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5G电源与温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-12-12 12 137
一、5G时代的变化
1、网络的变化
5G时代是全移动和全连接的智慧时代,人与人、人与物、物与物都需要进行联接和通信,2025年全球连接数量将会超过1000亿。5G的场景及业务需求更加多样化。
3GPP定义的5G三大场景:
eMBB (Enhanced Mobile Broadband,10Gbps), uRRLC(Ultra Reliable and low latency communications, 1ms)以及mMTC (Massive Machine Type Communications, 1 million/km2 ) 。
2、功耗的变化
从4G演进到5G,单位流量的功耗(Watt/Bit) 大幅降低,但5G功耗相比4G大幅增长。预计在5G 时代,64T64R AAU最大功耗将会达到1000~ 1400W,BBU最大功耗将达到2000W左右。
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(5G单站典型最大功耗)
5G网络将会走向低/高频混合组网,为满足网络容量增长的业务需求,大量的末梢站点将会被部署,网络站点数量将会出现大幅增加,整个网络的功耗将呈倍数增长。
5G时代,一站多频将是典型配置。预测5频以上站点占比将从2016年3%增加到2023年45% 。一站多频将导致整站最大功耗超过10kW ,10频及10频以上站点功耗超过20kW ,多运营商共享场景下,功耗还将翻倍。
3、电源行业的变化
5G时代需要从关注电源单部件效率到整站全链路效率提升,实现站点及整网能耗最低。通信能源整流转换技术已实现98%转换效率,逼近工程技术天花板,但整站全链路效率依然偏低。
4、能源行业的变化
近三年,主要变化是“新能源”的兴起,特别是锂电、光伏、储能的迅猛增长与应用!各种数据分析、详细研报,建议关注下“温度传感器研究院”公众号,这里就不展开讲述。
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整流器效率演进示意图

二、5G网络演进对能源的挑战
1、站点能源建设和改造的挑战
市电引入的挑战:
由于5G站点功耗大幅增加, 部分站点现有市电容量不满足5G部署,面临扩容。市电扩容周期长、成本高,将严重拖累5G部署节奏,大幅增加投资。例如:中国涉及市电改造站点比例超30%;在菲律宾改造费用约3000美元/站;南非市电扩容改造周期约12个月;德国约10个月 。
配电的挑战:
5G单频配电至少需要2路100A (或4路32A+3路63A) 。例如中国某运营商63A及其以下的直流空开路数占比约为75%,不满足5G扩容。在5G 大功率AAU拉远供电场景中,线缆压降过大导致线缆损耗过大,甚至部分设备输入电压低于工作电压,导致AAU无法工作。
备电的挑战:
5G站点功耗增大,按照传统备电策略,运营商在备电上的投资将倍增。同时传统铅酸电池能量密度低,体积大、重量重,部分站点楼面承重和空间都将面临巨大挑战。
温控的挑战:
5G站点功耗翻倍带来热耗大幅增加,超过现有部分站点散热能力,站点温控改造周期长、成本高。
机房及机柜空间的挑战:
部分现有机柜内部剩余空间有限,难以收容5G设备。传统新增机柜方案将导致占地增加,部分站点空间受限,5G新增设备收容面临挑战。

2、能源运维的挑战
电费大幅增加:
当前电费普遍占运营商收入的1%~8%,在5G时代站点功耗倍增,电价逐年上涨的趋势下, 运营商的电费压力将会更大,节能降耗将会是运营商的核心诉求之一。
租赁费用高昂:
5G部署传统方案要新增电源、电池及机柜, 导致运营商需要租用新的空间或机房,租赁费用将会增加。
维护更加复杂:
高频化、5G站点多频化也将带来设备数量增加,维护难度及人力投入进一步增大,站点维护成本将会大幅增加。5G业务的多样性对能源保障需求更多样,将增加站点维护的复杂度。

三、5G能源细分场景方案
1、5G能源总体需求
为了应对5G部署对能源的挑战,提升运营商的投资效率,未来5G能源解决方案需满足低成本部署、高效节能、快速建设、平滑演进和运维简单的需求。
低成本部署:
5G能源在工程建设上需要做到“三不”,即 “不改市电”、“不增机柜” 和“不改配电(含粗线) ”。不改市电是指免去市电的改造(如市电变压器、供电线缆、前级空开等) ,避免高昂的市电改造成本;利旧现有站点机柜或者搬迁老机柜,不增机柜实现不增占地;通过技术手段提升线缆的供电能力,不改配电(含不换粗线)解决铁塔承重与高成本问题。
高效节能:
5G能源需要实现全链路的节能。单一部件的节能方案已无法支撑5G站点的节能述求,需要站在整站和整网的层级思考全链路的节能方案。
快速建设:
5G能源在部署上需要做到灵活、快速。例如对新建站点能实现最小的占地面积和支持最简单快速的安装方式;对存量改造站点能支持不改变存量电源占地大小或外观,免去重新谈判的时间和费用。
平滑演进:
在与4G建设相同或者更少的初始投资下,站点能源各子系统具备平滑向5G演进的能力。
运维简单:
5G时代站点翻倍,站点复杂度大幅增加,运营商难以承受传统运维方式带来高昂的费用,5G能源需求更高效简单的运维方式。

2、5G能源设计理念
传统能源相当于“功能机”,只具备基本的供备电功能。传统的设计理念难以支撑5G能源演进,需要有断代的设计理念驱动能源从“功能机”演进到“智能机”。基于对5G网络的深刻理解,华为提出5G能源设计需要遵从“极简”、“高效”和“智能”三个理念。
极简:
5G能源需要遵循极简的设计理念,5G能源创新解决方案实现急速部署、简易安装、少占空间和简单运维。
高效:
区别于传统基于单部件节能的设计,5G能源需要从转换、供电、备电、配电、温控和负载环节进行端到端的全链路高效设计。同时在供电环节,支持各类新能源接入, 支撑绿色节能,实现0 bit 0watt的目标。
智能:
5G能源基于Bit管理Watt的理念,应用AI与Cloud技术实现电源与站点设备、电源与网络设备多层次的智能协同,电源从“功能机”演进到“智能机”,支撑站点的CAPEX和OPEX大幅降低。同时站点运维也需要从传统人工运维走向更高效的智能运维。

3、5G电源细分场景方案
基于客户需求及面临的挑战,5G部署存在多种场景:小站、存量站点升级改造或叠加、新建或搬迁站点等多个场景。基于“极简”、“高效”、“智能”的理念,针对不同场景提出最优解决方案。

3-1.改造和叠加场景
室内改造或叠加场景:“一频叠加一刀片或一刀片改造一站”是室内场景极简、快速部署5G的最优能源方案。
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5G室内刀片电源支持极简部署5G
室外宏站改造或叠加场景:室外宏站在向5G演进中,通常面临电源容量、备电、温控和地基不足等多种问题,采用高密锂电替换原铅酸、高密电源框替换原电源可实现5G部署的极简改造,采用叠加室外高密散热DEU可以实现不增机柜/免土建收容5G BBU。


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高密电源/锂电/温控实现极简改造或叠加
室外AAU叠加场景:在5GAAU拉远场景下只考虑AAU供备电,高防护等级的全系列室外刀片可实现与AAU同场景 应用,支持零占地极简部署。
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全系列室外刀片电源支持极简叠加AAU

3-2.新建或搬迁场景
针对新建或搬迁站点,在2G/3G/4G基础上,需要考虑向5G平滑演进,“一站一柜”是全场景新建或搬迁的理想模式。
室内场景:一站一柜兼容2G/3G/4G,支持功率、配电、备电向5G平滑演进。
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室外场景:一站一柜兼容2G/3G/4G,支持功率、备电、配电、温控向5G平滑演进。
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3-3.小站场景
小站设备场景多样,安装灵活,配套采用重量轻、体积小的刀片电源,支持抱杆/挂墙等多场景的安装,设备与环境实现完美融合。在5G时代,对于业务连续性的要求会增大, 对小站供备电可靠性要求提升,电源需要备电接口,支持按需备电。
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3-4.能源智能化
传统电源简单的供备电功能无法满足5G时代的需求,站点能源需要以电源为中心,实现电源与 站点设备的协同(空调、市电、电池 …… )、电源与网络负载联动。5G时代实现传统电源向智能电源的演进。
智能架构及四层协同:5G智能电源和智能部件、5G智能能源网络架构包含智能营维平台。基于Cloud+AI的边缘计算能力,支撑5G智能能源的最优建设与管理。
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(基于Cloud+AI的5G智能架构)
通过业务级、站点级、站网级、模块级四层智能协同实现整站、整网的高效节能。
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(四层智能协同实现E2E高效节能)
5G智能能源的典型特征:
1)负载协同;
2)智能储能;
3)智能削峰;
4)智能温控:基于AI智能,由传统温控仅由1个变量(环境温度)控制,转变到温控与基站其他N个因素协同 联动 (如天气预测、环境温度、业务状态、设备温度…… ) ,实现高效节能。
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(5G电源实现智能温控)
3-5.高效节能
5G智能电源具备全链路高效节能的特点,区别于4G时代单部件高效计,5G智能电源从供电、转换、备电、温控、配电和负载环节进行端到端的节能系统设计,追求“0 bit 0 Watt”的终极目标。
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(5G智能电源实现电源-站点-全链路高效节能)
3-6.智能锂电
智能锂电,主要有从传统铅酸向智能锂电演进;“以锂代铅; 电池应用从单纯备电到备电+循环”及其“通讯/5G基站储能”!
3-7.智能运维
5G网络为满足最终业务应用的要求,网络的动力可用度 (PAV)、运维效率、站点能效 (SEE)、站点安全等都需要达到更高的水平。

四、与温度传感器
通信电源是整个通信网络的关键基础设施。通信电源系统是通信系统的心脏, 稳定可靠的通信电源供电系统, 是保证通信系统安全、可靠运行的关键, 一旦通信电源系统故障引起对通信设备的供电 中断,通信设备就无法运行,就会造成通信电路中断、通信系统瘫痪,从而造成极大的经济和社会效益损失。
根据中国电源协会统计,随着全球 5G 建设的 加速推进,2023 年我国电源市场规模有望达到 194 亿元;2021-2023 年,我国通信电源年复合增长率 达 7.11%。
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(5G产业链)
1、5G产业链上游与温度传感器
5G产业链的上游包括网络规划运维以及芯片、光器件、光纤光缆、视频器件等各类器件材料。网络规划运维包括无线接入网、业务承载网等前期规划设计和后期优化运维。 
主要企业包括:
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5G通信技术器件材料具体包括:

· 芯片及模组 

· 视频器件:射频器件、射频电缆、天塔及铁塔、手机滤波器/天线/PA 

· 光器件

· 光纤光缆:光棒辅材、光纤光缆


涉及企业包括:
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5G产业链上游需要用到温度传感器的,主要在光模块/光器件。配合滤波器,也可能用到温度传感器!
2、5G产业链中游与温度传感器


5G产业链的中游为设备网络,包括主设备商、基站/天线、网络、配套。 

· 主设备商:基站、传输设备 FiberHome MEDIATEK

· 基站/天线:小基站、天线

· 网络:SDN/NFV、网络工程、网络优化、 UNIS 紫光 世纪鼎利 

· 配套:配套设备、芯片终端配通信业务 


设备网络中,传输网络是5G的大动脉,基站显得尤为重要。目前,5G关键技术的具体方案已经基本确定。MassiveMIMO(大规模天线阵列)技术成为5G的标准技术之一。随着5G技术的推广、应用,天线数量将大幅增加。5G技术需要新的网络架构和网络拓扑,即使用SDN(软件定义网络)/NFV(网络功能虚拟化)实现网络架构,并大量使用SmallCell(小基站/小蜂窝)构建网络。
相关企业包括:
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5G产业链中游,温度传感器应用比较广泛:基站、小基站。
通信行业的基站能耗问题历来已久。基于目前的测试结果,5G基站的电能消耗或是4G基站的2倍到3倍,基站数量又多,用电费用预计将占5G基站运营成本的40%以上。据专家预测,到2025年,通信行业将消耗全球20%的电力。
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(5G能耗约达4G 的 3 倍)
5G 基站大规模建成投运将拉动全社会用电量增长,5G 对电力需求的影响将广泛的体现在核心网和 IDC 的运行、各种新型应用场景、商业模式以及衍生出的海量数据的传输、处理上。
5G基站的节能,有两条根本路径:
1)硬”路径:升级温控方式;
2) 软”路径:升级供电方式
升级温控方式来节能,温度传感器不可或缺
通信基站内的电源设备和通信设备等都需要在一定的温湿度条件下运行,同时对空气的清洁度也有一定的要求。
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(机房、基站耗能分布)
基站内的电源系统、配电系统以及通信设备在运行过程中都会发热,因此要保证基站维持一定的温湿度,需要配置合适的制冷系统。目前,在大部分无人值守的基站,制冷系统都是不间断地工作,其耗电量占总耗电量的占比超过40%。
目前,基站内普遍使用舒适性家用空调,空调设备无法接入动环监控系统,智能化程度较低。
1)智能热交换系统
智能热交换系统利用室外自然冷空气作为冷源,当室外空气温度与基站内空气温度差达到一定程度时,采用换热系统利用室外冷空气降低室内空气温度。
“如下图所示,智能热交换系统主要由换热芯体、室内侧风机、室外侧风机、控制器、用于环境监测的温湿度传感器和其他附件组成。”石冢、芝浦、大泉、华工高理与特普生等温度传感器领域的专家告诉温度传感器研究院的研究员。
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(智能热交换系统组成示意图)
智能热交换系统适用于室内外温差较大的地区,可以很好地降低空调能耗,同时延长空调压缩机的使用寿命,降低通信运营商的运营维护成本。
2)热管换热系统
热管换热系统利用室内外温差,通过封闭管路中工质的蒸发、冷凝将室内的热量传递到室外,形成动态热力平衡的循环,维持基站内工作环境稳定。
“热管换热系统主要由室外冷凝器、室内蒸发器、连接管、控制系统及温湿度传感器等部件组成。”
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(热管换热系统组成示意图)
“热管换热系统的基本工作原理基于室内外温度数据,室内温控目标温度用T0表示,热管换热系统启动温度用T1表示,基站空调启动温度用T2表示,设备停机温度用Ts表示,其中T2>T1>T0>Ts。
“控制系统通过室内和室外的温湿度传感器持续监测基站室内和室外的空气温湿度,当基站内温度低于Ts时,热管换热系统和基站空调均不运行以节约能源消耗。当基站内温度达到T1且T0与室内外温差满足运行条件时,热管换热系统启动运行,当温度低于Ts时,系统停止工作以节能。如果热管换热系统不能满足室内降温,基站内温度超过T2,控制系统就会启动基站空调进行降温。”
3)液冷散热技术
液冷散热技术对比传统制冷系统,具有散热效率高,能耗低等优点,目前在数据中心机房等应用较多,在基站内的应用较少。
诺基亚别出心裁,开发出了液冷技术,Harry Kuosa表示:“传统上,基站是通过空气流动来冷却的,而诺基亚的这项创新是利用液体作为冷却剂,液体能比空气更有效地散发基站的热量。最终,这套液冷系统可将能耗降低约30%,将二氧化碳排放量减少80%。”
诺基亚已通过与Elisa和Efore公司合作,在芬兰赫尔辛基的一栋公寓大楼里部署了全球首个液冷基站系统。据报道,该液冷基站系统除了可以实现省电30%,二氧化碳排放量减少80%外,还移除了空调和风扇,大大降低了基站运行噪音,并且可回收基站排放的废热,二次应用于公寓大楼的供暖系统。
“诺基亚这套系统,目前还没公布技术细节,但是,目测温度传感器相关产品必不可少。”石冢、芝浦、大泉、华工高理与特普生等温度传感器领域的专家特别强调。
4)基站智慧能源管理系统
基站智慧能源管理系统不同于传统的基站监控系统,它具有统计数据分析、数据挖掘、能耗评价、能耗优化和节能控制等多种功能,能够更好地提升能效并且帮助运维人员管理基站运行。
智慧能源管理系统由分布在电源设备和基站内其他设备上的传感器、测量仪器、控制器、有线或无线传输网及服务器组成。
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智慧能源管理系统组成示意图
4G时代,平均一个基站62%的电费被主设备消耗,其它都被温控(空调)、电源系统等使用,也就是站点能效仅62%。而华为的刀片式电源,可让5G站点的温控能耗极大降低。
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华为新一代刀片式基站
5G时代,华为的刀片式电源系统,可实现自然散热,免于维护,将不再需要空调降热,连风扇也不用,电源系统的效率就是站点能效,效率自然高了许多,不再有过多浪费的电能。
“储能、制冷背后测量用得上温度传感器!”
升级供电方式来节能,温度传感器不可或缺
1)高频开关电源系统
目前的供电系统节能技术主要集中在提高电源设备能效、引入新能源取代或部分取代市电以及根据峰谷电价错峰用电等方面。
图片 (基站供电系统示意图)
高频开关电源系统的主要核心部件是整流器,整流器的效率直接影响高频开关电源系统的效率。通常通信基站在设计时会考虑到冗余配置,这就导致在基站实际运行时,通信设备负载电流通常工作在整流器的50%负载率以下,闲时负载率将会更低。
某品牌普通50A整流器和高效50A整流器的效率曲线对比如下图:
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(某品牌普通50 A整流器和高效50 A整流器效率曲线)
2)5G一体化电源系统
5G网络建设的速度逐渐加快,分布式站点布局越来越多,分布式站点的电源系统需求也日益提升。因为5G网络传输的特殊性,在靠近居民区、商业区等人流密集场所,传统的供电方案难以适配,急需一种新的电源系统解决方案。
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(华为可叠光一体化电源)
5G一体化电源系统具有体积小、重量轻、效率高、灵活取电、快速安装、免维护等特性,可以安装在城市街道、高速路旁、居民楼道、楼顶、弱电井、地下车库等多种场景,支持壁挂、抱杆、旗装、平装及落地等多种安装方式,是5G微基站建设比较理想的电源解决方案。
5G一体化电源系统由电源模块和电池模块两部分组成,均为铝制外壳,可以达到IP65防护等级的要求。电源模块和电池模块均无散热风扇,内部结构采用隔离设计,整体采用自然散热方式。(更多详细内容,可以关注“温度传感器研究院”微信号《5G电源与温度传感器》文章)。
3)光伏供电系统
在太阳能充足的情况下,光伏供电系统作为唯一电源为通信设备供电,同时为蓄电池组充电.当光照不足,太阳能无法满足通信设备负荷时,高频开关电源系统开始工作。当太阳能充分恢复足以为负载供电时,高频开关电源系统将关闭,整个电源系统可以最大限度地利用太阳能,减少电网电力消耗。
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(光伏供电系统示意图)
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(光伏供电系统)
4)峰谷储能技术
通信基站内的蓄电池组通常按照高频开关电源系统的额定容量进行配置,而在实际使用中,高频开关电源系统的负载量通常在额定功率的50%以下,这就使得通常情况下基站内的蓄电池组都存在着一定的富余容量。对于存在峰谷电价差的地区,可以利用基站内的蓄电池组应用峰谷储能技术(削峰填谷技术)降低电费成本。
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 ( 蓄电池组峰谷储能示意图)
“这些升级供电方式的节能,从上图可以看到,大量应用蓄电池、空调、通信设备,移动油机、高频开关电源系统,都需要热管理、温度控制,都可以用到温度传感器相关产品与技术。”

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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