通信電源模塊并聯(lián)防環(huán)流技術(shù)研究

劉祖凡　郝書奎　臧思佳

摘 要：通信后備電源的擴(kuò)容采用多個(gè)電源（電池）模塊并聯(lián)組成，而電源模塊并聯(lián)會產(chǎn)生環(huán)流，針對鋰電池成組系統(tǒng)中電池并聯(lián)連接產(chǎn)生的環(huán)流問題，本文研究了一種新的電池成組并聯(lián)防環(huán)流控制技術(shù)，從而為通信領(lǐng)域電源模塊并聯(lián)防環(huán)流技術(shù)提供新的解決方案。

關(guān)鍵詞：鋰電池；通信電源；能量密度；放電深度

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.028

1 鋰電池在通信基站應(yīng)用概述

鉛酸電池由于其受到自身能量密度小、功率密度低、放電深度淺、溫度范圍窄、污染環(huán)境嚴(yán)重的影響，使得鋰電池替代鉛酸成為趨勢。近年來，隨著4G網(wǎng)絡(luò)和20 MB光纖到戶業(yè)務(wù)的發(fā)展，通信基站的分布越來越廣泛。因傳統(tǒng)閥控鉛酸蓄電池對使用環(huán)境的要求較高，存在占地面積大、對承重要求高等缺點(diǎn)，在一定程度上成為了限制通信基站進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。鋰電池具有高安全性、高能量密度和優(yōu)良的循環(huán)性能，無污染、體積小、質(zhì)量輕、功率高、放電性能優(yōu)越、工作溫度范圍寬、電池壽命長，且隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用和生產(chǎn)工藝的日趨成熟，其作為新型后備式蓄電池組，在通信基站的應(yīng)用也得到了越來越多運(yùn)營商的認(rèn)可，在WLAN、室外微站、新能源基站得到了小批量應(yīng)用。

通信后備電源系統(tǒng)采用電源模塊并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，根據(jù)基站的不同需要，通常以小容量的48 V、50 Ah電源模塊采用并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)容為48 V、100 Ah、48 V、200 Ah、48 V、300 Ah的大容量后備電源。

2 電源模塊并聯(lián)防環(huán)流設(shè)計(jì)及控制策略

2.1 電源模塊發(fā)展現(xiàn)狀

單體鋰電池具有優(yōu)異的性能，動(dòng)力電池系統(tǒng)以成組為電池組的形式出現(xiàn)。在真正以成組形式使用的過程中我們發(fā)現(xiàn)，這些新型電池的優(yōu)良性能都會大打折扣，這些性能上的打折主要是由于電池組的一致性、熱處理、抗振性等較差造成的。

單體電池在生產(chǎn)工藝中難以控制其質(zhì)量，加之存在人員和設(shè)備檢測的誤差等因素，電池的內(nèi)阻和容量不能保證完全一致，且電池在系統(tǒng)使用過程中的老化程度不一致，造成單體電池成組為電源模塊后出現(xiàn)的內(nèi)阻和容量不一致。而通信電源模塊采用15或16支鋰電池串聯(lián)，其容量和內(nèi)阻不能保持完全一致，并聯(lián)后可能會存在較大的環(huán)流，造成個(gè)別電源模塊出現(xiàn)過充電或過放電，進(jìn)而造成供電中斷，大大影響了系統(tǒng)的可靠性。如果采用配置冗余的方案，則會造成系統(tǒng)成本增大，不能充分利用，進(jìn)而造成資源浪費(fèi)，因此，需要采取經(jīng)濟(jì)合理的方案解決并聯(lián)電源模塊的環(huán)流問題。

2.2 電源模塊防環(huán)流設(shè)計(jì)

根據(jù)通信電源模塊的成組方案，在充放電回路中增加限流電路，限制充放電電流，使得充電或放電電流保持在額定使用范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)電池過充和過放，同時(shí)也避免了冗余設(shè)計(jì)，充分利用了資源，節(jié)約了成本。其電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，其中，限流電路可以采取多種方式實(shí)現(xiàn)。

2.3 電源模塊防環(huán)流控制策略

采用圖1中所示的多個(gè)電源模塊并聯(lián)，當(dāng)單個(gè)電源模塊的充電電流或放電電流達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)，電池管理系統(tǒng)切入到限流電路，將電流限制在小電流，進(jìn)行慢充或慢放；電池管理系統(tǒng)定時(shí)將限流電路切除，接入至主回路，再次檢測充電或放電回路電流，當(dāng)主回路電流仍舊高于其額定工作電流，再次切入限流回路，反復(fù)多次，即可實(shí)現(xiàn)回路均衡，使得電源模塊趨于一致狀態(tài)。此控制策略避免了模塊一直工作在限流回路情況下，進(jìn)而導(dǎo)致工作效率的降低。控制策略如圖2所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)并聯(lián)防環(huán)流設(shè)計(jì)及控制策略，采用了3個(gè)48 V、50 Ah的通信電源模塊試驗(yàn)，單個(gè)模塊最大持續(xù)電流為50 A。根據(jù)試驗(yàn)對比，一種為常規(guī)電源模塊試驗(yàn)，采用2個(gè)荷電狀態(tài)較高、1個(gè)荷電狀態(tài)較低的電源模塊并聯(lián)，2個(gè)高荷電狀態(tài)電源模塊同時(shí)給低荷電狀態(tài)電源模塊充電，形成電池組內(nèi)部環(huán)流，并經(jīng)過一定的時(shí)間后逐漸趨于一致。其中，電流高于模塊最大電流為50 A的時(shí)間約為137 s，電流變化曲線如圖3所示。

如果增加防環(huán)流設(shè)計(jì)電路，電源模塊前3 s檢測到1個(gè)低荷電狀態(tài)電源模塊充電電流大于50 A，BMS開啟充電限流電路，將充電電流限制在10 A，持續(xù)1 min后，BMS關(guān)閉充電限流電路，檢測到充電電流大于50 A，3 s后再次關(guān)閉充電限流電路，再次經(jīng)過1 min后，BMS關(guān)閉充電限流電路，檢測到充電電流小于50 A，不再開啟充電限流電路，確保電源模塊高效使用，測試曲線如圖4所示。圖5為試驗(yàn)現(xiàn)場測試照片。

4 結(jié)論和展望

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該電源模塊所提出的控制策略具有控制高效、性能可靠、擴(kuò)容方便和運(yùn)輸維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了后備通信電源模塊并聯(lián)帶來的環(huán)流問題，為通信基站電源模塊擴(kuò)容提供了高效的解決方案。

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〔編輯：張思楠〕