应用于5G边缘DC的高功率蓄电池研究边缘计算

2019/01/DTPT——————————收稿日期：2018-12-251研究背景近年随着市电供电环境的持续改善和备用柴油发电机组性能的提高，目前运营商通信电源系统的铅酸蓄电池后备时间都减少到了1~3h。中国联通2016年3月下发的《中国联通2016年基础设施专业建设指导意见》中有如下规定。-48V直流系统和高压直流系统：一类市电条件下，自动化切换配电系统总放电小时数为0.5h，手动启动或切换配电系统总放电小时数为1h；二类市电条件下，自动化切换配电系统总放电小时数为1h，手动启动或切换配电系统总放电小时数为1~2h；三类市电条件下，总放电小时数为2~3h。交流UPS供电系统：在一类市电引入+后备油机（N台）保障条件下，具备配电系统实现自动化切换条件时，交流不间断电源系统的断电保障时间可缩短至30min，否则交流不间断电源供电系统的断电保障时间不宜低于1h；在二类市电引入+后备油机（N+1台）保障条件下，具备配电系统实现自动化切换条件时，交流不间断电源供电系统的断电保障时间不应低于1h，否则交流不间断电源供电系统的断电保障时间应延长为1~2h。在三类市电引入+移动油机保障条件下，交流不间断供电系统的断电保障时间为2~4h。同时，对于配置有独立变配电系统的单独IDC机房，《中国联通数据中心建设标准V1.0》给出的铅酸蓄电池断电保障时间在Tier4、Tier3、Tier2和Tier1机房分别为15、10、7和5min。可以看出，目前中国联通的通信网络和数据中心的蓄电池备用时间按照设计负荷计算最多不超过4h，对于配置有独立配电系统的单独IDC机房，甚至只有应用于5G边缘DC的高功率蓄电池研究ResearchonHighPowerBatteryAppliedto5GEdgeDC关键词：5G；边缘DC；高功率；铅酸蓄电池doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2019.01.018中图分类号：E968文献标识码：A文章编号：1007-3043（2019）01-0086-04摘要：为满足5G应用对于超低网络延迟的需求，全球网络运营商纷纷宣布将在未来几年内大力投资边缘DC的建设，这就要求对机房空间和承重能力进行重新规划，作为后备电源的蓄电池组正是其中一项重要制约因素。经过工艺改进的高功率铅酸蓄电池，在保证相同放电功率的前提下，可以显著减少配置数量，减少机房空间及承重方面的压力，同时降低购置成本，能够有效应对边缘DC大规模建设的需要。Abstract：Tomeetthedemandof5Gapplicationsforultra-lownetworklatency，networkoperatorsaroundtheworldhaveannouncedthattheywillinvestheavilyintheconstructionofedgeDCinthenextfewyearswhichrequiresthereconsiderationofroomca-pacityandload-bearingcapacity，andthebatterypackisoneofthekeyconstraintsasabackuppowersupply.Thehigh-powerlead-acidbatterywithimprovedcraftprocesscansignificantlyreducethenumberofconfigurations，alleviatetheproblemsofspaceandload-bearinginthemachineroom，andreducethecostwhileensuringthesamedischargepower，whichcaneffec-tivelymeettheneedsoflarge-scaleconstructionoftheedgeDCs.Keywords：5G；EdgeDC；Highpower；Lead-Acidbattery李浩铭（中国联通网络技术研究院，河南郑州450007）LiHaoming（ChinaUnicomNetworkTechnologyResearchInstitute，Zhengzhou450007，China）引用格式：李浩铭.应用于5G边缘DC的高功率蓄电池研究［J］.邮电设计技术，2019（1）：86-89.综合General李浩铭应用于5G边缘DC的高功率蓄电池研究86邮电设计技术/2019/015~15min。对于铅酸蓄电池的放电能力要求已经从过去的“长持续时间，小放电电流”转变为了“短持续时间，大放电电流”，也就是对铅酸蓄电池高功率放电能力的要求。但从目前运营商普遍采用的传统铅酸蓄电池的工艺来看，是无法满足这种要求的。中国电信的某通信局（站）就发生过传统蓄电池大电流放电电压突然断崖式下降，造成传输10Gbit/s骨干环网设备发生重启动，传输大面积故障持续5min的重大事故。为避免此类事故的发生，运营商普遍采用增大电池容量的方法来保证供电安全，但此种方式不仅增加了大量的固定资产购置费用，同时在机房有限的空间和承重条件下，会给安装施工和后续的维护工作带来很多隐患，更是无法适应在5G时代大举建设边缘DC机房的需求。因而如何在通信行业应用具有高功率放电性能的铅酸蓄电池，在保证供电安全的前提下，合理减少蓄电池的配置容量，降低对机房空间和承重的要求，就成为了摆在各大运营商面前的一个重要课题。2高功率蓄电池的研发传统通信局（站）用铅酸蓄电池的设计目标是在小电流、小功率的工况条件下，保证较长的供电时间及更长的循环寿命。为了达到这些目标，设计时关注的重点通常是减少蓄电池的早期容量衰减现象（PCL）、提高活性物质参与化学反应的比例以及循环反应的次数，因而导致此类蓄电池的高功率放电性能较差。为了提高铅酸蓄电池的高功率放电性能，以适应大电流、大功率的要求，研究者和从业者主要从以下的几条途径进行了改良。a）增加正负极板数量：对于同一种规格的电池来说，单体内腔的体积是固定不变的，要提高电池的高功率放电性能，改变正负极极板数量是一种最简捷、最有效的方法。增加正负极极板数量，减少了极板之间的间距，同时也增加了极板的反应表面积，极板间距的减少，也减少了隔板厚度，使得隔板里的硫酸在短时间内较快地参与反应。极板反应表面积的增加，有利于降低单片极板的电流密度，从而提高高功率放电性能。由表1可见，采用正4负5极群设计的2个蓄电池样品比采用正3负4极群设计的同一型号蓄电池的2个样本的恒功率放电时间增加了1min以上。b）改进板栅结构：板栅设计也在很大程度上决定了蓄电池的高功率放电性能。为提高蓄电池放电功率，板栅结构应由传统的直线型设计改为放射型设计，使得板栅上电流分布更加均匀，降低板栅内阻，同时也增加板栅的面积，从而达到提高高功率放电能力的目的。由表2可见，对同一型号的蓄电池，负极板采用放射型设计的样品，相较于直线型设计，15min恒功率放电时间提高了1min左右。c）增加装配压缩比：当极板设计定型后，装配压缩比的大小就直接反映了隔板的厚薄。提高装配压缩比，有利于抑制活性物质的膨胀，改善极板与隔板的接触内阻，总体效果是降低电池的内阻，从而提高高功率放电能力。由表3可见，对于同一型号的蓄电池，随着装配压缩比的增加，恒功率放电性能得到了不同程度的提高。除了以上几点主要改进手段外，行业内的厂商从铅粉配方、电解液浓度、极板化成方式等多方面对现有铅酸蓄电池产品进行了改进。3应用场景及数据分析表4给出了10组国内外市场上不同品牌的高功率蓄电池产品在不同备用时间下的恒功率放电数据。A~F为国内品牌的高功率蓄电池产品，共6组；U~W为国外品牌的高功率蓄电池产品，共3组；R为传统铅酸蓄电池参照组。对于电压等级相同的蓄电池组，在确定供电场景具有固定电缆压降的情况下，恒功率放电能力与恒流放电能力为线性相关。为便于比较，这里可以将不同Ah容量的蓄电池的恒功率放电功率值按照容量比例项目放电时间正3负4极群设计1#13min42s2#13min30s正4负5极群设计1#15min12s2#15min26s项目放电时间负板栅放射型1#16min16s2#16min17s负板栅直线型1#15min20s2#15min11s项目放电时间20%装配压缩比1#14min50s2#15min24s25%装配压缩比1#15min48s2#15min45s30%装配压缩比1#16min1s2#16min4s表1某型号蓄电池140W/单格恒功率放电数据（终止电压1.67V）表2某型号蓄电池270W/单格恒功率放电数据（终止电压1.67V）表3某型号蓄电池200W/单格恒功率放电数据（终止电压1.67V）李浩铭应用于5G边缘DC的高功率蓄电池研究综合General872019/01/DTPT换算到100Ah的恒功率放电功率值。图1给出了9组高功率蓄电池样品和1组传统蓄电池样品在60、30、15、10和5min备用时间下的恒功率放电功率数值的比较。其中下方一行的功率值为10组样品的恒功率放电功率值统一折算到100Ah容量后的数值。由图1可以看出，9组高功率蓄电池在30min或更短备用时间的条件下，能够恒功率放电的功率值相较于参考组R的传统铅酸蓄电池，具有明显的优势，并且随着后备时间的缩短这种优势会进一步的扩大。尽管高功率蓄电池在30min或更短的备用时间的应用场景下，恒功率放电能力相较于传统铅酸蓄电池有明显的优势，但由于生产工艺和市场成熟度等原因，目前高功率蓄电池的价格相较于传统铅酸蓄电池仍然较高。经过市场调查，目前国内市场上的高功率蓄电池的价格相较同容量规格的普通铅酸蓄电池普遍高28%左右，而国外市场的产品则更要高40%左右。由图2可以看出，相较于国外的高功率蓄电池产品，国内市场的产品在各后备时间下的恒功率值都没有明显差距，甚至有些还有优势。虽然高功率蓄电池在同容量的情况下购置成本高于传统铅酸蓄电池，但是在一定的通信设备负荷和相同的后备时间的条件下，高功率蓄电池所需配置的容量要低于传统铅酸蓄电池。因而，这里需要进一步探究的问题就是，采用高功率蓄电池替代传统铅酸蓄电池，是否能够在保证供电安全的前提下，减少通信运营商的购置成本。设电源系统的负载功率为P，直流电压等级为U，传统12V100Ah蓄电池每单格恒功率放电功率值为Pm，每节电池6个单格，每Ah的价格为Cm元；高功率12V100Ah蓄电池每单格恒功率放电功率值为Pn，每Ah的价格为Cn元。为该系统配置2种蓄电池的购置成本Qm和Qn可表示为：Qm=PPm×6×U12×100×Cm（1）Qn=PPn×6×U12×100×Cn（2）样本编号电池类型1h放电功率30min放电功率15min放电功率10min放电功率5min放电功率A12V100Ah138138246246400400510510690690B12V180Ah2621464422467003898594771092607C12V100Ah142142243243395395534534721721D12V100Ah119119194194306306391391539539E12V200Ah27713949624878039010085041227614F12V100Ah131131230230376376440440541541U12V141Ah210149346245550306704500897636V12V220Ah3021374812197863579174171150523W12V125Ah176141310248505404615492864691R12V100Ah107107188188275275318318345345表4高功率蓄电池样本恒功率放电数据（单位：W/单格，终止电压1.67V）奇数行为实际功率，偶数行为换算到100Ah电池的功率。图1高功率电池与传统蓄电池恒功率放电比较AEDCBFRWVU0100200300400500600700800功率/W603015105时间/