《电子技术应用》

蓄电池在恶劣环境下的应用解决方案

2012/1/12 15:21:18

    通信直流电源是基础电信设备,为通信主设备提供供电保障。蓄电池组是通信直流电源系统中的重要组成部分,相当于备用电源,是通信直流电源系统的最后一道防线。

    在电信业务的初期发展过程中,运营商对蓄电池关注较少,在交流停电时蓄电池能供电就可以了。近年来,电信运营领域的竞争加剧、愈演愈烈,运营商对蓄电池的使用寿命、维护工作量、TCO非常关注,要求越来越高。

    随着通信网络的发展与技术进步,为了节省建设成本、加快建设周期,在城乡结合部、小城镇和农村地区,运营商往往不建设机房或者移动方舱,而是采用室外柜方案安置通信主设备及直流电源系统。近年来,全球主流运营商的新建基站中,室外基站的比例逐年提高。对于低纬度及沙漠化的国家或地区(如南亚、非洲等),高温对室外基站的影响很大。室外基站一般处于偏远地区,电力保障较差,尤其在发展中国家。室外基站经常面对高温、电网频繁停电的恶劣工作环境。通信直流电源系统的室外应用渐趋主流,蓄电池经常处于高温、电网频繁停电的恶劣应用环境。

    蓄电池在恶劣应用环境下面临的问题

    随着室外基站应用增多,恶劣应用环境下蓄电池故障逐渐凸显出来,如巴基斯坦、印度等南亚地区,既给运营商造成了经济损失又损害了运营商的客户满意度。针对在恶劣应用环境下蓄电池大量损坏,中兴通讯进行了广泛调研,深入了解蓄电池的应用场景,调查分析蓄电池故障原因。问题的关键不在蓄电池本身,问题出在室外蓄电池柜没有考虑对蓄电池进行高温防护。要想根本解决问题,必须提供蓄电池在室外恶劣环境下应用的综合解决方案。

    室外蓄电池柜主动散热技术的对比分析

    室外柜的散热方式有多种选择,哪种散热方式适合室外蓄电池柜呢?这要从蓄电池的产品特性说起。对于通信直流电源系统中的铅酸蓄电池,用户最关注的是使用寿命。影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素是环境温度和电网条件。

    铅酸蓄电池的使用寿命与环境温度密切相关。环境温度越高,蓄电池的使用寿命越短。当环境温度高于蓄电池设计寿命要求温度(25 oC)时,温度每上升10oC,使用寿命缩短一半。

    蓄电池的放电次数、放电深度直接影响蓄电池使用寿命。放电次数越多、放电深度越深,蓄电池的使用寿命越短。也就是说电网频繁停电会降低蓄电池的使用寿命。

    对于室外基站,通常情况下运营商无力改善电网条件或者改善电网条件的成本太高、无法承受,所以我们从降低蓄电池的工作环境温度入手,来提高蓄电池的使用寿命。

    室外柜的传统散热方式是风扇直通风或热交换器,但这两种方式都不能使柜内温度低于柜外的环境温度。对于高温地区(一般在40℃以上)的应用场景,需要通过主动散热,使室外蓄电池柜的柜内温度低于柜外的环境温度。中兴通讯突破常规,组合创新,把制冷部件引入了室外蓄电池柜。

    通信主设备(如GSM、传输等)和直流电源的功率变化部分(整流器)在设备运行过程中都会发热,而蓄电池却不同。根据蓄电池充放电的电化学机理,蓄电池放电时不发热。正常充电时(不过充电)基本不发热。即蓄电池在正常使用过程中的发热量可以忽略,因此,室外蓄电池柜内没有热源,需要的制冷量小,据测算,通常情况下室外蓄电池柜只要200—400W的制冷量就够了。热电制冷(Thermoelectric Cooler,即TEC)空调采用新兴的半导体制冷技术,对于室外蓄电池柜的应用场景,TEC空调和传统压缩机空调相比有很多优势:

    1) 结构简单、可靠性高。整个制冷器由热电制冷模块和导线连接而成,不需要压缩机,没有机械转动部件,因而无振动、无摩擦、无噪声。可靠性高、寿命长(在32℃环境下寿命大于100,000小时)。

    2)制冷不受交流停电影响。采用直流48V供电,在交流停电时由蓄电池给TEC空调供电,室外蓄电池柜内仍然可以实现制冷。

    3) 制冷效率与制冷量。在大容量情况下,热电制冷的效率不及蒸气压缩式制冷。但是蒸气压缩式制冷机的效率随容量的减小而下降,且压缩机也不可能做得过小,而热电制冷的效率与容量大小无关,在冷量负荷小的应用领域具有优势。对于室外蓄电池柜应用场景(冷量负荷小),采用TEC空调是一个理想选择。

    4)体积小。特别适合室外柜安装。

    5)性价比。综合以上分析,室外蓄电池柜采用TEC空调,性价比高。

    6) 维护方便。TEC空调不需要制冷剂循环、没有压缩机转动,定期关注一下防虫网不要被堵住即可,维护工作量很小。

    7) 绿色环保。不用氟利昂制冷剂,对大气臭氧层无损害,绿色环保。

    基于以上分析,我们选用综合性能优于传统压缩机空调的TEC空调作为室外蓄电池柜的制冷部件。

    高温防护能力良好的系列化TEC室外蓄电池柜

    TEC室外蓄电池柜由TEC空调、柜体、隔热保温层等组成。为了满足安装不同容量和不同种类蓄电池需要,中兴通讯设计了系列TEC蓄电池柜,两种典型的机柜如图1所示。图左机柜最大可以安装2组狭长形12V 150Ah AGM或者胶体蓄电池。图右机柜最大可以安装6组狭长形12V 150Ah AGM或者胶体蓄电池(也可以安装3组宽体12V 150Ah或者200Ah胶体蓄电池)。为了达到理想的降温效果,要求机柜具备良好的隔热效果,我们对隔热棉进行了专业设计,尽量使用整张原材料而减少开孔和裁剪,隔热棉采用40mm厚度。与TEC模块一样采用IP55防护等级设计。

    TEC蓄电池柜在产品设计时充分考虑制冷效果和产品可靠性,选用先进的制冷芯片,高可靠性的风扇,保温性良好的隔热棉。TEC蓄电池柜具备良好的高温防护能力。

图1 两种典型TEC蓄电池柜外形图

    综合解决方案提升蓄电池使用寿命并降低TCO

    对于通信直流电源系统在恶劣应用环境下的室外应用,综合解决方案的要点是通过采用TEC空调大幅度提高室外蓄电池柜的高温防护能力,显著改善蓄电池的工作环境。采用TEC空调的室外蓄电池柜实验测试结果表明,在柜外环境温度40℃以上时,柜内温度比柜外温度低15℃,蓄电池工作在最佳使用温度范围内。采用TEC室外蓄电池柜和运营商现网的普通室外蓄电池柜相比,蓄电池的使用寿命提高了1.5倍,提高幅度非常大。

    综合解决方案采用TEC室外蓄电池柜,在蓄电池柜上增加一些成本投入,获得了宝贵的高温防护能力,使蓄电池工作在最佳使用温度范围内,避免了因使用寿命过低造成的蓄电池成批更换,避免了现场成批更换蓄电池所需的蓄电池采购成本、相关运输费用和更换的人工费用,因此降低了运营商的运行维护成本。蓄电池使用寿命的大幅度提高有效保障通信网络的安全可靠运行,显著改善运营商的客户满意度。因此采用综合解决方案在蓄电池使用寿命提升的同时,为运营商降低了TCO(Total Cost of Ownership)。

    应用实例与用户价值

    综合解决方案已经在巴基斯坦实际应用。2010年5月中旬, TEC蓄电池柜运抵巴基斯坦某运营商室外基站,采用综合解决方案对该站的直流电源系统进行了现场改造。TEC蓄电池柜投入使用后,对其制冷能力进行了测试,根据现场测试数据生成的温度走势曲线见图2。T2为TEC蓄电池柜内部温度,Tc为室外环境温度(在遮阳篷下的阴凉处测得),ΔT为环境温度与柜内温度的温差。

图2 TEC蓄电池柜温度走势曲线

    从测试结果看,在中午12:00至下午5:00之间的时间段,室外环境温度较高,最高达到45℃时,TEC蓄电池柜可以达到内外温差15℃的制冷效果。蓄电池柜内部温度可以控制在25℃—30℃之间,满足蓄电池最佳使用温度范围要求。

    通过巴基斯坦某运营商室外站的直流电源系统现场改造,用户非常认可中兴通讯的综合解决方案,认为采用综合解决方案可以大幅度提高蓄电池在恶劣应用环境下的生存能力,显著减少蓄电池的维护工作量,可以有效降低室外站直流电源系统的综合TCO。<

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