2022年新一代智慧锂电技术演进白皮书.pdf

新一代智慧锂电新一代智慧锂电技术技术演进演进白皮书白皮书 中国联通中国联通 20222022 年年 5 5 月月 目录 1 引言.1 2 电池系统面对的挑战.2 2.1 电池系统应用现状.2 2.2 通信系统备电现状.8 2.3 现有电池存在问题.11 3 电池系统技术演进.18 3.1 技术演进方向.18 3.2 技术架构组成.24 4 适应 5G 网络的电池备电策略.27 4.1 备电架构技术演进方向.27 4.2 各等级机房备电方案.29 5 智慧锂电推进规划.32 5.1 实施规划.32 5.2 产业链推进建议.33 6 总结和展望.35 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 1 1 1 引言 在过去的三十年里，移动通信经历了从语音业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展，不仅深刻地改变了人们的生活方式，也极大地促进了社会和经济的飞速发展。移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主要驱动力，为第五代移动通信（5G）提供了广阔的应用前景。面向 2022 年及未来，数据流量的千倍增长，千亿设备连接和多样化的业务需求都将对 5G 系统设计带来严峻挑战。与4G 相比，5G 将支持更加多样化的场景，融合多种无线接入方式，并充分利用低频和高频等频谱资源。同时，5G 还将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求，大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。随着通信业务的快速发展，通信设备集成化程度和业务承载能力大幅度升高，单架设备用电需求增长迅速，对通信局房现有的电池备电系统提出了更高的保障等级要求。随着互联网、云计算等蓬勃发展，ICT 业务融合的趋势也不断加强，下一代未来网络对供电系统建设和运营提出了新的要求：具备高可靠性、高效、灵活扩展的供电能力，可应对突发业务的高承载力，具备融合性、智能化、可扩展性的保障电源系统运营管理能力，以及轻量化、低成本的保障电源系统建设模式和运行模式。电池是保障电源系统的重要组成部分，目前正处于铅酸电池时代向锂电池时代迈进的关键时期，如何解决铅酸电池时代遗留的主要问题，应对国际、国内双碳政策，都将是锂电池时代亟需解决的关键难题。本白皮书将研究可用于 5G 网络、数据中心的智慧锂电技术，并提出具体的发展方向，结合在网通信备电系统建设现状，提出分阶段备电架构演进规划。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 2 2 2 电池系统面对的挑战 2.1 电池系统应用现状 1）通信用铅酸电池现状 铅酸蓄电池由于其安全稳定、性价比高等优点，在电池领域占据较高的市场份额，并被广泛应用于汽车起动、通信、储能等领域。尤其在通信领域，铅酸电池市场占有率在 90%以上。铅酸蓄电池与可供选择的其它电化学储能系统相比，具有较低的能量密度，但仍然是世界上最重要的二次电源，这是因为只考虑能量密度是不够的，在最终的评价中，能量密度、寿命、成本共同决定了电池在工业中的使用价值。此外，电池的特性，如比能量、可靠性、原材料的来源以及回收再利用的可能性，也非常重要。综合考虑上述因素，铅酸蓄电池是一个好的折中选择。因此，铅酸蓄电池在未来一定时期，仍然是最重要的电化学储能系统，这在对铅的重量要求不高的固定电池应用中特别适用，对于这些应用，体积能量密度比重量能量密度更重要，因此铅酸蓄电池是更合适的选择。随着 5G 通信技术发展，市电保障提升，运营商对铅酸蓄电池的应用提出了多样化的需求，如短时大电流放电、集成化等要求。5G 技术的主要特点为：高可靠，低延时；增强型移动宽带；大规模机器通信。5G 技术的应用特点对蓄电池的高温性能、可靠性和寿命提出了更高要求，需要电池机房配备机房空调，导致产生更高的建设和运营成本。在户外通信基站，后备电池的工作环境恶劣，温度变化范围宽，有时可能达到 45以上高温。作为后备用的阀控式密封铅酸蓄电池一般采用铅钙合金作为新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 3 板栅材料，这种合金通常加入 0.06%0.1%的 Ca，这将保证电池具有较高的析气过电位，耐腐蚀性良好，从而延长浮充寿命。但是较高含量的 Ca 会容易导致晶粒间腐蚀，特别是在高温条件下腐蚀变得更剧烈，腐蚀产生的钝化层增大了内阻，充电过程中产生更多的热量，形成恶性循环，从而导致热失控，使电池寿命过早终结，最终加速了电池更换周期，增加了运营成本。虽然运营商采用恒温蓄电池柜技术，对节能降耗有一定作用，但效果仍不尽如人意。在实际应用中，AGM 隔板的阀控式密封铅酸电池普遍存在运行不稳定，容易发生热失控，电解液存在层化，极板硫酸盐化，板栅腐蚀等导致电池的使用寿命偏低等问题，对通信系统运行的可靠性造成威胁。2）通信用锂电池应用现状 锂电池是 20 世纪开发成功的新型高能电池，可以理解为含有锂元素（包括金属锂、锂合金、锂离子、锂聚合物）的电池，可分为锂金属电池（极少的生产和使用）和锂离子电池（现今大量使用）。因其具有能量密度高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事、民用电器、纯电动汽车、储能电站中。5G 时代下，小型基站日益成为一种主流。这是因为 5G 的流量承载能力需达到 4G 的 3 倍以上，这就要求热点区域容量扩展以及信号深度覆盖，运营商的网络架构正在从传统的宏蜂窝向分布式基站转变，5G 时代需要增加更多的小型基站对宏基站形成补充，最终促使小型基站占比的提升。相较于宏基站，小型化基站的特点为：集成度更高、产品尺寸更小，一般设置在城市的人口密集处、室内、楼宇电梯等地，特殊的地理位置及环境要求基站集成美化、尽量减少占地面新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 4 积、和谐融入环境。基于小型基站的特点，对通信后备电池提出了新的需求：安装场景及形式多样化，安装空间小，需要高能量密度的电池；条件简陋，提供空调难度较大，要求电池工作温度的适应范围广。这两个条件对通信后备电源的性能提出了硬性标准，而铁锂电池却能很好的解决上述问题。因此，锂电池系统在 5G 时代脱颖而出，能够适用于机房、楼道、竖井、户外、应急通信车等多种环境，采用的标准 19 英寸结构，同时支持上架、壁挂、入箱等多种安装方式，方便快速部署，可为 RRU、BBU、EPON、GPON、WLAN、光猫、直放站、干放、末端光传输、交换机、微蜂窝、基站等多种通讯设备提供后备电源。图 2-1 通信用锂电池发展历史 表 2-1 通信用锂电池技术指标发展表 技术特征 年间 20092011 20112013 20132020 电芯容量 10Ah20Ah 10Ah50Ah 10Ah280Ah 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 5 电芯材料 磷酸铁锂 磷酸铁锂 以磷酸铁锂为主、三元试点 系统容量 10Ah50Ah 10Ah300Ah 20Ah2000Ah 电池串数 15 串 电信：15 串 国内：16 串 联通、移动：16 串 国际：15 串 25 循环寿命 800 次 1000 次 循环型：3500 次 标准型：1200 次 BMS 功能 基本保护功能为主 增加告警、开关机、充电限流功能 增加通讯协议、反接保护、存储功能 模组尺寸 19 英寸4U 机箱 19 英寸3U 机箱 19 英寸3U 机箱,深度区分软包与铝壳 应用场景 3G 微蜂窝、特殊场景 市分、宏站 普通基站、4G 宏站、5G 基站 IDC、微基站、户外机柜 价格趋势 昂贵 较贵 一般 表 2-2 锂电池技术标准发布情况表 发布时间 标准类型 标准名称 发布单位 2009.4 技术报告 YDB 0322009 通信用后备式锂离子电池组 通信标准化协会 2011.12 行业标准 YD/T 2344.12011 通信用磷酸铁锂电池组 第 1 部分：集成式电池组 工信部 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 6 2012.12 企业标准 QB-H-005-2012 通信基站用磷酸铁锂电池 中国移动 2015.10 行业标准 YD/T 2344.22015 通信用磷酸铁锂电池组 第 2 部分：分立式电池组 工信部 2016.9 企业标准 Q/ZTT 2217.3-2016 蓄电池技术要求 第 3 部分：磷酸铁锂电池组（集成式）中国铁塔 2017.7 技术文件 梯次利用磷酸铁锂电池组 中国铁塔 3）梯次锂电的现状 梯次电池是指电动汽车等领域的动力电池不能满足现有电动车辆的功率和能量需求时，将其转移应用到对电池能量密度、功率密度等特性要求相对较低的其它领域。这些动力电池在通信基站中的梯次利用，使动力电池得到最大限度的应用，节省了社会资源，并且减少废弃物排放，降低环境污染，实现动力电池再生利用的目的。动力电池相比于传统通信基站中采用的铅酸电池，具有能量密度高、循环寿命长、能量转化率高、温度适应范围宽等应用优势。目前退役动力电池主要是磷酸铁锂电池，下面对梯次磷酸铁锂电池与铅酸电池在性能方面进行简单的对比分析。梯次电池的优点：（1）循环寿命。梯次动力锂电池使用寿命长、循环次数多。在电动汽车退新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 7 役被重新利用后，仍具有 6 年的剩余寿命和 400-2000 次的剩余循环次数。而全新的传统铅酸电池一般为 3-6 年使用寿命和 200 次的实际循环次数，因此在循环寿命次数指标上，梯次电池相比传统铅酸电池有大幅的提高。（2）温度性能。磷酸铁锂电池工作温度范围宽，一般在-1055之间都能正常使用；而铅酸电池的使用温度一般在 530之间，温度太高会损坏电池，减少电池使用寿命，太低又会影响电池活性。梯次电池的耐高温、低温性能，尤其适合在高温、低温地区使用，可以降低对通信基站的空调系统依赖。（3）能量密度。磷酸铁锂电池产品重量比能量最大可超过 130 Wh/Kg，体积比能量为 210Wh/L；铅酸电池产品重量比能量为 40 Wh/Kg 左右（0.2C，25），体积比能量为 70Wh/L。指标对比显示，梯次电池具有占地小、重量轻、运输成本低的优点。（4）绿色环保。磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，通过无毒（SGS）认证；铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，将对环境造成二次污染。表 2-3 铅酸电池与梯次电池技术指标对比表 电池性能指标 铅酸电池 梯次电池 标称循环寿命（次）200 4002000 能量密度（Wh/kg）3045 90120 工作温度（）530-2055 环保性 含铅、容易二次污染 无毒、相对环保 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 8 2.2 通信系统备电现状 1）传统通信局站电池应用情况 二十世纪九十年代，随着阀控式铅酸蓄电池的技术成熟和产能提升，通信局站普遍开始采用阀控式铅酸蓄电池作为备用电源，由于当时大部分通信设备都安装在室内，并配置空调设备，环境温度能够满足阀控式铅酸蓄电池正常工作的要求。个别供电保障等级高的室外一体化基站虽然也需要采用电池备电，但由于阀控式铅酸蓄电池不适应室外高温等恶劣天气，只能安装在距离室外基站较远的机房中，采用交流或直流拉远方式为基站设备供电。因此从二十世纪九十年代到 2020 年左右，阀控式铅酸蓄电池一直是各类通信基站的首选备电电池。2）传统通信局站电池应用场景和备电时间 根据国家现行标准 GB 51194-2016 通信电源设备安装工程设计规范，通信局站按照级别和重要性分为以下四类：（1）一类局站应包括省级及以上枢纽、容灾备份中心、长途通信楼、省级核心网局、互联网安全中心、互联网数据中心（R2、R3 级）、计费中心、国际关口局、国际海缆登陆站。（2）二类局站应包括地市级枢纽、国家级传输干线站、互联网数据中心（R1级）、卫星地球站、客服大楼、无线电台、网管中心。（3）三类局站应包括县级综合楼、省级传输干线站、模块市话局。（4）四类局站应包括末端接入网站、移动通信基站、室内分布站。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 9 通信系统的电池备电时间是根据局站类别、市电供电等级、备用发电机组配置情况共三个维度来确定的，总的来说，各类局站的电池配置要求如下：一类局站由于市电等级普遍很高，而且配置了备用发电机组，所以电池的备电时间在 0.51 小时。二类局站大多市电等级较高，而且配置了备用发电机组，所以电池的备电时间在 0.53 小时。三类局站为中小型局站，市电等级一般，但也配置了备用发电机组，所以电池的备电时间在 14 小时。四类局站都是小型站点，规模和负荷都比较小，市电就近引入等级不高，仅部分站点配置了移动式备用发电机组，因此电池的备电时间根据站内设备重要性设置了两级，无线设备在 15 小时，传输设备 1224 小时。从上文中可以看出，各类传统通信局站都需要配置电池，特别是在小型站点，蓄电池是固定安装在站点内的唯一备电电源，要求的备电时间也比较长；其他站点虽然配置有固定式发电机组，但仍然需要配置蓄电池组填补市电和发电机组切换时的断电间隙，保障通信设备的不间断供电。3）传统通信局站电池在建设和运维中的问题（1）阀控式铅酸蓄电池为非标准化设备，占地面积大，承重要求高，尺寸不统一，不能与其他电源设备同列安装，在大中型局站中还需要设置独立的电池室安装，建设成本和维护成本高。（2）不同容量、不同生产日期、不同厂家、不同批次的电池组均不能并联，新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 10 而电源系统所配置的电池组大都采用两组或多组并联，当其中一组电池容量下降后，同系统的其他电池组也不能继续使用，必须全部更换，大大增加了运维成本。（3）在线运行的电池组剩余容量无法监控，导致有些局站在市电停电的时候，才发现电池组容量衰减严重，甚至造成通信设备断电，严重影响了供电可靠性。4）5G 大规模建设和通信网络云化演进对于电池备电的挑战 5G 基站架构相对于 4G 发生了颠覆性的变化，由 4G BBU、RRU 两级结构演进到 CU（集中单元）、DU（分布式单元）和 RRU/AAU（有源天线处理单元）三级结构，AAU 与天线集成，一起放置于天面，其供电具有更大的独立性，AAU和 BBU 供电可以分别进行考虑，增大了 AAU 供电方案的灵活性。另外，5G 基站设备功耗大幅度提升，是 4G 基站设备的 3 倍以上，导致现有机房的供电、制冷和空间面临不足，为了保障 5G 网络大规模建设，同时符合国家碳达峰、碳中和的整体目标，迫切要求采用节省机房、降低成本、减少能耗的基站基础设施建设方案，目前主要有机房直流电源拉远供电、室外直流电源就近供电、市电+室外直流电源（不带电池）的方式、市电+室外直流电源（带电池）的方式等。随着 5G 大规模建设，通信网络也逐步向云化发展，网络架构将从现在的多层树状结构向未来的扁平化多连接演进，通信局房将向 DC 化演进。未来大量建设的边缘 DC 机房具有能耗大、站点多、布局广的特点，现有的局房资源和供电、制冷设施无法满足其需求。因此，未来基站和边缘 DC 的基础设施方案将逐步由室内设备向室外设备演进，由转换供电向直供电演进。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 11 图 2-2 通信局房演进图 蓄电池组作为 5G 基站和边缘 DC 供电系统的重要组成部分，必然要适应室外无机房安装方式，然而目前普遍采用的阀控式铅酸蓄电池难以适应高、低温恶劣环境，同时，它的体积和重量也导致无法采用室外的多种安装方式，迫切需要寻求新型电池来迎接所面临的挑战。2.3 现有电池存在问题 现有电池系统采用非标建设方式，对机房安装条件及承重要求较高，现有机房改造复杂，很多现场因素、业务负荷需求难以进行标准化评估并制定统一实施方案，导致电池系统交付周期长，无法满足业务快速上线；甚至由于部分现有机房安装空间不够、承重不达标，需要对机房进行重新选址，现场施工周期长。另外现有电池系统普遍采用建设初期按终期需求进行规模建设及投资。此模式下电池系统在寿命期可能长期处于高空置率，极大影响投资有效性；在终期需求到来时，电池系统已达到报废年限，造成前期投资浪费。电池系统也可以采用按需逐步投资模式，但现有电池系统只支持同厂家同容量同时期的设备扩容，造新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 12 成电池系统实施交付的延时跟不上业务迅速扩张。1）传统通信铅酸电池的问题（1）对环境温度要求比较高 目前室内宏基站的站址选择越来越难，室外一体化基站开始大规模建设。铅酸蓄电池对环境温度要求比较高导致铅酸蓄电池很难适应室外高温等恶劣环境，而除了铅酸蓄电池，室内宏基站的其他设备对环境温度的适应范围都比较宽。因此，很多宏基站机房内空调最重要的用途是为铅酸蓄电池提供适合的工作环境温度。为了节能减排，目前已开发出蓄电池保温箱等蓄电池专用的小型空调设备，但仍然增加了建设成本和维护费用。如果能找到一种对环境温度要求不高的电池作为后备电源，不仅能解决室外一体化基站后备电源的问题，而且还能省掉机房专用空调，这样既节省了工程初期购买空调的投资，也节省了基站运行时的大量电费支出。（2）对机房面积和承重要求高 在室内宏基站设备安装面积需求中，电源系统占比最大，而其中占地面积最大的就是蓄电池组。室内宏基站的机房大多采用民房，根据结构专业的统计计算，民房的承重设计一般为 150200kg/m2，而铅酸蓄电池对机房的承重要求不低于 400kg/m2，所以在现有的民房内摆放铅酸蓄电池都需要经过加固处理。这样一方面加大了工程量，另一方面也加大了选址难度。另外，目前通信设备逐步向小型化、分散化的方向发展，小微基站设备的功耗越来越小，要求后备电池的体积更小，重量更轻。（3）高倍率放电性能较差 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 13 目前电网质量越来越完善，很少出现市电大面积、长时间停电的状况，而基站停电往往是由于市政项目施工/电网系统维护所造成的短时间频繁停电，这需要蓄电池短时间大电流高倍率放电，而传统铅酸蓄电池的高倍率放电性能较差。（4）铅酸蓄电池没有纳入监控系统 蓄电池没有纳入监控系统，蓄电池实际剩余多少容量不清楚。（5）铅酸蓄电池会对环境造成污染 传统的铅酸蓄电池在生产制造和使用后期，如果处理不当，会对环境造成污染。2）锂电池存在的问题（1）低温性能较差 磷酸铁锂电池低温特性不好，这是材料自身的固有特性。一般情况下，磷酸铁锂电池在-20条件下，容量只有常温 25的 50%60%左右。这是因为随着温度的降低，电解液的离子电导率随之降低，SEI 膜电阻和电化学反应电阻随之增大，导致低温下欧姆极化、浓差极化和电化学极化均增大，在电池放电曲线上就表现为平均电压和放电容量均随着温度降低而降低。磷酸铁锂电池高温倍率特性较好，在较高的环境下也能够放出额定容量。虽然对放电容量影响不大，但是高温条件下对循环特性有较大的影响。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 14 图 2-3 温度-寿命曲线图 注：以上数据图为非梯次电池的循环曲线；上图为一款 100Ah 磷酸铁锂电池的温度与循环寿命之间的关系曲线图，从图纸可以看出，温度越高，磷酸铁锂电池的循环寿命越差；这是因为石墨作为锂离子电池负极材料时，电池在化成过程中在负极材料表面会生成一种 SEI 膜，在高温条件下，SEI 膜会进行重整反应，且 SEI 膜稳定性变差，与电解液成分发生副反应；另外，高温条件下，电解液中溶剂化 Li+迁移速度加快，加重了 SEI 膜的负担，甚至溶剂化 Li+直接插入负极材料中，破坏负极材料结构，从而使电池寿命缩短。因此，磷酸铁锂电池受温度影响很大，在无空调、无制冷散热应用领域和温度影响较大的应用环境，需要对电池进行热管理(风冷、液冷等)才能提高电池的使用效率，延长铁锂电池系统的使用寿命。（2）锂电混用问题 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 15 存量铅+锂、新锂+旧锂、A 锂+B 锂混用问题。目前锂电池代替铅酸电池已经成为技术发展趋势，但因节能环保要求，仍存在大批量的铅酸电池需要利旧应用，需要 35 年时间来消化。锂电池和铅酸电池的化学特性不同，电池充放电平台不同，导致锂电池不能与铅酸电池直接混用。铅酸电池及锂电池混用和新旧锂电池混用时常常因一致性较差导致出现木桶效应，实际电池总备电时间明显下降。另外，现有铅酸电池与锂电池使用共用管理器实现混用的方案存在单点故障，可靠性较差，且不支持同充同放。如果原有铅酸电池组进行整组替换，旧电池拆装和运输的成本也非常高。（3）48V 锂电传输损耗的问题。通信供电系统中，非常典型的一种应用方式为：以直流远供方式为拉远站供电。该方式的特点是供电距离较远，需要在近端将直流 48V 升至 240410V 直流高压，经远距离电能传输后，再到远端降压至 48V 为设备供电。这种供电方式建设成本高，需要配套对端的两套设备，而如果直接用常规 48V 系统供电，那么经过传输损耗后，远端设备受电端电压会低于 45V，低于设备工作电压下限，设备无法工作。3）梯次电池的问题 相对而言，梯次利用更能够发挥产品的最大价值，实现循环经济的利益最大化，是更为绿色和环保的做法。但梯次利用所面临的难题和挑战也非常的多，如果不能有效解决，就不能实现真正的产业化。（1）电池拆解问题 动力电池退役时，是整个 pack 从车上拆解下来的。不同的车型有不同的电新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 16 池 pack 设计，其内外部结构设计，模组连接方式，工艺技术各不相同，意味着同一套拆解流水线不可能适合所有的电池 pack 和内部模组。那么，在电池拆解方面，就需要进行柔性化的配置，将拆解流水线进行分段细化，针对不同的电池pack，在制定拆解操作流程时，要尽可能复用现有流水线的工段和工序，以提高作业效率，降低重复投资。在拆解作业时，不可能完全实现自动化，必然存在大量的人工作业，而 pack本身是高能量载体，如果操作不当，可能会发生短路、漏液等各种安全问题，进而可能造成起火或爆炸，导致人员伤亡和财产损失。因此，采取什么样的措施和方法，确保电池拆解过程中的安全作业，是梯次利用的一个重点。梯次利用的各种方案中，最合理的方案应该是原有动力电池拆解到模组级，而不是电芯级，因为电芯之间的连接通常都是激光焊接或其他刚性连接工艺，要做到无损拆解，难度极大，考虑成本和收益，得不偿失。（2）回收利用状态问题 动力电池剩余容量低于 80%时应该报废，但目前没有强制报废政策，导致存在回收电池的剩余容量不一致的现象，造成实际上符合梯次电池容量要求的电池数量较少，有可能出现产量不足的问题。（3）性能问题 不同材料体系、不同工艺路线的电池失效的模式不一。容量衰减 20%后，剩余容量的衰减是否呈线性关系还是未知数，出现容量骤降的可能性非常大，增加了使用成本较高的风险，因此在大范围使用上仍需要谨慎。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 17 （4）厂家响应程度问题 由于通信运营商和电动汽车企业的客户要求不一样，对于电池厂家的要求和响应程度是不一样的。运营商由于通信基站使用情况的复杂多变，对梯次电池厂家的售后服务等要求都较高，而目前通信基站的梯次电池供货量并不大，造成部分厂家的响应程度不高。梯次电池所面临的难题和挑战也非常多，如果不能有效解决，就不能实现真正的产业化。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 18 3 3 电池系统技术演进 3.1 技术演进方向 电池从本质上来说，是各种类型金属和不同化学物质的组合，使用过程中通过化学反应/能量转换产生能量或转化能量。电池系统的核心指标是能量储存密度及能量转换效率，它利用电、化学等技术原理将市电或可再生能源等一次能源变换成化学/机械能储存，并在一次能源出现故障时将储存的能量释放出来。通信领域使用过的电池系统有开口式富液铅酸电池、密封阀控贫液铅酸蓄电池、密封胶体铅酸蓄电池、氢燃料电池、磷酸铁锂电池，现阶段正在快速向全面锂电池阶段迈进。在 ICT 业务出现融合趋势下，高功耗需求、不同业务保障等级的差异化要求、机房轻量化和全生命期成本核算等都需要电池领域寻求多方面突破，引入新技术，打造高效、可靠和灵活可扩展的基础电池产品，以应对传统产业互联网化带来的高功率密度、快速部署和分等级建设等需求。在可预期的时间内，通信备用电池系统的技术演进主要有以下几个方面：1）模组化 为应对通信/互联网业务快速发展需要，电池系统由模组化的基础电池产品并/串联组成，电池产品模组化后，可以实现：（1）电池系统的电压等级可依据 ICT 设备需求，通过串联等组合形式灵活搭建完成，适应 ICT 设备后续发展的不同电压制式需求；新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 19 （2）电池系统的功率、容量可依据现场业务保障需求，通过并联等组合形式灵活搭建各种功率、容量等级，并可随着现场业务容量的调整灵活配置，适应类互联网业务的快速增长与变化；（3）电池产品的模组并联特性显著提高，数据控制采用 CAN 现场总线后，最多可支持 30 组电池产品的并联使用；（4）基础电池产品的部分模组发生故障，可仅更换故障部分的模组，电池模组间具备性能与可靠性指标的隔离保障措施，不同时期与不同批次的模组混合使用不会造成主要性能指标的劣化。2）标准化 基于基础电池产品的模组化，电池产品可以选择几种容量规格作为基准容量，有效降低生产、运输与仓储成本，协调通用化与模组化的冲突。另外还需明确规范标准化电池产品的输入、输出连接模式及规格，产品尺寸规格，以及通信控制协议与数据连接通道等技术要求。只有这些技术指标标准化以后，才能实现不同容量规格、不同生产厂家的基础电池产品的组合使用，从根本上解决现有电池系统架构复杂、维护使用效率低、可靠性难以衡量的顽疾。电池产品标准化后，可以实现：（1）不同容量、不同生产日期、不同厂家电池产品可依据现场业务需求搭建电池系统，有效解决电池系统在前期建设、后期扩容及更新改造等工程项目中的协调问题；（2）减少电池产品容量规格，统一输入、输出连接模式及规格，产品尺寸规格等关键技术指标规格，可显著提高生产、运输及储存电池的效率，并可随着新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 20 现场业务容量的调整快速扩容，大幅降低建维时间成本。3）智能化 基于互联网、面向用户的业务模型，意味着对于数据基础架构的需求是极其动态的，如何使用有限的备电资源满足不同等级、随时变化的负荷需求，如何在可靠性指标与投资、维护工作量之间取得平衡，是亟需解决的问题。解决这些问题最便捷的方式是将智能化功能及控制策略引入电池组系统。依赖先进的管理流程及内嵌软件控制，多个电池组可以组成 1 个统一控制、差异化管理的电池备电系统，在保持随时备电、无间断切换及负载稳定输出的同时，通过调整内部不同电池组之间的参数来优化状态运行，实现提供最大备电容量，同时有效延长电池组使用寿命。引入智能化功能后，可以实现：（1）多个电池组组成一套备电系统，通过主控单元实现协调控制，处于充放电状态时依据标称容量、SOC 及内生电压等参数调整各个电池组的工作指标，实现电池组系统最优化运行；（2）电池组系统可以依据负荷需求变化，自动调整工作状态，实现电池组轮供、后备等多种工作模式；（3）在业务闲时，电池组系统可与电源系统协同工作，完成电池组容量核对工作，实现电池组使用寿命的精确掌控。4）数字化 电池组系统的数字化，是在原有电池组 BMS 管理系统信息化数据的基础上，提升采集/监控数据的处理能力，从而进一步的提升电池组的运行/维护效能，它新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 21 可以实现：（1）电池组系统的运行状态、运行数据、参数指标等可以基于信息化的方式采集，并通过对电池组进行唯一识别码标识在全网标定。收集到的电池组数据可用于大数据分析，分析结果通过与业务系统、监控系统相结合，可直接反馈作用于电池组运行状态与运行方式的调整。（2）电池组系统与监控系统结合，利用数字化技术（如大数据、云计算、人工智能等）来调整电池组设备的传统建维模式，操作流程，运行参数及故障标准等，可衍生出智能电池管理、备电能量切片等产品功能。（3）电池组系统需提供便捷的本地数据交互方式，通过蓝牙、Wifi 等通信方式，实现安全可靠的离线操作维护界面，离线操作需叠加可管控的安全认证。如离线状态下执行控制或重要参数调整等操作时，需增加二次鉴权安全保护。5）轻量化 随着互联网、云计算等蓬勃发展，ICT 业务融合的趋势也不断加强，下一代未来网络对供电系统建设和运营提出了新的要求：供电系统需要具备高可靠性、高效、高功率密度等技术指标能力，可应对突发业务的高承载力，具备融合性、智能化、可扩展性的供电系统运营管理能力，以及轻量化低成本的备电系统建设模式和运行模式。蓄电池组是通信供电系统的重要组成部分，目前普遍采用的阀控式铅酸蓄电池难以适应短时间大功率供电的新需求，同时，随着负荷需求的激增，对电池容量也提出了更高要求，铅酸蓄电池的体积和重量指标成为制约因素，对现有及后续的机房资源提出了非常高的要求，所以迫切需要寻求新型电池来迎接所面临的新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 22 挑战。电池组的轻量化性能包含两方面内容，具体如下：（1）电池的轻量化指标包含体积能量密度和重量能量密度两个指标，相比于铅酸电池的 70Wh/kg 的指标，新型电池的能量密度应该不低于 180Wh/kg，只有该指标不断提升，才能不断降低电池组系统的整体体积与重量要求指标。（2）电池的轻量化指标还包含大幅降低电池组配置容量的需求。随着云化网络、5G 无线网络和边缘计算等网络业务的大面积建设与业务开展，网络能耗急剧增加，所需的备电时间也在不断缩短，系统需要提升短时间高功率供电能力，才能有效降低电池组的配置容量，进而减少承重与安装面积等方面的需求。6）安全防护 锂电池的电极材料、电解质等均是易燃物，在操作不当的情况下，极易被点燃。另外如果锂电池过度充电、极限温度、错误操作，电池在长期使用过程中由于充放电制度和环境因素使电池老化等均可能造成电池短路，其危险的直观表现有三种：（1）造成漏液，电池体内温度上升，保护层逐渐毁坏，致腐蚀性电解液发生泄漏；（2）造成自燃，锂电池短路时产生的火花会在瞬间点燃电解液，并印染塑料机身，导致电池燃烧；（3）造成爆炸，锂电池体内温度上升较快，由于外壳熔化速度较慢，导致电池内部空间不足以容纳加热情况下的膨胀气体，电池容器因压力过大而爆炸。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 23 适用锂电池火灾的灭火剂很少，尤其在封闭环境中的燃烧，干粉类灭火剂不能将其迅速扑灭，其火势极易蔓延至机房内的其它设备与设施。同时，组合成大容量电池备电系统的多个锂电池组之间还存在系统内连接产生的运行问题：（1）如果直流母线上的负载发生短路，短路电流会通过母线传递给不同电池组，瞬间的短电流会加剧电池内部急剧升温，引发事故；（2）如果电池组之间存在不一致性，在工作时容易造成环流，当环流过大时会造成某个电池组的过充或者过放，加剧电池的老化或者衰退。当前，锂电池技术发展过程中研发了多种技术来降低运行隐患及火灾风险，提高安全性能，具体措施如下：（1）在电池内部设置保护电路，包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护。（2）电池组增加输入输出参数管控，协调多个电池组的运行参数，控制电池组间输出负载分配，最大限度提升多个电池组的平衡输出能力。（3）电池组增加内部短路保护机制，当发生内部短路时，可以将短路故障锁定在电池组内部，不对组间并联的直流母线产生影响。（4）当电池出现自燃时，应有保护措施立即对电池做持续的降温处理，用水扑救是最理想的解决办法。如果火势较大，也可以使用 ABC 干粉灭火器或二氧化碳型灭火器扑灭明火，即使出现了明火，也应避免使用泡沫灭火器，因为泡沫灭火器喷出的泡沫附着在电池外围形成热绝缘体，反而加速化学反应，导致产新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 24 生更多的热量，此时内部温度将急速升高，电解质气体大量积聚，进而引发电池爆炸，其威力和破坏性比电池“平静的自燃”更可怕。3.2 技术架构组成 近年来，随着互联网、云计算、移动互联网和物联网等技术的快速发展，数据机房建设规模不断增大，重要性越来越高，其对系统弹性、可用性、运营效率、可运维性等提出了更高的要求。作为保障供电系统的关键组成部分，电池组也在不断发展以适应机房建设的需求。根据现有电池组的系统组成模式，可以把电池组系统可分为直接并联，稳压并联、集中管控等三类。其中集中管控类由于具备在线扩展性，智能管控、精准备电等方面的优势，预期将在通信领域推广应用，基于集中管控的智能锂电系统将逐步替代铅酸电池组，尤其在边缘数据中心及以上的核心机房将成为主要的供电方式。智慧锂电系统具有以下优势：（1）投资有效性：随需扩容，节省初期投资；（2）易维护性：在线热插拔，维护简单快速，无需手动设置运行参数；（3）智能管控：采用间歇充电、自动后备运行等技术可以有效减少能源浪费；采用智能容量核对，在线状态监测等方面提供无人少人建维手段，大幅减少建维成本。智能锂电系统的两种典型架构 1 1）分布式架构）分布式架构 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 25 独立锂电池组独立锂电池组独立锂电池组独立锂电池组直流电源通信线通信负载直流母线 图 3-1 智慧锂电分布式架构图 分布式架构是智慧锂电系统可以使用的一种架构。此类智慧锂电系统等价于多台独立的锂电池组直接并联，每个锂电池组具备独立的 DC/DC 模块，每个锂电池组即可自主工作，也可与多个锂电池组共同工作，其特点是：相比传统锂电池组（锂电池+BMS）的架构，额外增加了 DC/DC 模块，可以实现电压、电流等电气参数的整定与控制。组成系统的多个锂电池组中的 1 个锂电池组自动/手动成为系统主控模块，该模块可对系统各类运行参数的统一设置，按需调整，实现诸如均流、电池测试、运行参数采集等功能；如该模块出现故障，则可自动选择另一个锂电池组作为主控模块；亦可恢复至传统模式，各锂电池组独立工作，运行状态依据预设的参数自动调整。2 2）集中式架构）集中式架构 新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 26 独立锂电池组独立锂电池组独立锂电池组独立锂电池组直流电源通信线通信负载直流母线主控模块通信线 图 3-2 智慧锂电集中式架构图 集中式结构的智慧锂电系统内所有锂电池组通过网络（RS485/RS422/CAN总线）连接至主控模块，整个系统的电压调整、放电电流调整、均流及逻辑控制等功能从电池组内部控制单元中提取出来，由一个集中的控制模块控制；当主控模块故障时，这些功能的控制权回归各自独立的锂电池组。在此模式下，主控模块可以为了消除潜在的单点故障，系统的通讯总线引入环路保护机制，当一个电池组控制单元出现故障或通信线中断时，不影响后续电池组控制单元的数据通信功能。同时，主控模块需具备智能化的管控功能，可以实现电池系统内多组锂电池的 SOC/SOH 的核对判定，充电/放电状态下的能量分配与均衡；电池组的控制单元可独立完成 SOC/SOH 的自主核对性判定，依据主控模块下发的参数进行充电/放电运行参数调整，并可以实现单体电芯的智能分析及简单维护。新一代智慧锂电技术演进白皮书 版权所有 中国联通研究院 2022 27 4 4 适应 5G 网络的电池备电策略 4.1 备电架构技术演进方向 现阶段，5G 网络业务的重要等级逐步提高，备电系统容量越来越大，以传统铅酸电池来说，目前主流产品功率密度约为 5070W/kg，未来可以提升的空间非常有限。传统铅酸电池占地面积大，对机房承重要求高，老旧机房承重不足，改造难度大。迫于轻资产、高可靠性等方面的压力，运营商需要尝试更加高效的备电架构和备电系统而非专注于降低备电系统本身成本。为适应云计算和大规模 5G 无线网络建设等新技