(1.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；2.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 重慶分公司，重慶 400042)

0 引言

伴隨5G網(wǎng)絡(luò)逐步推廣與實(shí)施，移動、聯(lián)通和鐵塔公司等運(yùn)營商各類通信基站和局房將迎來新一輪新建和改擴(kuò)建設(shè)，對完善與近期需要和未來發(fā)展相適應(yīng)的機(jī)房電池?cái)U(kuò)容改造與更換配套也已提出明確要求；由此產(chǎn)生大量有效舊蓄電池被回收丟棄于庫房，或被廠家以極低價(jià)回購，或最終淪為廢品。其次通信機(jī)房電池長期面臨在網(wǎng)運(yùn)行一定時(shí)間，但還未到報(bào)廢年限的大量蓄電池組在擴(kuò)容時(shí)無法利用，造成資源的極大浪費(fèi)；以及新增磷酸鐵鋰電池與原有鉛酸電池?zé)o法兼容使用等機(jī)房蓄電池組多樣化應(yīng)用技術(shù)難題與技術(shù)瓶頸[1-3]。

通過蓄電池并聯(lián)隔離管理技術(shù)研究與應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)通信局站不同容量、新舊、廠家和規(guī)格的鉛酸電池共用，鐵鋰蓄電池與鉛酸電池共用，以及為新能源退役梯次電池在通信系統(tǒng)梯級應(yīng)用提供理論支撐與實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑；可在通信基站實(shí)現(xiàn)蓄電池差異化共用，可有效改善蓄電池性能，延長使用壽命；可實(shí)現(xiàn)對梯次鐵鋰電池的應(yīng)用管理，對電池剩余容量、健康度、狀態(tài)等信息進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)，為未來通信局站的梯次電池規(guī)模應(yīng)用提供系統(tǒng)解決方案。

現(xiàn)以針對5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求擴(kuò)容300,000個(gè)5G匯聚機(jī)房為例，預(yù)計(jì)現(xiàn)有50%的機(jī)房可以按照機(jī)房新建、機(jī)房改造、機(jī)房擴(kuò)容等不同的場景使用蓄電池共用管理設(shè)備，預(yù)計(jì)蓄電池并聯(lián)隔離管理器在未來5G發(fā)展帶動下匯聚機(jī)房改造與新建所涉及的蓄電池并聯(lián)隔離管理器的市場規(guī)模至少為15萬套以上；除此以外，電池共用設(shè)備還可廣泛用于數(shù)據(jù)中心等其他行業(yè)基站與機(jī)房，故該項(xiàng)技術(shù)與該蓄電池并聯(lián)隔離管理器研究具有巨大應(yīng)用市場規(guī)模。

1 蓄電池充電原理

通用機(jī)房蓄電池組中常見蓄電池種類有磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池，其充電可以分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電三個(gè)階段，具體過程如下圖所示。

1.1 預(yù)充電階段

當(dāng)鋰電池由于過放電導(dǎo)致電池端口電壓低于安全值(磷酸鐵鋰電池安全電壓門限值為小于等于3.0 V)時(shí)，需要用電池容量的0.1被的充電電流對電池進(jìn)行預(yù)先緩慢充電，改充電階段稱為涓流充電階段，該階段主要用于對過放電的電池進(jìn)行活性修復(fù)以及活性激活。伴隨充電電流注入，電池端口電壓逐步上升，當(dāng)電壓上升至3.0 V以上，電池則進(jìn)入下一充電階段。

1.2 恒流充電階段

當(dāng)電池預(yù)充電電壓達(dá)到3.0 V以上時(shí)，電池進(jìn)入恒流充電階段；恒流充電階段將依據(jù)電池種類和電池生產(chǎn)廠家要求，通常采用電池容量的1～1.5的充電電流對電池進(jìn)行恒流充電。恒流充電過程中充電電流較大，電池的端口電壓、電池的儲能容量不斷上升、同時(shí)電池溫度也將有所上上；當(dāng)電池端口電壓達(dá)到恒壓充電電壓門限時(shí)(以磷酸鐵鋰電池為例，通常為3.1～4.1 V)，電池停止恒流充電進(jìn)入恒壓充電階段。

1.3 恒壓充電階段

但在實(shí)際蓄電池充電應(yīng)用過程中，恒流充電(均沖)階段的初期，通常由于蓄電池管理器中開關(guān)電源容量存有富余，會向蓄電池提供蓄電池管理所能提供的最大充電電流進(jìn)行充電，從而形成較大的充電電流尖峰，大電流也對蓄電池造成損害；同時(shí)對市電恢復(fù)后供電初期開關(guān)電源乃至前段低壓配電系統(tǒng)形成很大的負(fù)荷沖擊，充電過程如圖2所示。

圖2 實(shí)際應(yīng)用中蓄電池充電過程

蓄電池并聯(lián)隔離管理器將，采用個(gè)別化電池共用管理方式，可以按照蓄電池實(shí)際容量設(shè)置端口最大電流，從而在充電時(shí)對每組電池的充電電流進(jìn)行限制，改善尖峰，從而改善后備電池的長期效能、延長電池組的壽命，改善后充電過程如圖3所示。

圖3 改善后蓄電池充電過程

通過對管理器所管理的各個(gè)蓄電池進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)充電電流，有效抑制尖峰充電電流的強(qiáng)度，使得電池恒流充電過程中充電電流的平穩(wěn)進(jìn)行，從而達(dá)到對蓄電池的保護(hù)作用與降低充電開關(guān)電源的負(fù)荷波動幅度。

2 蓄電池并聯(lián)隔離管理器硬件設(shè)計(jì)

2.1 蓄電池并聯(lián)使用現(xiàn)狀

目前蓄電池組并聯(lián)使用現(xiàn)狀為，每只蓄電池組通過熔斷器和電池開關(guān)直接與直流供電母線進(jìn)行并聯(lián)，蓄電池組之間不存在其他隔離措施，充電時(shí)開關(guān)電源系統(tǒng)直接為各蓄電池組進(jìn)行統(tǒng)一充電控制，放電時(shí)所有蓄電池組直接與通信負(fù)載連接為通信負(fù)載提供工作所需的電源，工作過程如圖4所示。

圖4 現(xiàn)有蓄電池并聯(lián)使用示意圖

現(xiàn)行使用模式在蓄電組充電過程中會由于某一蓄電池單體貨整個(gè)蓄電池組內(nèi)阻增加或者電壓驟降等異常情況，導(dǎo)致其他所有并聯(lián)蓄電池組輸出電壓無法提高，從而對其他蓄電池組輸出構(gòu)成制約——出現(xiàn)電壓鉗位現(xiàn)象；同樣系統(tǒng)放電過程中，所有并聯(lián)蓄電池組均具有兩條或者兩條以上放電回路，從而構(gòu)成多個(gè)放電環(huán)，如蓄電池組通過通信負(fù)載進(jìn)行放電和蓄電池組與其他蓄電池組之間構(gòu)成放電回路，端電壓較高的蓄電池組將對端電壓較低的蓄電池組進(jìn)行放電——出現(xiàn)電流分流現(xiàn)象[5-7]。

2.2 蓄電池并聯(lián)隔離管理后

借用時(shí)分復(fù)用(TDM)原理，將充電時(shí)間進(jìn)行劃分，各充電回路在每一周期內(nèi)占一固定間隙，由此實(shí)現(xiàn)各組蓄電池在不同時(shí)隙內(nèi)“享用”同一套開關(guān)電源充電電流的設(shè)想— 時(shí)分充電。利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦裕诿恳粋€(gè)充電開關(guān)上并聯(lián)一只低壓降的肖特基模塊，這樣，每組蓄電池就只對通信負(fù)荷放電，而不會對其它蓄電池組放電— 定向送電[8-9]；實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

正方四角錐和斜放四角錐三層網(wǎng)架均由上弦桿、中弦桿、下弦桿以及上腹桿和下腹桿組成。由于屋面跨度太大，屋面排水如采用小立柱找坡，小立柱高度會超過2 m，很容易失穩(wěn)，故考慮采用網(wǎng)架變高度找坡，上弦和中弦間變高度，中弦和下弦間等高度。網(wǎng)架支座設(shè)置在中弦層上，支座沿四周均勻布置。試算時(shí)荷載考慮閥廳屋面附加恒荷載、屋面活荷載、設(shè)備吊點(diǎn)以及吊車荷載。計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果分別如圖5、圖6和表1、表2所示。

圖5 蓄電池并聯(lián)隔離管理示意圖

2.3 蓄電池并聯(lián)隔離管理器優(yōu)勢

2.3.1 延長電池壽命

采用大電流脈沖充電方式，使得蓄電池可以得到短時(shí)間的歇息抑制蓄電池在充電過程中產(chǎn)生的電阻極化程度，蓄電池內(nèi)部的濃度差、電化學(xué)的極化現(xiàn)象也將得到明顯抑制，蓄電池充電過程中的出氣強(qiáng)度也將得到有效控制，降低了充電出氣導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部的活性物質(zhì)脫離程度，進(jìn)一步延長了蓄電池的使用壽命。

2.3.2 提高充電能效

大電流脈沖充電方式對于蓄電池內(nèi)部電極的硫化過程以及內(nèi)阻惡化進(jìn)程具有明顯的優(yōu)延緩作用，同時(shí)可以可以進(jìn)一步縮短蓄電池充電時(shí)間和提升蓄電池充電效率，據(jù)相關(guān)報(bào)道與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用脈沖電流充電方式通常比直流連續(xù)充電方式節(jié)約能耗約50%以上。

2.3.3 激活蓄電池組容量

通過大電流脈沖充電方式可以提升蓄電池電極板活性物質(zhì)的活化程度，促進(jìn)電極板活性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速度與效率；同時(shí)消除電極板的極化現(xiàn)象，進(jìn)一步提升電極板與電解液之間化學(xué)反應(yīng)的程度；最終深度挖掘利用蓄電池的存能能力，對已硫化蓄電池也有明顯的硫化改善作用。

3 蓄電池并聯(lián)隔離管理器軟件設(shè)計(jì)

蓄電池并聯(lián)隔離管理器為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性采用嵌入式軟件架構(gòu)進(jìn)行蓄電池并聯(lián)隔離管理器軟件設(shè)計(jì)，程序執(zhí)行流程主要包括初始化化與參數(shù)設(shè)置以及充電工作模式與放電工作模式幾個(gè)組成部分，蓄電池并聯(lián)隔離管理器具體軟件執(zhí)行流程如圖6所示。

圖6 蓄電池并聯(lián)隔離管理器軟件流程圖

蓄電池并聯(lián)隔離管理器通電初次運(yùn)行將進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)初始化回復(fù)產(chǎn)品初始化工作參數(shù)；然后進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)人工配置，對蓄電池并聯(lián)隔離管理器所配置管理的每組蓄電池組的組成情況以及每只蓄電池單體的容量、新舊程度、充電電流限制等相關(guān)設(shè)置輸入。蓄電池并聯(lián)隔離管理器完成工作參數(shù)設(shè)置后即可進(jìn)入自動工作模式，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測直流母線工作狀態(tài)以及接收遠(yuǎn)程通信接口指令進(jìn)行系統(tǒng)工作狀態(tài)識別與系統(tǒng)工作參數(shù)上報(bào)。

當(dāng)蓄電池并聯(lián)隔離管理器進(jìn)入充電工作模式時(shí)，控制將加載蓄電池各個(gè)階段充電參數(shù)進(jìn)行充電模式配置，并依據(jù)蓄電池充電狀態(tài)進(jìn)行各充電階段充電電流控制與各單體蓄電池之間的充電隔離，充電過程中蓄電池并聯(lián)隔離管理器實(shí)時(shí)監(jiān)測充電狀態(tài)是否完成，待充電結(jié)束后將轉(zhuǎn)入工作待命狀態(tài)。

當(dāng)蓄電池并聯(lián)隔離管理器進(jìn)入放電工作模式時(shí)，蓄電池控制器加載被管理每組蓄電池組工作狀態(tài)以及每只蓄電池單體的實(shí)時(shí)工作性能及容量，進(jìn)行系統(tǒng)放電電流分配管理，統(tǒng)籌調(diào)配各組蓄電池以及每只蓄電池的放電能力；并實(shí)時(shí)監(jiān)測每組以及每只蓄電池的放電狀態(tài)，依據(jù)該實(shí)時(shí)狀態(tài)對蓄電池放電能力進(jìn)行評估，依據(jù)評估結(jié)果合理分配各蓄電池組以及各蓄電池單體放電電流。待市電恢復(fù)后蓄電池組停止放電，轉(zhuǎn)入工作待命狀態(tài)。

4 蓄電池并聯(lián)隔離管理器試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 蓄電池并聯(lián)隔離管理應(yīng)用示范

蓄電池并聯(lián)隔離管理應(yīng)該系統(tǒng)包括市電引入、基站開關(guān)電源柜、電池共用管理器、差異性蓄電池組、通信負(fù)載以及系統(tǒng)對外信息交互接口等，系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 蓄電池并聯(lián)隔離管理應(yīng)用系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)采用時(shí)分隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新舊不同、類型不同的差異電池組的并聯(lián);采用電流控制技術(shù)，不同容量的電池組并聯(lián)工作電流均衡分配；組合脈沖寬度動態(tài)調(diào)整PWM技術(shù)，控制電池充放電流峰值。采用軟關(guān)斷電路降低輸出紋波電壓峰峰值；電池運(yùn)行數(shù)據(jù)可通過接口上傳動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、手機(jī)微信觀測；系統(tǒng)具有以下幾方面功能。

4.1.1 合路功能

蓄電池并聯(lián)隔離管理器，可實(shí)現(xiàn)集中多路蓄電池或者多組蓄電池連接到機(jī)房開關(guān)電路的蓄電池輸出輸入端口，且可以實(shí)現(xiàn)每組蓄電池或者沒組蓄電池中某個(gè)單體的充放電合路控制。

4.1.2 并聯(lián)蓄電池隔離工作功能

蓄電池并聯(lián)隔離管理器，采用相互隔離的方式完成蓄電池與開關(guān)電源母排之間的連接，各蓄電池之間保持隔離獨(dú)立互不影響，無蓄電池之間環(huán)流現(xiàn)象。

4.1.3 并聯(lián)蓄電池差異化充電電壓控制

蓄電池并聯(lián)隔離管理器，可依據(jù)所管理的蓄電池各自性能特征，進(jìn)行差異性的充電、放電參數(shù)設(shè)置，并依據(jù)所設(shè)置參數(shù)進(jìn)行針對性的充放電管理。

4.1.4 并聯(lián)蓄電池充電電流智能分配

蓄電池并聯(lián)隔離管理器，可綜合評估開關(guān)電源充電能力、所管理的各個(gè)蓄電電池充電參數(shù)要求以及實(shí)時(shí)充電狀態(tài)，智能分配每組與每只蓄電池充電電流，并通過分時(shí)復(fù)用方式進(jìn)行每只電池單體充電控制。

4.1.5 并聯(lián)蓄電池充均衡放電管理

蓄電池并聯(lián)放電過程中，蓄電池并聯(lián)隔離管理器將實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載情況，以及評估各蓄電池組以及每只蓄電池單體容量與端口輸入電壓，智能分配每只蓄電池放電電流，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)蓄電池放電的精細(xì)化調(diào)度管理。

4.1.6 操作顯示

能通過操作界面設(shè)置設(shè)備工作參數(shù)，觀察各組電池的工作電壓與電流。

4.2 蓄電池并聯(lián)隔離管理器試驗(yàn)結(jié)果分析

為研制蓄電池并聯(lián)隔離管理器性能以及適合通信機(jī)房鐵鋰蓄電池組普及應(yīng)用發(fā)展趨勢和被替代的鉛酸蓄電池二次利用的需求，設(shè)計(jì)了1組300 AH廢舊鉛酸蓄電池組與2組新增100 Ah鐵鋰蓄電池組進(jìn)行并聯(lián)使用場景，并對系統(tǒng)放電與充電兩個(gè)主要工作模式的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測試記錄，具體測試記錄放電電流、充電電流、端口電壓等參數(shù)，參數(shù)數(shù)據(jù)可視化曲線如圖8所示。

圖8 1組300AH鉛酸(利舊)+2組100Ah鐵鋰(新增)電壓電流曲線

圖中沒中區(qū)域大小代表對用電池組輸出電流大小，三種區(qū)域疊加后區(qū)域大小為系統(tǒng)端口總的電流大小。圖中前一階段為蓄電池組放電過程，后一階段為蓄電池組充電過程。放電過程中由于鉛酸蓄電池與磷酸鐵鋰電池各自放電特性存在一定差異性；表現(xiàn)為前期鉛酸蓄電池組放電貢獻(xiàn)較大，磷酸鐵鋰電池組貢獻(xiàn)較弱，隨著時(shí)間推移鉛酸蓄電池組放電能力逐步下降，單在蓄電池并聯(lián)隔離管理器調(diào)節(jié)磷酸鐵鋰電池組放電能力逐步增加，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出總電流時(shí)刻保持平穩(wěn)輸出。充電過程中三組蓄電池，在蓄電池并聯(lián)隔離管理器控制下先后進(jìn)行小電流預(yù)充電、大電流恒流充電模式，并隨著電壓不斷上升轉(zhuǎn)入恒壓充電模式，充電電流逐步下降；在蓄電池并聯(lián)隔離管理調(diào)節(jié)下三組電池依據(jù)各自充電特性進(jìn)行充電，且過程中未出現(xiàn)大電流尖峰，有效避免了尖峰充電電流對電蓄電池的損傷。

5 結(jié)論

針對目前通信機(jī)房存量基站蓄電池更換、新建基站蓄電池應(yīng)用、庫存基站蓄電池再利用等過程中出現(xiàn)的差異性蓄電池并聯(lián)使用的需求提出了并聯(lián)隔離管理技術(shù)研究采用時(shí)分隔離、采用電流控制、組合脈沖寬度動態(tài)調(diào)整PWM等技術(shù)，有效解決了新舊不同、類型不同的差異電池組的并聯(lián)使用過程中出現(xiàn)諸多問題，提高了蓄電池使用的靈活性，減少了因蓄電池并聯(lián)一致性要求而引起資源的無謂浪費(fèi)與庫存蓄電池的無謂報(bào)廢；降低蓄電池采購規(guī)模，改善蓄電池維護(hù)方式；解決了磷酸鐵鋰等新型電池規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。