通信用バッテリーエネルギー貯蔵システム: 送電網に障害が発生した場合でも基地局をオンラインに保つ方法

通信バッテリー エネルギー貯蔵システム（BESS）は、送電網の停止、電圧の不安定、または完全なオフグリッド運用中に重要なネットワーク機器に電力を供給できるように、携帯電話の基地局、基地局、遠隔通信サイトで電気エネルギーを蓄えます。{0}}このシステムは通常、リチウムまたは鉛酸電池モジュール、電池管理システム (BMS)、DC 配電、保護筐体、熱管理、およびリモート監視ソフトウェア - を組み合わせたもので、すべてがエツィエン300 132-2-48 V DC テレコム電源インターフェイスの標準。

通信事業者にとって、ネットワークの可用性は漠然とした目標ではなく、-それは契約上の義務です。 1 つのタワーが停止すると、サービス レベル アグリーメントが破られ、緊急通信が中断され、高額な費用がかかる現場でのトラック移動が必要になる可能性があります。{2}}通信 BESS の目的は、即座に自動バックアップ電力を提供することで計画外のダウンタイムを排除し、ハイブリッド構成ではディーゼル発電機の稼働時間を短縮し、再生可能エネルギー源を統合することです。

通信用バッテリーエネルギー貯蔵システムは実際に何をするのでしょうか?

最も基本的なレベルでは、通信 BESS はサイトの DC 電源バスとその重要な負荷である無線機、伝送装置、ルーター、冷却ファン、監視デバイスなどの間に配置されます。{0}。送電網の故障や発電機の停止により整流器の出力が低下すると、バッテリーバンクが数ミリ秒以内に引き継ぎます。手動での切り替えや RF 信号の中断はありません。

しかし、現代の通信エネルギー貯蔵は単なるバックアップをはるかに超えています。サイトのアーキテクチャに応じて、BESS は停電や短時間の送電網変動時に電圧を安定させ、オフグリッドの鉄塔で夜間放電するために日中太陽エネルギーを蓄え、規模の小さい送電網接続でのピーク需要を削減し、発電機の稼働時間を制限して燃料費とメンテナンス サイクルを削減し、数百または数千の分散サイトにわたる予知保全を可能にするデータ レイヤー - の充電状態、セル温度、障害履歴 - を提供することもできます。-

これらのシステムは、マクロ携帯電話基地局、屋上スモールセル、地方のトランシーバー基地局、エッジ データ シェルター、オフグリッド通信ハブ、再生可能なハイブリッド通信サイトなどに導入されています。{0}{1}共通しているのは、すべてのサイトには中断のない -48 V DC 電源が必要であり、バッテリー システムは他のすべての電源に障害が発生した場合の最後の防御線であるということです。

テレコム BESS のコアコンポーネント

バッテリーモジュール

バッテリー バンクは、停電時に機器を稼働し続けるためのエネルギーを蓄えます。現在、新しい電気通信の導入のほとんどは、高いエネルギー密度、長いサイクル寿命 (通常、80 % の放電深度で 3,000 ～ 6,000 サイクル)、熱安定性、および最小限のメンテナンスのため、リン酸鉄リチウム (LiFePO4) セルを指定しています。鉛酸 VRLA バッテリーは多くの従来の施設で引き続き使用されていますが、スペース、重量、またはメンテナンスへのアクセスが制限されている場所では、置き換えられるケースが増えています。どれだけ違うのかを詳しく見てみると、エネルギー貯蔵に関するバッテリーの種類の比較化学物質、サイクル寿命、総所有コストの間のトレードオフを考慮してください。{0}

バッテリー管理システム (BMS)

BMS は、各セルの電圧、電流、温度、充電状態 (SoC)、および健全性 (SoH) を監視します。過充電、深放電、過電流、熱暴走に対する保護制限を強制します。電気通信アプリケーションでは、BMS は通常、SNMP、Modbus、または CAN バスを介して通信するため、サイト コントローラーとオペレーターのネットワーク管理システムはバッテリーの状態をリモートで読み取ることができます。適切に構成された BMS は、-充放電サイクル、ピーク温度、容量低下などの履歴データ - も記録し、メンテナンスのスケジュールや交換計画を推進します。-。

電力変換と直流配電

通信サイトは、ETSI EN 300 132-2 で定義されている -48 V DC (プラス接地) で標準化されており、通常の動作範囲は -40.5 V ～ -57.0 V です。BESS は、既存の整流器、DC 分電盤、およびハイブリッド サイトの - - ソーラー充電コントローラまたは DC- DC コンバータと適切に統合する必要があります。互換性は重要です。電圧設定値の不一致、電流制限の誤り、または逆極性保護の欠如により、機器の損傷や安全でないバッテリ充電が発生する可能性があります。{9}}理解コア BESS コンポーネントとそれらの相互作用方法統合の失敗を防ぐのに役立ちます。

エンクロージャと熱管理

屋外の通信キャビネットは、極端な温度、湿気、ほこり、塩霧、および一部の地域では砂や昆虫に耐える必要があります。エンクロージャの IP 定格 (通常は IP55 以上)、換気またはアクティブ冷却設計、耐腐食性の素材は、バッテリー寿命に直接影響します。{2}} LiFePO4 セルは 15 度から 35 度の間で最もよく機能します。この期間外で動作すると、容量の低下が加速します。暑い気候の現場では、多くの場合、キャビネット内に強制空冷またはコンプレッサーによる冷却が必要です。一方、寒い-気候の現場では、低温による充電による損傷を防ぐために発熱体が必要な場合があります。-キャビネット-ベースのシステムを評価するオペレーター向け、屋外キャビネット BESS オプション事前に設計された熱管理と耐候性を提供します。{0}

遠隔監視と通信

分散型通信ネットワークには、バッテリー駆動のサイトが何千も含まれる場合があります。-手動検査は現実的ではありません。通信事業者独自のネットワークまたは専用の管理チャネル - を介して配信されるリモート モニタリング - により、運用チームは SoC、SoH、セルの不均衡、周囲温度、ドアの状態、障害アラームをほぼリアルタイムで追跡できます。-のITU-T L.1397 規格CAN バスを介して外部管理アプリケーションと通信する統合バッテリー ユニット (IBU) および統合バッテリー システム (IBS) のアーキテクチャを含む、通信バッテリー システムの監視および制御インターフェイスを定義します。

ネットワークの可用性がバッテリー システムに依存する理由

通信事業者は、ネットワークの品質を稼働時間の割合で測定します。キャリア-グレードの可用性 - は、多くの場合「ファイブ ナイン」または 99.999 % と表現されます - により、年間 5.3 分未満の計画外ダウンタイムが許容されます。大規模なネットワーク内のすべてのサイトでその目標を達成することは、信頼性の高い高速スイッチングのバックアップ電源がなければ不可能です。-

系統電力に障害が発生すると、その影響は急速に広がります。音声サービスとデータ サービスが停止します。緊急通話が完了できません。ネットワークの輻輳が隣接セルに波及します。収益は刻々と失われ、その後、規制上の罰則が科せられる可能性があります。弱電-またはオフ{6}}地域にあるサイトの場合-、アフリカ、南アジア、ラテンアメリカの一部に共通-、この問題は例外的なものではなく慢性的なものです。によると、GSMA新興市場の携帯電話会社のネットワーク運営支出の 20 ～ 40 % はエネルギーコストであり、地方では電力の信頼性が低いことがネットワーク拡大の主な障壁となっています。

適切な規模の通信 BESS は、いくつかの方法でこれらのリスクに対処します。通常 10 ミリ秒未満で即時バックアップの切り替え - が行われるため、負荷が中断されることはありません。これにより、自律性が数分から数時間に拡張され、現場チームに発電機を派遣したり、送電網の復旧を待つ時間が与えられます。送電網の変動時に電圧を安定させ、高感度の無線および送信機器を損傷から保護します。また、遠隔監視を通じてオペレーション センターに容量の低下を早期に警告し、停電が発生する前に予防的にバッテリーを交換できるようにします。

通信バックアップ電源用のリチウム電池と鉛-酸電池

屋上や電柱設置場所でのスペースの制約、遠隔地でのメンテナンスの削減の必要性、リチウム電池の価格低下などにより、通信バックアップにおける鉛酸からリチウムへの移行が進んでいます。{0}{1}ただし、鉛-酸は時代遅れではありません - 特定の用途では依然として合理的な選択肢です。以下の表は、主な違いをまとめたものです。

鉛酸がまだ意味がある場合:{0}}予算が主な制約であり、バッテリーのサイクルが頻繁に行われない、適切に維持され、気候が管理されている-屋内サイトでの短期間のバックアップ-。{2}}。リチウムがより強力な選択肢である場合:スペースが{0}}限られている屋上または電柱-に設置されたサイト、メンテナンス アクセスが困難な遠隔地、頻繁にサイクリングが行われる弱電網またはオフグリッド サイト、および事業者が 10 年以上サイトを保持する予定の展開。

通信用バッテリーエネルギー貯蔵システムのサイズを決定する方法

小さすぎるバッテリーは故障の原因になります。特大のバッテリーは資本を無駄にします。正しいサイジングは、一般的な経験則ではなく、サイトの実際の負荷プロファイルと必要な自律性から始まります。

ステップ 1: 臨界荷重を測定する

停電中に電力を供給し続ける必要があるすべての機器を特定します。- 無線機、ベースバンド ユニット、伝送リンク、ルーター、冷却ファン、障害物灯、監視ハードウェアなどです。平均消費量だけでなく、トラフィックのピーク時の消費電力を合計します。一般的なマクロセル サイトは、テクノロジー（2G/3G/4G/5G）とセクター数に応じて 2 ～ 6 kW を消費します。. 5大規模な MIMO アンテナを備えた G サイトでは、さらに多くの電力を消費する可能性があります。

ステップ 2: 必要な自律性を定義する

バックアップ期間はサイトのリスクによって異なります。信頼性の高い送電網と迅速な修理対応を備えた都市部のサイトでは、2 ～ 4 時間かかる場合があります。 -電力網が弱い田舎のサイトでは、夜間や週末の停電をカバーするのに 8～12 時間かかる場合があります。オフ-太陽光発電-ハイブリッド サイトでは、日照不足期間と発電機の起動遅延を埋めるために、16～24 時間のバッテリーの自立性が必要になる場合があります。-これらの要件は、想定されるものではなく、オペレーターの可用性目標とメンテナンスの応答時間によって定義される必要があります。

ステップ 3: サイズ計算式を適用する

実際のサイジング手法では、次の関係を使用します。

必要なバッテリー容量 (kWh)=臨界負荷 (kW) × 自律性 (時間) ÷ 使用可能な DoD ÷ システム効率 ÷ 温度ディレーティング係数 ÷ 経年劣化マージン

たとえば、臨界負荷が 3 kW の田舎のサイトで、国防総省 85 %、システム効率 95 %、温度ディレーティング 0.95、およびバッテリの耐用年数に対する経年劣化マージン 0.85 の LiFePO4 バッテリを使用して 8 時間の自律性を必要とする場合、約 3 × 8 ÷ 0.85 ÷ 0.95 ÷ 0.95 ÷ 0.85 ≈ 39.2 kWh が必要になります。搭載されているバッテリー容量。利用可能なモジュール サイズに切り上げて、将来の負荷の増加 (無線キャリアの追加や 5G アップグレードなど) を考慮するのが標準的な方法です。

ステップ 4: システムをサイトの条件に合わせる

容量を超えて、システムはサイトの物理的および環境的制約に適合する必要があります。

迅速な導入のためにコンテナ化された構成やモバイル構成を検討している事業者にとって、コンテナ化されたBESSソリューション事前に統合され、すぐに接続できる状態で出荷されます。-

テレコム BESS プロジェクトの導入ワークフロー

導入を成功させるには、バッテリーを購入するだけでは不十分です。次のワークフローは、サイト調査から運用引き継ぎまでの重要な段階をカバーしています。

サイトの評価

サイトの既存の電力インフラストラクチャを調査します。整流器のモデルと容量、DC 分電盤の構成、接地システム、利用可能なキャビネットまたはシェルターのスペース、構造上の負荷制限 (特に屋上サイトの場合)、周囲温度の範囲、換気、機器配送のためのアクセス道路の状況などです。鉛蓄電池を交換する場合は、既存のバッテリーの種類、使用年数、状態を文書化します。-

システム設計と統合計画

サイトの -48 V DC バスと統合するように BESS を設計します。整流器の互換性を確認します - 整流器のフロートとブースト電圧の設定値がリチウム電池の充電プロファイルと一致していることを確認します-。または、専用のリチウム互換充電器を取り付けます-。ケーブルの配線、回路ブレーカーのサイジング (定格は連続負荷の 80 % 以下)、BMS とサイト コントローラー間の通信配線を計画します。敷地にソーラー パネルまたはディーゼル発電機が設置されている場合は、調達前にエネルギー フローと制御ロジックをマッピングします。

設置と保護

バッテリーキャビネットは、十分な通気スペースのある水平な面に設置してください。 DC 電源ケーブルを正しい極性とトルク仕様で接続してください。接地の導通を確認します。サージ保護を取り付けてください。エンクロージャの IP 定格がサイト環境と一致していることを確認します。- たとえば、沿岸地域の屋外サイトには、耐塩-霧-ハードウェアが必要です。

テストと試運転

サイトの稼働を宣言する前に、バックアップの切り替えタイミング (目標: 10 ミリ秒未満)、完全な放電および再充電サイクル、BMS アラームしきい値、ネットワーク オペレーション センターへのリモート通信リンク、発電機の起動調整​​ (該当する場合)、および緊急時の手動切断をテストします。将来の比較のためにベースライン パフォーマンス データを記録します。

継続的な監視とメンテナンス

試運転後、サイトをオペレーターの集中監視プラットフォームに統合します。 SoC、SoH、セル-レベルの電圧バランス、温度傾向、アラーム履歴を追跡します。このデータを使用して、換気フィルターの清掃、ケーブル終端の確認、ファームウェアの更新の確認などの予防メンテナンス - のスケジュールを設定したり、カレンダーの経過時間だけではなく実際の容量の低下に基づいてバッテリーの交換時期を予測したりできます -。

オフ{0}}グリッドと再生可能-のハイブリッド通信 BESS アプリケーション

オフグリッド通信サイトでは、バッテリーは単なるバックアップではありません -。通常、ソーラー パネル、バッテリー バンク、ディーゼルまたはプロパン発電機を組み合わせたシステムにおける主要なエネルギー バッファーです。日中は、太陽光発電によってバッテリーが充電され、負荷に直接電力が供給されます。日没後、SoC が低いしきい値に達するまでバッテリーがサイトに電力を供給し、その時点で発電機が自動的に起動します。

太陽光発電ハイブリッド構成が最も経済的に有利となるのは、ディーゼル燃料の供給が高価であるか信頼性が低い場合です。{0} GSMA は、先進的なバッテリーを備えた再生可能-ハイブリッド システム - を含む、エネルギー効率の高い代替電源 - への移行により、通信部門を年間 130 ～ 140 億米ドル節約する。実際、適切に設計された-太陽電池-発電機ハイブリッド-は、発電機の稼働時間を 50 ～ 70% 削減し、燃料費、エンジンのメンテナンス、二酸化炭素排出量を同時に削減できます。

これらのアプリケーションの場合、BESS はディープ サイクリング（毎日の充電{0}}）、幅広い温度での動作、太陽光充電コントローラと発電機の自動起動ロジックとのインテリジェントな調整をサポートする必要があります。-負荷の増加に応じて容量を拡張できるモジュラー設計 - (たとえば、無線通信事業者を追加する場合など) - により、システム全体を交換する必要性が軽減されます。オペレーターは探索できる太陽エネルギー貯蔵システムの仕組みハイブリッド統合の詳細については、こちらをご覧ください。

結論

通信用バッテリ エネルギー貯蔵システムは単なるバックアップではなく、ネットワーク可用性の基盤です。{0}}停電中の通話の切断、データ セッションの失敗、緊急通信の見逃しは、通信事業者と接続に依存するコミュニティにとって直接的なコストとなります。

適切なシステムを選択するということは、バッテリーの化学的性質、容量、熱管理、監視を各サイトの特定の負荷、自律性要件、環境条件、長期的な運用戦略に適合させることを意味します。{0}}このガイドで説明されているサイジング公式、サイト タイプ決定表、統合チェックは、通信事業者、調達チーム、プロジェクト エンジニアが次の BESS 導入を評価するための実用的な出発点となります。

システムを指定する前に、サイトの負荷を測定し、自律性目標を定義し、環境上の制約を評価し、予想される耐用年数全体にわたる総所有コストを計算します。適切な設計により、通信 BESS はダウンタイムを短縮し、運用コストを削減し、加入者と規制当局が要求するネットワークの可用性をサポートします。