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，各運營商已經(jīng)從試點階段逐步轉(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)對網(wǎng)絡(luò)可靠性要求很高，同時相較于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、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，成本非常高且浪費大量存量蓄電池資源。

針對該情況，本文首先介紹了不同型號蓄電池單組電池及多組電池并聯(lián)的電池充放電特性，然后分析了通過電池共用管理器實現(xiàn)多組不同特性曲線蓄電池同充同放需要解決的主要問題，最后通過試點測試驗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，并且電池之間無環(huán)流電流，不會對電池造成損害。

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程可以分為恒壓限流和浮充兩個階段，當(dāng)電池電壓達(dá)到均充電壓或連續(xù)3小時充電電流小于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，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，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，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，高電壓蓄電池先放電，達(dá)到各組蓄電池電壓一致時，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)鍵問題

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

圖3 鉛酸蓄電池不同倍率放電電流放電特性曲線

3.1 防過充保護(hù)

多組蓄電池并聯(lián)充電，恒壓段是最危險的階段，恒壓段如不能正常轉(zhuǎn)入涓流段，將因充電電壓過高造成失水、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間一般更長，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10小時轉(zhuǎn)浮充或連續(xù)3小時充電電流小于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)境下充電會增加電池?zé)崾Э?、失水的風(fēng)險。應(yīng)防止在過高的環(huán)境溫度下對電池進(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廢。

3.5 充電限流保護(hù)

多組電池并聯(lián)充電時，為防止過大的充電電流對電池組造成損害，應(yīng)對端口充電電流進(jìn)行限流。一方面對開關(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?；另一方面對每個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)使用的問題，能實現(xiàn)新舊電池的有效整合，實現(xiàn)電池組間的隔離管理，實現(xiàn)基站電池容量的滾動擴(kuò)容，避免新電池大量采購、舊電池未有效利用造成的巨大資產(chǎn)浪費。

常見電池共用管理可實現(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，各蓄電池接口實現(xiàn)電池的獨立管理。

圖4 電池共用管理器接入示意圖

5 試點情況

中國鐵塔在南方某區(qū)域的一個基站對電池共用管理器進(jìn)行測試。

5.1 試點基站情況

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

5.2 試點方案

新增一臺4路電池共用管理器，新增100 AH蓄電池。

5.3 測試內(nèi)容

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

（2）隔離保護(hù)能力

測試不同蓄電池通過共用管理器后與母排鏈接，每路電池組之間相互隔離，無環(huán)流電流。

（3）獨立電壓控制功能

測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)能通過電池共用管理器獨立設(shè)置。

（4）同步充電管理功能

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

（5）同步放電管理功能

測試共用管理器能實現(xiàn)多組差異蓄電池共同放電功能。

5.4 測試方法及結(jié)果

（1）放電測試

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

測試結(jié)果：用鉗流表每10分鐘測試一次新舊電池的放電電流及電壓，實測蓄電池根據(jù)實際容量大小動態(tài)分配放電電流大小，2路蓄電池放電時間完成同步，最終支持3.1小時放電時長，符合計算預(yù)期要求。

（2）充電測試

測試方法：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)。

測試結(jié)果：用鉗流表每15分鐘測試一次電池的充電電壓和充電電流，實測結(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，充電電流未超過電池實際容量的0.1 C，符合要求。

（3）環(huán)流測試

充放電過程中用鉗流表監(jiān)控各組電池組，實測結(jié)果2組電池組始終保持同充同放狀態(tài)，無環(huán)流電流，符合要求。

綜上，通過對2組蓄電池充放電狀態(tài)跟蹤，驗證電池共用管理器能實現(xiàn)各組蓄電池的獨立管理，蓄電池間相互隔離，避免電池過充、深放電等問題的發(fā)生。

6 總結(jié)

隨著“網(wǎng)絡(luò)強國”“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)上升為國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，特別是中央經(jīng)濟(jì)工作會議提出5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是“新基建”重要組成部分后，我國5G將迎來高速發(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，實現(xiàn)工業(yè)、交通、醫(yī)療等垂直行業(yè)的智能升級。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)的特殊時期，大量4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)才新購置的蓄電池就面臨替換的問題，既增加的改造成本又浪費存量資源。

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)充放電帶來問題進(jìn)行分析，通過試點測試驗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。