通信基站用蓄電池組共用管理設(shè)備研究

李長(zhǎng)雷，付培良，薛 磊

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100089）

0 引 言

通信基站用蓄電池組共用管理設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱合路器）是指在一個(gè)機(jī)箱結(jié)構(gòu)中，由直流輸入部分、電池組接入部分、電池組分路充放電控制部分和監(jiān)控部分構(gòu)成的壁掛式、嵌入式電池共用管理裝置[1]。它通常串聯(lián)于電源與蓄電池之間。充電時(shí)，將電源設(shè)備輸出的電流合理分配給各組蓄電池；放電時(shí)，將各組蓄電池電量統(tǒng)一（受控/不受控）輸出給用電設(shè)備。合路器可有效解決不同類型、不同容量、不同廠家等電池并聯(lián)使用的問題，有效降低庫(kù)存率，提升舊電池利用率，同時(shí)提供多樣化的基站備電方案[2-3]。在中國(guó)鐵塔公司大規(guī)模采用梯次磷酸鐵鋰電池的背景下，合路器的引用在解決在線鉛酸電池及新進(jìn)鐵鋰電池混用方面得到了廣泛應(yīng)用，電池合路器獲得了極大推廣。本文主要針對(duì)DC-DC技術(shù)方案的合路器進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用驗(yàn)證。

1 工作原理

雙向DC合路器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它的主要原理為通過每分路的電壓、電流控制實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型、不同容量等常規(guī)無法并聯(lián)使用的蓄電池進(jìn)行管理，達(dá)到可以共充、共放、順序放電等功能，同時(shí)兼具一定的通信功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)基站備用蓄電池的智能管理[3]。

鉛酸外置主要是由于中國(guó)鐵塔公司放棄了采用鉛酸電池。在今后三四年內(nèi)，隨著鉛酸電池的退役，基站內(nèi)主要采用磷酸鐵鋰電池。在不改變現(xiàn)有安裝配置的條件下直接將鉛酸外置，待失效后直接拆除，可大大減小機(jī)房的改造及提升安裝效率。

2 驗(yàn)證計(jì)劃及方案

為驗(yàn)證雙向DC模式合路器是否達(dá)到了對(duì)電池組的精確管理，將對(duì)5種工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 雙向DC模式合路器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 共放限流放電

連接被測(cè)設(shè)備，用功率分析儀持續(xù)記錄電池/負(fù)載的電壓和電流；上位機(jī)軟件設(shè)置鋰電放電限流點(diǎn)為0.3 C，斷開上位機(jī)軟件與鋰電池的通信；連接鋰電池與監(jiān)控模塊的通信，無異常告警；在插框監(jiān)控上設(shè)置“鋰電優(yōu)先放電模式”；帶載47.5 A負(fù)載電流；斷交流，讓鋰電和鉛酸按設(shè)定限流點(diǎn)同時(shí)放電，直到電壓降低到43.2 V自動(dòng)下電。

2.2 共充限流充電

上交流，給電池充電，直到電池充飽為止。

2.3 按順序先后放電

在監(jiān)控上設(shè)置“鋰電優(yōu)先放電模式”；帶載47.5 A；斷交流，使鋰電和鉛酸放電，直到電壓降低到43.2 V自動(dòng)下電。

2.4 不受控的共充

關(guān)閉充電限流模式，恢復(fù)不受控的同充功能；上交流，給電池充電，直到充飽為止。

2.5 不受控條件下的共放

“關(guān)閉”鋰電/鉛酸“混搭模式”，恢復(fù)不受控的同放功能；帶載47.5 A；斷交流，使鋰電和鉛酸放電，直到電壓降低到43.2 V自動(dòng)下電。

3 試驗(yàn)設(shè)備

某單位雙向DC模式合路器1臺(tái)；日本YOKOGAWA WT1800功率分析儀；數(shù)字示波器；選用2組48 V蓄電池組，標(biāo)稱容量分別為75 Ah（磷酸鐵鋰）、100 Ah（12 V鉛酸）。

4 結(jié)果及分析

4.1 共放限流放電

由圖2、圖3可以看出，在受控條件下，鉛酸與鋰電放電時(shí)電壓處于同步狀態(tài)，但放電電流保持相對(duì)穩(wěn)定，無大波動(dòng)，基本與電池的容量系數(shù)對(duì)應(yīng)，達(dá)到了對(duì)放電電流的精確控制，利于規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 受控共放時(shí)鉛酸與鋰電電壓變化

圖3 受控共放時(shí)鉛酸與鋰電電流變化

4.2 共充限流充電

由圖4、圖5可以看出，在限流條件下共充，鉛酸與鋰電池電壓處于同步狀態(tài)，電流穩(wěn)定在控制狀態(tài)，基本保持恒定；待電壓達(dá)到均衡充電值時(shí)穩(wěn)步下降，達(dá)到了對(duì)電流的有效控制，起到了對(duì)電池的保護(hù)作用。

圖4 受控共充時(shí)鉛酸與鋰電電壓變化

圖5 受控共充時(shí)鉛酸與鋰電電流變化

4.3 按順序先后放電

由圖6、圖7可以看出，順序放電時(shí)，鉛酸與鋰電電壓仍然保持同步狀態(tài)，但可使某路電池優(yōu)先放電，承載大部分電流，待其電壓下降至一定階段后由另一路放電，最后階段同步放電。此舉有利于鉛酸與鋰電混用時(shí)，優(yōu)先使鋰電放電，充分利用鋰電循環(huán)壽命好的特點(diǎn)延長(zhǎng)鉛酸電池壽命，在削峰填谷應(yīng)用時(shí)可提供優(yōu)質(zhì)的供電方案[4]。

圖6 受控順序放電時(shí)鉛酸與鋰電電壓變化

圖7 受控順序放電時(shí)鉛酸與鋰電電流變化

4.4 不受控的共充

由圖8、圖9可以看出，在不受控共充條件下，鉛酸與鋰電的電壓仍然處于同步狀態(tài)，但充電電流仍然處于不受控狀態(tài)，極易造成單只電池電流偏大出現(xiàn)保護(hù)或單路電池大電流放電造成循環(huán)性能下降問題。

圖8 不受控的共充時(shí)鉛酸與鋰電電壓變化

圖9 不受控的共充時(shí)鉛酸與鋰電電流變化

4.5 不受控條件下的共放

鋰電串入合路器，鉛酸外置，其放電電壓及放電電流情況如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可以看出，鉛酸和鋰電電壓基本為同步下降，但電流圖顯示鋰電與鉛酸電流交替變化，電流為不受控狀態(tài)，極易造成單只電池電流偏大出現(xiàn)保護(hù)或單路電池大電流放電造成循環(huán)性能下降問題。

5 結(jié) 論

通過對(duì)雙向DC控制模式合路器裝置的試驗(yàn)驗(yàn)證，幾種模式下，不同路電池電壓均處于同步狀態(tài)，但通過受控與不受控的對(duì)比，雙向DC控制模式合路器可達(dá)到對(duì)分路電流的有效控制，同時(shí)可設(shè)置優(yōu)先放電功能，基本滿足目前通信基站鉛酸與鋰電混用場(chǎng)景要求，同時(shí)可用于部分削峰填谷場(chǎng)景。

圖10 不受控的共放時(shí)鉛酸與鋰電電壓變化

圖11 不受控的共放時(shí)鉛酸與鋰電電流變化