋰電池電池及BMS組件需要考慮適應問題，在超出2000米后需要降容使用，同時在產品設計階段就需要考慮電氣元件的海拔匹配和適應性。

如果磷酸鐵鋰電池使用在室外站場景，由于高原山區基站的環境溫度通常在零度以下，此時采用電池地埋方式能夠保證電池箱內獲得相對恒溫的工作條件，并且可以起到防盜的作用；同時利用磷酸鐵鋰電池優良的高溫性能，不必擔心大電流充放電產生的高溫對蓄電池壽命的影響，是較為適宜的設計方案。

隨著中國鐵塔公司的成立，各通信運營商合用基站是一種趨勢，負載電流將成倍增加。在基站蓄電池配置中可合理利用鐵鋰電池短時大電流放電的特性，相同的放電時長和放電電流下配置較小容量的鐵鋰電池，可大大減少電池室面積，增加通信設備裝機位置。在磷酸鐵鋰電池綜合造價越來越低的情況下，相信磷酸鐵鋰電池會在通信基站得到更為普遍的應用。