電池共用管理器應(yīng)用探討

1 引言

2019年6月6日，工信部正式發(fā)布5G牌照，5G網(wǎng)絡(luò)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重要組成部分，各運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)從試點(diǎn)階段逐步轉(zhuǎn)入規(guī)模建設(shè)階段。5G網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的應(yīng)用包括智能制造、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，此類業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性要求很高，同時(shí)相較于4G設(shè)備功耗5G設(shè)備功耗約提升3～4倍，因此5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)備電系統(tǒng)的容量及可靠性提出更高的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)網(wǎng)中的蓄電池包括鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池等多種產(chǎn)品，因不同型號(hào)、不同品牌、不同批次蓄電池不能直接混用，因此5G備電改造若采用傳統(tǒng)的整體替換蓄電池方案，成本非常高且浪費(fèi)大量存量蓄電池資源。

針對(duì)該情況，本文首先介紹了不同型號(hào)蓄電池單組電池及多組電池并聯(lián)的電池充放電特性，然后分析了通過(guò)電池共用管理器實(shí)現(xiàn)多組不同特性曲線蓄電池同充同放需要解決的主要問(wèn)題，最后通過(guò)試點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證了電池共用管理器能夠?qū)崿F(xiàn)多組電池的同充同放功能，并且電池之間無(wú)環(huán)流電流，不會(huì)對(duì)電池造成損害。

2 蓄電池充放電特性

2.1 鉛酸電池充電特性

電池放電后的充電過(guò)程可以分為恒壓限流和浮充兩個(gè)階段，當(dāng)電池電壓達(dá)到均充電壓或連續(xù)3小時(shí)充電電流小于0.005 C10，轉(zhuǎn)為浮充充電，用于抵消電池自放電導(dǎo)致的電量損耗，典型鉛酸蓄電池充電曲線，如圖1所示。

圖1 典型鉛酸蓄電池充電曲線

2.2 磷酸鐵鋰電池充電特性

磷酸鐵鋰充電采用恒壓限流充電，且鋰電池一般配備保護(hù)板，保護(hù)板會(huì)限制充電電流，一般為0.2～0.3 C10左右，當(dāng)充電電壓達(dá)到均充電壓時(shí)，斷開充電。典型磷酸鐵鋰電池充電曲線，如圖2所示。

圖2 典型磷酸鐵鋰電池充電曲線

2.3 多組蓄電池并聯(lián)充電特性

不同容量蓄電池充電特性曲線一般不同，原則上不能并聯(lián)充電。多組蓄電池并聯(lián)充電時(shí)，可分為恒流段、恒壓段、涓流段。

恒流段充電，開關(guān)電源作為唯一壓源，各組蓄電池作為負(fù)載根據(jù)各自特性分配充電電流，當(dāng)電量輸入至各電池組到達(dá)恒壓值時(shí)轉(zhuǎn)入恒壓充電。

恒壓段充電，恒壓段充電電流較高，當(dāng)充電電流下降到浮充轉(zhuǎn)換電流時(shí)，轉(zhuǎn)入涓流段。

涓流段充電，屬于低壓恒壓段充電，用于抵消電池自然放電損耗。

2.4 多組蓄電池并聯(lián)放電特性

多組蓄電池并聯(lián)放電時(shí)，高電壓蓄電池先放電，達(dá)到各組蓄電池電壓一致時(shí)，電池組放電電流將根據(jù)各電池組的荷電態(tài)比例進(jìn)行自動(dòng)均衡調(diào)整。鉛酸蓄電池不同倍率放電電流放電特性曲線，如圖3所示。

3 關(guān)鍵問(wèn)題

不同批次、不同品牌、不同型號(hào)的蓄電池特性曲線不同，并聯(lián)充電時(shí)各電池組所處狀態(tài)不一致，容易造成電池?fù)p傷。共用管理器替代開關(guān)電源對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，需解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

圖3 鉛酸蓄電池不同倍率放電電流放電特性曲線

3.1 防過(guò)充保護(hù)

多組蓄電池并聯(lián)充電，恒壓段是最危險(xiǎn)的階段，恒壓段如不能正常轉(zhuǎn)入涓流段，將因充電電壓過(guò)高造成失水、膨脹現(xiàn)象。從恒壓段轉(zhuǎn)入涓流段，開關(guān)電源僅能監(jiān)測(cè)到總的充電電流，當(dāng)總充電電流達(dá)到浮充轉(zhuǎn)換電流時(shí)轉(zhuǎn)入到涓流段。如果蓄電池組容量不一致，大容量的蓄電池的恒壓充電時(shí)間一般更長(zhǎng)，出現(xiàn)小容量開關(guān)電源達(dá)到浮充轉(zhuǎn)換電流總電流未達(dá)到轉(zhuǎn)換電流的情況，開關(guān)電源繼續(xù)給小電源提供均充電壓，導(dǎo)致小蓄電池過(guò)充，影響小蓄電池使用壽命。

3.2 防欠充保護(hù)

開關(guān)電源常用充電管理模式包括充電超過(guò)10小時(shí)轉(zhuǎn)浮充或連續(xù)3小時(shí)充電電流小于0.005 C10轉(zhuǎn)浮充。5G建設(shè)一方面增加了蓄電池組總?cè)萘?，另一方面擠壓了開關(guān)電源整流模塊的冗余配置空間，在不增加開關(guān)電源整流模塊輸出功率或停電頻繁的場(chǎng)景，容易造成電池欠充狀態(tài)，使得鉛酸電池硫化，影響備電能力。

3.3 防高溫保護(hù)

高溫環(huán)境下充電會(huì)增加電池?zé)崾Э?、失水的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)防止在過(guò)高的環(huán)境溫度下對(duì)電池進(jìn)行大電流的恒流充電。

3.4 深放電保護(hù)

放電后期，各電池組的單體電壓很復(fù)雜，容量小的單體電池電壓跌落最早、最快，與整體電壓跌落情況不同步，容易造成過(guò)度放電。若小蓄電池電流持續(xù)較大，電壓迅速降低，容易引發(fā)反極現(xiàn)象，電池被反向充電，直接破壞蓄電池活性物質(zhì)結(jié)果，最終導(dǎo)致蓄電池的不可逆損壞報(bào)廢。

3.5 充電限流保護(hù)

多組電池并聯(lián)充電時(shí)，為防止過(guò)大的充電電流對(duì)電池組造成損害，應(yīng)對(duì)端口充電電流進(jìn)行限流。一方面對(duì)開關(guān)電源充電輸出進(jìn)行限流，將開關(guān)電源電池充電輸出限流值調(diào)整為電池組總?cè)萘?；另一方面?duì)每個(gè)端口的蓄電池充電電流進(jìn)行限流，每路蓄電池充電電流不宜超過(guò)電池組2倍I10。

4 電池共用管理器介紹

電池共用管理器主要用于解決多組差異蓄電池不能并聯(lián)使用的問(wèn)題，能實(shí)現(xiàn)新舊電池的有效整合，實(shí)現(xiàn)電池組間的隔離管理，實(shí)現(xiàn)基站電池容量的滾動(dòng)擴(kuò)容，避免新電池大量采購(gòu)、舊電池未有效利用造成的巨大資產(chǎn)浪費(fèi)。

常見電池共用管理可實(shí)現(xiàn)4路、6路蓄電池的共用管理，安裝方式包括機(jī)柜安裝、壁掛安裝等多種形式。設(shè)備接入方式如圖4所示，電池共用管理器的輸入端與開關(guān)電源母排鏈接，每組蓄電池接1路電池接口，各蓄電池接口實(shí)現(xiàn)電池的獨(dú)立管理。

圖4 電池共用管理器接入示意圖

5 試點(diǎn)情況

中國(guó)鐵塔在南方某區(qū)域的一個(gè)基站對(duì)電池共用管理器進(jìn)行測(cè)試。

5.1 試點(diǎn)基站情況

基站現(xiàn)有負(fù)載52 A，原有300 AH鉛酸電池經(jīng)放電測(cè)試僅能提供1.5小時(shí)備電時(shí)長(zhǎng)，不滿足3小時(shí)備電時(shí)長(zhǎng)要求。

5.2 試點(diǎn)方案

新增一臺(tái)4路電池共用管理器，新增100 AH蓄電池。

5.3 測(cè)試內(nèi)容

（1）4路電池共用管理器實(shí)現(xiàn)2路不同批次、不同型號(hào)的蓄電池統(tǒng)一管理功能。

（2）隔離保護(hù)能力

測(cè)試不同蓄電池通過(guò)共用管理器后與母排鏈接，每路電池組之間相互隔離，無(wú)環(huán)流電流。

（3）獨(dú)立電壓控制功能

測(cè)試每路蓄電池端口的均充電壓、浮充電壓、電池容量、充電限流系數(shù)能通過(guò)電池共用管理器獨(dú)立設(shè)置。

（4）同步充電管理功能

驗(yàn)證多組電池同步充電的時(shí)候，恒流段能按接入電池容量比例分配每路充電流量；恒壓段、涓流段能通過(guò)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)每組電池均充、浮充電壓。

（5）同步放電管理功能

測(cè)試共用管理器能實(shí)現(xiàn)多組差異蓄電池共同放電功能。

5.4 測(cè)試方法及結(jié)果

（1）放電測(cè)試

測(cè)試方法：將整流模塊1次下電電源設(shè)置為47 V，蓄電池充滿電后對(duì)基站斷電，新舊電池共同以52 A放電電流對(duì)負(fù)載供電，直至電壓下降到47 V為止，測(cè)試每組蓄電池的放電狀態(tài)，記錄放電時(shí)長(zhǎng)。

測(cè)試結(jié)果：用鉗流表每10分鐘測(cè)試一次新舊電池的放電電流及電壓，實(shí)測(cè)蓄電池根據(jù)實(shí)際容量大小動(dòng)態(tài)分配放電電流大小，2路蓄電池放電時(shí)間完成同步，最終支持3.1小時(shí)放電時(shí)長(zhǎng)，符合計(jì)算預(yù)期要求。

（2）充電測(cè)試

測(cè)試方法：整流模塊浮充電壓設(shè)置為53.5 V，均充電壓設(shè)置為56.4 V，充電限流設(shè)置為0.1C，直至各組蓄電池充滿，用鉗流表監(jiān)控每組蓄電池的充電狀態(tài)。

測(cè)試結(jié)果：用鉗流表每15分鐘測(cè)試一次電池的充電電壓和充電電流，實(shí)測(cè)結(jié)果每組電池的充電電流/電壓能根據(jù)電池電荷態(tài)進(jìn)行調(diào)整，充電電流未超過(guò)電池實(shí)際容量的0.1 C，符合要求。

（3）環(huán)流測(cè)試

充放電過(guò)程中用鉗流表監(jiān)控各組電池組，實(shí)測(cè)結(jié)果2組電池組始終保持同充同放狀態(tài)，無(wú)環(huán)流電流，符合要求。

綜上，通過(guò)對(duì)2組蓄電池充放電狀態(tài)跟蹤，驗(yàn)證電池共用管理器能實(shí)現(xiàn)各組蓄電池的獨(dú)立管理，蓄電池間相互隔離，避免電池過(guò)充、深放電等問(wèn)題的發(fā)生。

6 總結(jié)

隨著“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”“智慧城市”“大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”等宏觀政策的推進(jìn)，信息通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，特別是中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是“新基建”重要組成部分后，我國(guó)5G將迎來(lái)高速發(fā)展階段。5G網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用可以與工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療儀器、交通工具等的深度融合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)、交通、醫(yī)療等垂直行業(yè)的智能升級(jí)。5G與垂直行業(yè)的應(yīng)用決定了5G相較于傳統(tǒng)的2/3/4G網(wǎng)絡(luò)有更高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定需求。

備電系統(tǒng)是確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的重要組成部分之一。5G網(wǎng)絡(luò)的高功耗要求，對(duì)備電系統(tǒng)造成巨大沖擊，特別是在當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)剛建成，5G網(wǎng)絡(luò)快速推進(jìn)的特殊時(shí)期，大量4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)才新購(gòu)置的蓄電池就面臨替換的問(wèn)題，既增加的改造成本又浪費(fèi)存量資源。

電池共用管理器在此背景下被廣泛關(guān)注，本文對(duì)蓄電池的充放電特性以及多組不同特性曲線蓄電池并聯(lián)充放電帶來(lái)問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)試點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證電池共用管理器具備管理多組差異蓄電池同充同放的能力，可以有效降低5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資成本。