電源供應器 燃料電池 UL

材料特性好/使用壽命長 鋰電池成基地台備用電源新寵

2015-03-09
鋰離子電池可望躍居基地台備用電源技術主流。電信基礎設施布建成本高昂,電信業者為確保設備穩定運作,並提高投資效益,已開始引進鋰離子電池做為基地台備用電源,解決現今鉛酸電池因壽命較短而引發的網路服務停擺問題。
基地台備用電池技術將改朝換代。電信業者擴大部署4G長程演進計畫(LTE)基地台,不僅引發電信基礎設備電源供應器提升功率密度的設計挑戰,也牽動其備用電池技術的新變革。

行動網路流量快速激增,電信商為提供用戶更好的網路效能和使用者經驗,皆積極擴建基地台並提升其運作效能。然而,4G通訊技術因為採用頻率愈來愈高且資料傳輸率大幅提升,導致基地台耗電量明顯增加,功耗已成為電信業者面臨的棘手問題。

為協助電信商克服此一難題,相關設備及電源供應系統開發商皆已積極尋求新的產品與技術。舉例而言,微型化表面黏著封裝元件(SMD)與數位電源晶片即是上述發展趨勢下的當紅解決方案。此外,具有較佳自放電特性和使用壽命的鋰離子電池,也可望取代現今常用的鉛酸電池,成為電信設備備用電源的新選擇。

基地台備用電源掀革 鋰電池躍居主流呼聲高

UL亞太區事業發展經理陳立閔表示,囿於成本考量,目前市面上做為基地台備用電源的技術,主要還是鉛酸電池,鎳鎘電池與鎳氫電池次之,然而,設備商面臨4G的高耗電及高功率密度需求,鋰離子電池與燃料電池是比較合適的解決方案。其中,燃料電池雖然能夠免去充電的煩惱,但是其快速散熱的反應熱(Heat of Reaction)與龐大的首次投入成本則為缺點,使得鋰離子電池成為目前最為恰當的選擇。

台灣艾默生網絡能源(Emerson Network Power)產品經理周鎮宏也提到,鉛酸電池自放電次數高,長期使用後電力會快速衰減,使用壽命相對較短,再加上台灣氣候、溫度等環境因素影響,在實際的運用中,經常會發生基地台備用鉛酸電池比原先預期的時間提前失效,影響通訊網路服務品質,也因此備用電池的效能已日益受到電信業者的重視。

周鎮宏進一步指出,電信設備動輒百萬起跳,而電源供應器與備用電池系統的花費則僅約其10~20%,若因為電源供應問題導致基地台運作停擺,甚至毀損,將得不償失,所以未來通訊設備電源和電池的角色將日益吃重。

另一方面,電信設備的生命週期多半是5~10年不等,而現今市場上的備用鉛酸電池雖標榜10年的設計壽命,但以台灣的環境來看,實際上真正可使用的時間約3年;換言之,對電信業者而言,頻繁更換電池將產生更高的成本。相較之下,鋰電池材料特性較佳,自放電次數相當低,且設計壽命超過10年,儘管購置成本相對較高,但從總體持有成本(Total Cost of Ownership)和通訊系統運作可靠度等層面考量,其不啻為最佳選擇。

提升4G通訊系統穩定性 鋰鐵電池後勢看俏

在眾多鋰離子電池種類中,又以鋰鐵電池在電信設備備用電源的應用最被看好。 由於鋰鐵電池具備壽命長、可模組化設計等特性,有助延長網路基地台壽命,縮小機台體積,讓電信商邁向5G技術的同時毋須更換設備,減少設備總持有成本,甚至可以簡化電池模組維修過程及降低維修成本,可望成為電信設備電源系統不可或缺的重要元素。

周鎮宏分析,鋰鐵電池因為放電較慢,而且可耐溫高達45度,平均壽命為15?20年,較目前通訊電源系統中所採用的鉛酸電池的10年壽命還要長,絕對能夠應付未來5G時代來臨;再加上其採模組化設計,能縮小電池模組占位空間,實現小體積的電源系統,對於提高機台功率密度也有很大的幫助。

據了解,為強化4G現有網路覆蓋率和滿足下一代網路技術對效能的要求,提升網路設備機台的功率密度已是通訊電源系統供應商面臨的難題之一。對此周鎮宏指出,縮減電源模組體積、減少模組數量和提升模組效率是讓機台功率增加的秘訣;將機台輸出功率提升之後,電信商所提供的網路服務就能更為理想。

雖然,鋰離子電池可謂電信設備備用電源的絕佳選擇,但截至目前仍未被大量採用,主要原因在於其爆炸風險恐對基地台穩定和安全性帶來威脅。也因此,包括UL和艾默生網絡能源皆致力提出可確保鋰離子電池安全的驗證服務與設計方案。

陳立閔解釋,鋰離子電池的爆炸問題是基地台業者卻步不前的主要原因,特別是基地台不斷朝向小型化發展,甚至有業者喊出行動基地台的口號,不但是可移動,還可攜帶,更增加許多的安全顧慮,譬如人身電磁波危害或電池危險,因而對不同大小的基地台會有不同的標準與認證要求。UL台灣除了有材料、零組件、電源產品安規實驗室外,也設有鋰離子電池實驗室、危險場所防爆實驗室,同時也有龐大的電磁相容實驗室合作資源,能夠提供製造商全方位的服務。

至於艾默生網絡能源則開發出可與鋰鐵電池連結的電源監控模組(CSU),以精準掌控鋰電池的狀態。周鎮宏解釋,透過電源系統中的監控模組直接監測鋰鐵電池內的電池管理系統,是該公司提出的最新設計策略。透過這種做法,電信業者在基地台與控制中心間只須鋪設一條網路線,即可同時掌握電源供應系統與備用鋰電池的所有狀況,不僅能解決電源系統在外無人看管的問題,避免危險發生,亦大幅減少拉線的成本。

不過,周鎮宏也提到,由於鋰鐵電池價格是鉛酸電池的兩到三倍,且台灣4G網路業者日前還未顯著獲利,因此許多台灣電信業者仍持保守態度,預計要到2年後市場採用率才會提升。

儘管如此,艾默生網絡能源因看好鋰鐵電池的後市發展,已積極與電池業者展開合作。周鎮宏透露,該公司在大中華區已與幾家鋰鐵電池供應商簽訂合作協議,其中更有兩家已通過測試。

除引進鋰鐵電池於電信設備電源供應系統外,艾默生網絡能源也採用直流(DC)電源模組的混插架構,來增加電源通訊系統的安培數,滿足從4G過渡到5G,甚至5G網路時代的功率要求;混插架構內含有標準電源模組和高效能電源模組,可依照外在環境彈性調整供電模組,優化電源轉換效率,舉例來說,白天時能源系統耗電量大,此時系統就會採用高效能電源模組來供電;當用電量降低,系統就會自動切換成標準電源模組。

總體而言,4G網路布建的蓬勃,以及後4G和5G技術的加速演進,不但使得電源供應器朝小型化、高功率密度及高轉換效率發展,亦促進電信設備備用電池規格換新;其中,鋰鐵電池可望在新監控設計和測試規範雙重機制的把關下,降低安全性與可靠性疑慮,進而挾更長使用壽命,更低自放電次數登上電信設備備用電源主流寶座。

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