集成式磷酸鐵鋰電池在通信室外站的應用探討

徐　飛

(中國移動通信集團浙江有限公司杭州分公司，浙江 杭州)

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集成式磷酸鐵鋰電池在通信室外站的應用探討

徐飛

(中國移動通信集團浙江有限公司杭州分公司，浙江 杭州)

摘要:集成式磷酸鐵鋰電池逐步在通信行業(yè)推廣，在實際使用中技術人員應根據(jù)其特性，有針對性地選擇使用場景、優(yōu)化參數(shù)設置，最大化地發(fā)揮鐵鋰電池的優(yōu)點，而并不是簡單作為鉛酸電池的替換。文中主要分析鐵鋰電池的適用場景需求、開關電源各項參數(shù)設置的必要性。

關鍵詞：集成式磷酸鐵鋰電池；通信室外站；應用

經(jīng)過幾年的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的應用已從試點階段進入小規(guī)模應用階段。相比鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池在循環(huán)壽命、工作溫度、重量比能量、體積比能量等方面的性能優(yōu)勢已眾所周知，相關參數(shù)對比的文章也很多，在此不再贅述。本文分析探討了鐵鋰電池在本地區(qū)的現(xiàn)網(wǎng)應用場景、安裝施工、參數(shù)設置等方面的問題。

1　磷酸鐵鋰電池的分類

根據(jù)單芯電池的數(shù)量不同有15串和16串組成的電池組，由于低溫特性相對較好，目前中國移動通信集團浙江有限公司杭州分公司都采用16串電池。本文基于16串鐵鋰電池進行論述。

從應用上分類磷酸鐵鋰電池分為集成式和分立式電池組；根據(jù)電池組與電池管理系統(tǒng)的不同組合，中國移動通信用基站磷酸鐵鋰電池企業(yè)標準(QB-H-005-2012)中主要分為三種模式。

(1)IBS模式：由16只小容量磷酸鐵鋰電池串聯(lián)和電池管理系統(tǒng)置于同一裝置內的一體化電池組。

(2)LBMS模式：由16只較大容量磷酸鐵鋰電池串聯(lián)和電池管理系統(tǒng)組成，電池管理系統(tǒng)可以獨立安裝，也可以安裝于開關電源系統(tǒng)內的分立式電池組。

(3)LBAM模式：由16只較大容量磷酸鐵鋰電池串聯(lián)和電池采集模塊組成，電池的保護與告警功能由開關電源系統(tǒng)完成的分立式電池組。

目前IBS模式已在浙江省批量應用，后兩種模式僅在零星試點階段。筆者以為后兩種模式尚未推廣，主要基于價格偏高及通信用分立式磷酸鐵鋰電池組的行業(yè)標準尚未出臺兩個因素。

2　應用場景

目前IBS模式的磷酸鐵鋰電池技術比較成熟，常規(guī)使用的單組電池容量有10 Ah、20 Ah、30 Ah、50 Ah，作為鉛酸電池的替代和補充。根據(jù)鐵鋰電池耐高溫、可高倍率放電等特性，主要應用在室內分布、WLAN、室外機柜站等環(huán)境惡劣的場景。其中室外機柜站點由于一年四季環(huán)境溫差變化大，特別是夏季高溫，被盜頻繁等原因，該類型站點現(xiàn)網(wǎng)后備電源保障情況嚴峻，成本高。

本地區(qū)室外機柜都采用通風或熱交換方式，夏季高溫電池柜內溫度可高達55 ℃，少數(shù)機柜甚至更高，鉛酸電池一般兩年就要更新替換。2012年底錢塘旅游公司室外基站，用150 Ah的集成式磷酸鐵鋰電池替換原有的200 Ah鉛酸電池作為試點，通過測試兩年來鐵鋰電池各項性能依舊良好。按今年本省集采價格計算，150 Ah鐵鋰電池價格為11 400元，原品牌200 Ah鉛酸電池5 040元/組。而鐵鋰電池保修期為6年，6年內鉛酸電池需更換3組共計費用15 120元，其中還不考慮更換及物流費用。另外室外站鉛酸電池的被盜率很高，由于鐵鋰電池是新興產(chǎn)品外界辨識率低，且暫無銷贓渠道，被盜率很低。

從中長期看室外站推廣使用集成式磷酸鐵鋰電池能起到降本增效的效果。通過交流了解，省內其他地區(qū)也存在類似情況，可見室外站用磷酸鐵鋰電池替代鉛酸電池的需求尤為迫切。

3　安裝施工

集成式磷酸鐵鋰電池顧名思義是集成于一體的，相比鉛酸電池安裝簡單方便，工作量小。但現(xiàn)網(wǎng)在用的室外機柜電池倉尺寸都是根據(jù)鉛酸電池設計的，而目前集成式鐵鋰電池都是扁平化的機架式設計，且不同廠家的尺寸都不相同。這導致部分廠家的單組電池無法安裝到室外機柜中，或者電池無法并聯(lián)組合安裝，特別是一體化機柜，從現(xiàn)場安裝反饋來看主要是機柜的深度不夠。以本地區(qū)用某品牌的50 Ah鐵鋰電池為例，其尺寸為(寬×深×高)442×385×132(3U) mm，而現(xiàn)網(wǎng)部分在用的一體化機柜電池倉尺寸為500×365×222(5U) mm。由于這種機柜數(shù)量較多，針對這種情況，本地區(qū)采用定制一批電池箱，可壁掛或抱桿使用。

4　開關電源的參數(shù)設置

原開關電源中的參數(shù)是根據(jù)鉛酸電池的特性及多年使用經(jīng)驗而設置的，當替換上磷酸鐵鋰電池，其參數(shù)應根據(jù)鐵鋰電池的特性作修改，同時因集成式磷酸鐵鋰電池自身帶有電池管理系統(tǒng)(BMS系統(tǒng))，出廠時系統(tǒng)內有告警、保護等各項默認值。如何提高兩套系統(tǒng)的兼容性，如何調整設置開關電源原有參數(shù)，維護人員必須綜合考慮，而不是簡單地用鐵鋰電池替換。下面以本地區(qū)中恒室外一體化機柜為例進行開關電源參數(shù)的修改設置。

4.1　充電限流值

現(xiàn)網(wǎng)在用室外機柜開關電源的充電限流默認設定值為鉛酸電池容量的0.1 C10，廠家提供的鐵鋰電池的充電電流范圍0～1.0 C10之間可取。原先設置值0.1 C10可保留不做修改。但根據(jù)《通信用磷酸鐵鋰電池第1部分：集成式電池組》(YD/T2344.1-2011)行業(yè)標準第6.3.1條鐵鋰電池的標準充電電流取0.2 C10，廠家BMS系統(tǒng)中的默認值一般也參照行業(yè)標準取值，因此開關電源原充電限流值最好統(tǒng)一修改為0.2 C10。

另外從后備電源保障時長及經(jīng)濟性方面綜合考慮，一般都用較小容量的鐵鋰電池來替換較大容量的鉛酸電池。例如，原系統(tǒng)安裝有50 Ah的鉛酸電池一般用30 Ah的鐵鋰電池替換，而不會用50 Ah同等容量的鐵鋰電池。因此修正充電限流值的同時應注意電池容量值的修改，以保證鐵鋰電池能在標準充電電流下充電。

4.2　低壓脫離值

低壓脫離一般分為LVD1(一次下電)和LVD2(二次下電)，原鉛酸電池對應開關電源參數(shù)默認值分別為46 V和44 V。鐵鋰電池低壓脫離尚無一個確切的行業(yè)參考設置值，不同廠家提供的參數(shù)也不盡相同，二次低壓脫離有43.2 V或44.8 V，一次低壓脫離值也不同，就目前使用情況看廠家默認值不適用，即太高或太低。由于不同品牌、同一品牌不同批次的鐵鋰電池放電性能都有區(qū)別，應通過放電測試確定鐵鋰電池放電穩(wěn)壓平臺值，即為一次低壓脫離值的參考設定值，同時考慮負載大小做微調整，以確保搶修時間，減少基站退服率。

通過對三個不同廠家、不同批次的產(chǎn)品測試，根據(jù)放電電流大小，鐵鋰電池的放電平臺上下浮動較大，因此一次下電取值尚需大量實驗數(shù)據(jù)及行業(yè)標準來支撐。以本地區(qū)使用某品牌50 Ah鐵鋰電池為例，通過1 h、3 h、10 h放電率放電觀察放電平臺，同時綜合考慮停電工單下派時間，該產(chǎn)品的電池放電曲線拐點在46.5 V左右。因此建議根據(jù)負載大小及站點地理位置遠近，LVD1取值為46.5±0.5 V。

由于磷酸鐵鋰電池有BMS系統(tǒng)，其中默認有低壓保護電壓值40.0 V(一般單體取值2.5±0.1 V)，該值遠低于放電截止電壓43.2 V(一般單體取值2.7±0.1 V)，且鐵鋰電池具備可深度放電的特性，因此LVD2功能的設定多余，建議可關閉該功能。

4.3　溫度補償功能

為了滿容量充電，鉛酸電池溫度補償以25℃為基準，每升高(或降低)1℃，單體電壓降低(或升高)3 mV。磷酸鐵鋰電池的化學特性決定充電溫度允許范圍寬，一般在-20～60℃之間有效，其高溫特性曲線優(yōu)良，低溫特性0℃以下稍差。為解決這一問題廠家在BMS管理系統(tǒng)內部都裝有熱管理裝置。以江蘇的某產(chǎn)品為例，在環(huán)境溫度低于0℃時熱管理裝置開啟加熱，達到一定的溫度(15℃)關閉。因此，對磷酸鐵鋰電池而言沒有必要啟動溫度補償功能，一般產(chǎn)品出廠默認也不建議啟動該功能。

4.4　均浮充轉換

目前本地區(qū)鉛酸電池開關電源滿足表1中條件之一則均浮充轉換。

表1　均浮充轉換條件

現(xiàn)網(wǎng)用鉛酸電池采用連續(xù)在線浮充電方式，而集成式磷酸鐵鋰電池則采用間歇式充電方式。間歇式充電方式共分為四個階段，如圖 1所示。

間歇式充電過程如下：

(1)恒流-限壓充電階段(T1)：此階段中充電電流保持恒定，電壓逐步升高，當電池最高電壓或電池組端電壓大于或等于規(guī)定的電壓值后，結束此階段充電；

圖1 間歇式充電方式示意圖

(2)恒壓-限流充電階段(T2)：此階段中最大充電電流限制在允許充電電流之內，當電池最高電壓等于設置值后，充電電流自動減小，當充電電流下降到規(guī)定值后，停止充電；

(3)電池組開路靜置階段(T3)：電池組完成整個恒流-恒壓充電過程后，電池組由 BMS 控制進入充電回路開路靜置狀態(tài)，隨時監(jiān)測電源系統(tǒng)直流輸出端電壓，確保放電回路連通，若交流電停電，BMS 控制電池組無延遲進入放電狀態(tài)；

(4)間歇式補充電階段(T4) ：電池組充電回路處于開路靜置狀態(tài)，直至容量減少到電池組充電限制電壓初始容量的 90%～95%SOC 時，由 BMS 控制電池組重新進入補充電狀態(tài)，補充電方式也遵循恒流-恒壓充電方式；

(5)電池組放電過程(T5)：電池組根據(jù)負載情況提供能量，當電池最低電壓或電池組端電壓達到終止電壓時，停止放電。

從圖1可知，集成式磷酸鐵鋰電池的充電過程是由BMS控制的，原有開關電源的均浮充轉換條件是根據(jù)鉛酸電池的特性及要求而設定。通過了解，不同鐵鋰電池廠家對均充周期、時長、及均浮充轉換條件的設定值大不相同，且取值是參照鉛酸電池設定。磷酸鐵鋰電池化學反應過程中不存在氧循環(huán)需求，單體電壓一致性是由BMS管理控制，無需通過均充來保持一致性，這些方面與鉛酸電池存在極大差別。且間歇式充電模式完全能滿足鐵鋰電池的滿容量充電需求，因此磷酸鐵鋰電池在開關電源上的均浮充轉換條件、均充周期、均充時長等參數(shù)可不設定，避免兩者重復管理。

5　結束語

隨著集成式磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的推廣，在實際使用中企業(yè)管理者、技術人員應根據(jù)其自身特性，有針對性選擇使用場景、優(yōu)化參數(shù)設置，最大化地發(fā)揮鐵鋰電池的優(yōu)點，而并不是簡單作為鉛酸電池的替換。特別是現(xiàn)場安裝人員對開關電源參數(shù)及時正確地修改，把好使用前最后一關，對鐵鋰電池的普及應用和發(fā)揮效益是至關重要的。

參考文獻：

[1]YD T 2344.1-2011.通信用磷酸鐵鋰電池組 第1部分：集成式電池組[S].工業(yè)與信息化部，2011.

[2]QB-H-005-2012.通信基站用磷酸鐵鋰電池[S].中國移動通信企業(yè)標準，2012.

[3]YDT 1537-2006 通信系統(tǒng)用戶外機柜一般要求[S].工業(yè)與信息化部，2006.

[4]雙登集團股份有限公司.通信用鐵鋰電池用戶手冊[Z].2011.

運營探討

Application of Integrated LiFePO4Batteries in Base Station

XU Fei

(Hangzhou Branch, Zhejiang Company of China Mobile Communications Corporation, Hangzhou 310000, China)

Abstract:With the promotion of integrated LiFePO4batteries in communication industry, technicians should maximize their advantages by carefully choosing application scenes and optimizing parameter setting, rather than simply treat them as substitutes of lead-acid batteries. In this article, demand for and applicable scenes of LiFePO4batteries are analyzed and necessity to set various parameters of switching mode power supply are discussed.

Key words:integrated LiFePO4batteries; base station; application

中圖分類號：TM912

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0116-03

作者簡介：徐飛(1984-)，男，動力維護員，主要從事基站動力設備維護、節(jié)能減排及創(chuàng)新試點項目數(shù)據(jù)分析工作。

收稿日期：2014-12-25