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5G基站储能与温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-12-14 12 173
一、5G 提速,基站储能电池需求超161GWh

1、三大运营商齐发力,5G基站建设进度或超预期

自2020年以来,5G基站的建设就早早超出预期,实现了68万个5G基站的建设,更将于2025年预计完成760万个基站的建设。

由于5G使用了更大规模的阵列天线、更高的带宽,所以单站满载功率接近3800W,是4G基站功耗的3.5倍。考虑到机房其他设备的能耗,我们认为 5G基站能耗将会达到5300W,如果以4小时备用的时间计算,单个基站后备电源容量需21.2KWh,而单个4G基站为11.2GWh,预计到2025年累计备用电源 需求容量达到161GWh。

2、5G 基站高功耗促使备用电源扩容

通信移动网络中,基站是移动通信网络耗能主要组成部分,占到整个网络耗能 80%以上。5G基站耗能相对较高,储能安装需求提升。

据测算,满载的5G基站单站功率已接近3800W,即使空载情况下功率也达到2300W,是4G的2.6倍。如考虑其他设备的能耗,单个5G基站的能耗将超5KW 。

备用电源容量的设计一般按照基站峰值功耗来定,为了满足必备的时长需求,更换大容量的后备电源不可避免。单个4G基站备用 电源典型值约 11.2KWh,而5G基站则需扩容至21.2KWh,近乎翻倍。

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(5G基站能耗较4G基站大幅提高)


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(不同时代基站典型功耗对比)


3、三大运营商供给拥有514万个4G基站

移动241万,联通135万,电信138万。如果想要把5G网络实现全国覆盖,则需要超过770万个基站。 预计2025年前,我国5G宏基站数量将会达到760万个,未来5G组网将以微基站为主,整个5G宏基站备用电源总需求容量高达161GWh。

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5G 基站储能电池需求量测算

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(2019-2025年5G基站对备用电池电池需求量(单位:GWh))


二、铁锂基站储能元年,替代趋势明晰

1、通信基站备用电源:铅酸落幕,铁锂登场

铅酸电池被替代是行业发展的必然结果,随着5G基站功耗大幅增长,  用电成本大幅增加,因此基站对调峰调频的需求也增强。


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(铅酸电池与磷酸铁锂电池性能对比)

从两类电池的性能指标对比来看:

磷酸铁锂电池性能指标全面领先铅酸电池。铁锂电池循环寿命可达3000 次以上,而铅酸电池的循环寿命仅 500 次左右;在能量密度方面,铁锂电池大幅领先,叠加工作电压、温度等等,更适合替代铅酸作为基站备用电池。

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(通信基站备用电源铅酸VS铁锂使用成本比较)

运营商的压力不仅在备用电源花费上,在5G 时代,由于功耗大幅增加,运营商将面临非常大的电费压力,单个5G基站每天电费约125元。如果把铁锂电池削峰填谷作用考虑进来,可大大降低5G基站用电费用。

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(单个5G 基站备用电源铁锂和铅酸削峰填谷对电费消耗的影响测算)

若全国完成 760 万个 5G 基站布局,使用铁锂电池作为备用电源并进行削峰填谷, 较使用铅酸电池每年多节省电费194亿元。

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( 2019-2025年5G基站铁锂电池需求量测算)

2、铁塔停止采购铅酸电池,铁锂渗透加速

据中国铁塔披露,我国目前有180万个存量铁塔备用电池总容量超过 44GWh,几乎全部为铅酸电池。2018年中国铁塔下发《关于停止铅酸电池采购和置换的通知》中提及:要求停止采购铅酸电池,新增和替换电池转为采用“车载梯次利用电池”或“全新磷酸铁锂电池”,按6年的存量替换周期,预计2024年后,铅酸电池将彻底退出通信基站备用电源配套,磷酸铁锂会成为基站备用电源主力。

自2019年以来,铁塔在梯次利用铁锂电池上多次招标,更是采购了大量全新磷酸铁锂电池。一方面是因为新能源汽车的电池退役报废未进入放量期,梯次利用电池规模还不能满足铁塔的需求;另一方面,则是全新的铁锂电池更适合在5G基站上作为频繁调峰调频所使用。

此外,铁塔还对未来6年规划了60万座削峰填谷站和60万座新能源电站,届时会新增电池需求量92GWh,结合铅酸替代速度,预计每年铁锂电池需求量将会远超过22GWh。

未来2-3年,动力电池梯次利用规模不能满足要求,预计铁塔仍以全新梯次铁锂电池并行采购,对铅酸电池的替代也将随着5G基站的部署而加快脚步。

3、中国移动率先开启铁锂电池招标,联通电信有望跟进。



三、5G基站储能用温度传感器
1、5G基站智慧能源
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(电池、空调、市电…)、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。5G基站智慧能源管理系统(也5G基站智慧电源),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。
5G基站智慧能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智慧能源从供电、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)
5G基站智慧能源,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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(基于Cloud+AI的5G智能架构)


5G基站智慧能源的典型特征:

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 (如环境温度、设备温度、业务状态、天气预测… ) ,实现高效节能;。


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(5G电源实现智能温控)

2、5G基站储能用温度传感器
“最近几年,储能在5G基站大量应用,也是基于供电方式的节能,5G基站智慧能源的发展。随着5G基站、5G基站储能对温控智能化的提升,对热管理要求的提高,温度传感器,也迎来了一定的快速发展!”一直在为储能行业提供温度采集方案的特普生温度传感器厂家曾老师说。
基于最近5年,随着新能源的发展,特别是锂电池储能的发展,5G基站供电(电源)节能方案,在上面方案的架构里,在“蓄电池”、“通信设备”、“开关电源”、“温控”等方案上,结合物联网、互联网技术,升级到了5G基站智慧能源。
安全便捷为核心, 高容量为5G基站储能产品的第一要求。
不同品牌的5G基站储能产品容量差异不大, 5G基站在选购储能时, 安全是一切的基础。
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(储能的核心在于安全)
2-1.
“我们温度传感器,在储能上游,就参与到锂电池里的热管理、温控,”温度传感器厂家特普生曾老师说,“电池本体的温度检测,温度传感器可以安装在电池间隙中,也安装在电池包带中。电池冷却介质的温度检测,温度传感器可以安装于冷却管里。BMS控制板的温度检测,温度传感器有一体方式、捆绑方式、紧挨方式等多种结构可以选择。”
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特普生温度传感器)
“在锂电池下游,锂电池在规定工作温度范围内,才可能实现最佳的能源效率。温度传感器监测并控制电池温度,防止过热。有效延长电池使用寿命并增强安全性。为此,必须在多处测量电池温度,防止局部过热。这些测量电池温度的位置,往往有电池本体、冷却液、BMS板等等。”一直在为储能行业提供温度采集方案的特普生温度传感器厂家曾老师又说。
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(储能控制系统)
本文落地于“5G基站用温度传感”这个垂直主题。5G基站储能系统由电池组、 消防、温控、PCS、EMS、BMS构成,5G基站储能设备主要由电池组、储能逆变器( PCS)、能量管理系统( EMS)、电池管理系统( BMS)构成。
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(锂电池部分上游类别与代表)
“发电、电网、用电都用到储能,储能都到温控,温控都用到温度传感器。”
2-2. 
“我们特普生,2022年,推出了储能CCS电池模组温度/电压采集方案,有家庭/工商业储能CCS、通信储能CCS、箱式储能CCS、便携储能温度传感器,来解决对应不同储能温度采集问题/储能CCS,安装在电池包上,形成一套电池模组。”*CCS,即Cells Contacting System, 即线束板集成件、采集集成件、总成或线束隔离板。
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(特普生通信储能CCS-激光焊接方案)
“特普生通信储能CCS,就应用于5G基站储能,通过铜铝巴,实现电芯串并联,输出电流;采集电芯电压;采集电芯温度。我们有螺丝固定方案、激光焊接方案、超声焊接方案、FPC方案。”
2-3. 
“特普生通信储能CCS之外,也用于5G基站储能的,还有储能温控(风冷/液冷)温度传感器、储能消防温度传感器等产品。”
储能冷却(风冷/液冷)系统温度管理:“储能风冷或液冷,这些冷却温度管理,要采用单端玻璃封装热敏电阻,精度高、可靠性好。譬如双85测试1000小时,耐水煮测试1000小时。采用特殊的内部结构,正常使用寿命10年以上。”
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(储能冷却(风冷/液冷)温度传感器)
储能消防系统温度管理:“我们,发现储能消防系统温度管理,这套传感器,特别适合用于储能消防用。最小直径尺寸可以做到:0.7mm。响应速度最快可达1.5S(液体介质)。温湿度模块、温度气体模块等,也可以无线化数据传输。”
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(储能消防温度传感器)
“目前,市场反馈的传感器失效模式为两种:防水与耐压情况不佳。防水是指吸潮后传感器阻值下降,主要为潮气影响;耐压则是传感器绝缘层被击穿。为妥善解决传感器失效模式,特普生传感器针完全胜任。一是针对潮气影响,特普生传感器在保持耐温175度的条件下、耐水煮168小时。打破行业48小时极限;二在绝缘度问题上,特普生传感器可长期耐压5VDC,远高于行业3500VDC的标准要求。”


四、5G基站产业上中游用温度传感器
最近5年,随着新能源的发展,特别是锂电池储能的发展,5G基站供电(电源)节能方案,在上面方案的架构里,在“蓄电池”、“通信设备”、“开关电源”、“温控”等方案上,结合物联网、互联网技术,升级到了5G基站智慧能源。
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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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图片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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