陳 威，張育紅，陳 建，苑景春，張巡蒙

(浙江南都電源動力股份有限公司，浙江杭州 311305)

2019 年，中國宣布5G 正式商用，5G 所代表的新一代移動通信成為國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，5G 時代已成為了我國從網(wǎng)絡(luò)大國向網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國邁進(jìn)的重大戰(zhàn)略機(jī)遇期[1]。經(jīng)過一年多的建設(shè)，中國5G 基礎(chǔ)設(shè)施和用戶數(shù)全面增長[2]。5G 技術(shù)的快速發(fā)展對我國的通訊基站建設(shè)提出了新的要求[1]。承接5G 建設(shè)需求，當(dāng)前通訊基站面臨以下難點(diǎn)：市電/直流不足、電池池化難、機(jī)房空間和散熱問題、塔桅滿負(fù)荷等。為了解決通訊基站建設(shè)中的上述難題，運(yùn)營商與各設(shè)備供應(yīng)商針對5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)場景、5G 新建場景、5G 改造場景等方案展開研究，欲從電源、電池、機(jī)柜等方面進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)出滿足5G 通訊基站需求的創(chuàng)新型產(chǎn)品，進(jìn)一步奠定中國5G 技術(shù)領(lǐng)先地位[3]。

為有效解決5G 通訊基站市電/直流不足、電池池化難等問題，本文開發(fā)了一款智能磷酸鐵鋰電池，既可以作為后備電源使用，又可升壓遠(yuǎn)供，亦可與不同放電功率、不同容量、不同新舊程度、不同品牌電池進(jìn)行混配，滿足當(dāng)前5G 基站擴(kuò)建或增容、電池池化的需求。

1 智能磷酸鐵鋰蓄電池

本文開發(fā)了一款集成雙向DC-DC 電路的電池管理系統(tǒng)為一體的智能磷酸鐵鋰電池。智能鋰電控制模塊采用一體化設(shè)計(jì)，占用電池PACK 前端小部分空間。面板布局了軟開關(guān)和LED 顯示板，用于電源開關(guān)并提示電源、故障及SOC狀態(tài)。將CAN 和485 兩種通信模式合并定義在一個RJ45 接口內(nèi)，放在左側(cè)面，外接主電源正負(fù)端放在右側(cè)面，這樣的設(shè)計(jì)使得面板更加干凈簡潔，具體如圖1 所示。

圖1 智能磷酸鐵鋰電池

2 智能磷酸鐵鋰蓄電池應(yīng)用模式分析

智能磷酸鐵鋰電池的自適應(yīng)電池特性模式、智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電模式、升壓遠(yuǎn)供模式主要依靠BMS 電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本文將傳統(tǒng)BMS 中MOS 管控制部分升級為雙向可控電路，設(shè)計(jì)BDC(bidirectional direct current)和BMU(battery management unit)兩部分進(jìn)行控制，可有效解決通信基站電池多組并聯(lián)的各種問題，具體見圖2。BMU 實(shí)現(xiàn)單體電芯的電壓、溫度監(jiān)測，SOC計(jì)算，運(yùn)行邏輯策略控制，參數(shù)設(shè)置，對外通信等功能。BDC 是電池組與通信后備電源主電路之間的雙向直流變換電路，用于執(zhí)行電池恒流、恒壓充放電及待機(jī)、保護(hù)等功能。

圖2 總體電路架構(gòu)圖

本文中電池管理系統(tǒng)采用BDC 功率變換技術(shù)，具備雙向升降壓功能，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具體見圖3，電路采用4 管配對工作，既能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓的功能，又擁有功率器件電壓電流應(yīng)力低，無源元件少以及輸入輸出電壓極性相同等優(yōu)點(diǎn)，適用于輸入電壓范圍較寬的應(yīng)用場合，也更加有利于變換器功率密度的提升[4]。

圖3 BDC電路

所設(shè)計(jì)的智能磷酸鐵鋰電池的充電采用限流充電，一方面可以減輕充電機(jī)的壓力，防止電流沖擊，另一方面可以調(diào)節(jié)各組電池的電流，實(shí)現(xiàn)電流均衡[5]。智能磷酸鐵鋰電池根據(jù)電池放電情況分為以下幾種工作模式：自適應(yīng)電池特性模式、智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電模式、升壓遠(yuǎn)供模式。

2.1 自適應(yīng)電池特性模式

智能磷酸鐵鋰電池與不同放電功率、不同容量、不同新舊程度、不同品牌電池混配。當(dāng)市電停電時，智能磷酸鐵鋰電池組按照電池特征放電曲線輸出，與并聯(lián)的鉛酸蓄電池或梯次利用鋰電池保持同放，可大幅提升基站容量，具體電路示意圖如圖4 所示。

圖4 自適應(yīng)電池特性模式電路

2.2 智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電模式

智能磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池或梯次利用鋰電池并聯(lián)使用，當(dāng)市電斷電時，智能磷酸鐵鋰電池根據(jù)電源系統(tǒng)母排電壓變化情況進(jìn)入恒壓放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先放電。當(dāng)智能磷酸鐵鋰電池組放電深度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，鉛酸蓄電池或梯次利用鋰電池開始放電，智能磷酸鐵鋰電池輸出電壓由恒壓轉(zhuǎn)換為電池組實(shí)際電壓，在鉛酸蓄電池或梯次利用鋰電池放電至智能磷酸鐵鋰電池組電壓一致時，并聯(lián)電池組共同放電，直至智能磷酸鐵鋰電池低壓保護(hù)，智能磷酸鐵鋰電池不再放電[6]。具體模式如圖5 所示。

圖5 智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電模式電路

2.3 升壓遠(yuǎn)供模式

升壓遠(yuǎn)供主要是利用升壓模塊，把機(jī)房內(nèi)有后備電源保障的直流48 V 適當(dāng)升高電壓(比如57 V)電，降低線路損耗，達(dá)到延長供電距離的目的[7]。智能磷酸鐵鋰電池可以根據(jù)電源系統(tǒng)母排電壓變化情況進(jìn)入恒壓放電狀態(tài)，恒壓放電電壓可設(shè)。具體電路見圖6 所示。

圖6 升壓遠(yuǎn)供模式電路

智能磷酸鐵鋰電池的工作模式主要通過軟件策略來實(shí)現(xiàn)，這里不再贅述。

3 測試分析

3.1 智能磷酸鐵鋰電池的性能測試

在進(jìn)行智能磷酸鐵鋰電池多模式應(yīng)用測試之前，首先對智能磷酸鐵鋰電池的溫度特性與循環(huán)壽命做了測試與分析。

(1)智能磷酸鐵鋰電池的溫度特性

智能磷酸鐵鋰電池的充電工作溫度范圍為0～55 ℃，放電工作溫度范圍為－20～55 ℃，儲運(yùn)溫度范圍為－40～60 ℃。電池在低溫下充滿電非常困難[8]。低溫環(huán)境下充電，電池PACK 選配有PTC 加熱，可將電池溫度加溫到0 ℃以上時再充電。低溫環(huán)境下放電，容量有較多衰減。在－10 ℃測試，放電容量為基準(zhǔn)容量的87.2%。容量和溫度的關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 智能磷酸鐵鋰電池容量與溫度關(guān)系曲線

在溫度沖擊實(shí)驗(yàn)中，由于溫度變化，電子元器件會經(jīng)受應(yīng)力。環(huán)境溫度快速變化，電池實(shí)際跟隨的溫度變化沒那么快，只要電池實(shí)測溫度在充放電要求范圍內(nèi)，電池可以正常工作。而高溫工作環(huán)境下，電子元器件特別是功率器件會有較高溫升。智能磷酸鐵鋰電池的面板為全鑄鋁材料，熱容量大，采用良好散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使功率器件熱阻較小。表1 是常溫滿功率充放電時各位置的溫度分布情況。

表1 常溫滿載放電溫度表 ℃

從表1 中可看出，隨著充放電連續(xù)多次循環(huán)，各部分溫度會越來越高。在55 ℃環(huán)境溫度下滿載放電，最高位溫度達(dá)到125 ℃，電池最高溫度達(dá)到68 ℃。

(2)智能磷酸鐵鋰電池的日歷壽命

電池的壽命包括電池循環(huán)壽命和日歷壽命。循環(huán)壽命是指電池在工況循環(huán)或者常規(guī)循環(huán)過程中達(dá)到壽命終止所經(jīng)歷的時間。日歷壽命是指電池在某參考溫度下，開路狀態(tài)達(dá)到壽命終止所經(jīng)歷的時間，即電池在備用狀態(tài)下的壽命[9-10]。智能磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用于通信基站的備電場景，大部分時間處于靜置狀態(tài)，在使用時才有放電和充電狀態(tài)。

在靜置過程，高溫會使電池容量損失多一些，因此我們采用高溫靜置容量法測試，時間周期大于200 d，如圖8 所示，通過線性算法評估電池的日歷壽命，以上測試在55 ℃的環(huán)境下，238 d 容量保持99.2%，因此可估算日歷壽命為：L=238×(1－80%)/(1－99.2%)=5 950 d，約16 年。

圖8 55 ℃下智能磷酸鐵鋰電池日歷壽命測試

3.2 智能磷酸鐵鋰電池的多模式應(yīng)用測試

了解了電池的溫度特性與日歷壽命相關(guān)特性后，針對智能磷酸鐵鋰電池的幾種應(yīng)用模式，分別對設(shè)計(jì)的智能磷酸鐵鋰電池在不同模式下性能進(jìn)行測試：

(1)自適應(yīng)電池特性模式

電池特性模式適用于智能磷酸鐵鋰電池與原有的閥控鉛酸電池并聯(lián)應(yīng)用。充電以指定值限流方式進(jìn)行，而在限定的放電值范圍內(nèi)，BDC 內(nèi)MOS 開關(guān)自動調(diào)整導(dǎo)通狀態(tài)，智能磷酸鐵鋰電池自動適應(yīng)母線電壓按照電池特征放電曲線輸出，與鉛酸電池并聯(lián)支持同步放電。放電曲線如圖9 所示。

圖9 智能磷酸鐵鋰電池工作在自適應(yīng)電池特性模式下的電壓電流波形圖

(2)智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電模式

智能磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池并聯(lián)，智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電，放電至設(shè)定DOD，鉛酸電池放電。充電默認(rèn)是限流模式。除了可與閥控鉛酸電池并聯(lián)應(yīng)用，智能磷酸鐵鋰電池還可以與普通鋰電池組、梯次利用電池等不同品牌、不同類型的其它電池并聯(lián)混用。整體充放電曲線如圖10 所示。

圖10 智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電模式下電壓電流波形圖

(3)升壓遠(yuǎn)供模式

在升壓遠(yuǎn)供模式下，BDC 按給定電壓值升壓放電，減少線路傳輸過程的損耗，保持輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍，并帶有輸出下垂特性，具備過流、超溫轉(zhuǎn)限功率的功能，不再是簡單的切斷保護(hù)。充電依然是限流模式。整體充放電曲線如圖11 所示。

圖11 升壓遠(yuǎn)供模式下的電壓電流波形圖

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前5G 通訊基站建設(shè)過程中存在的動態(tài)增容、電池池化等難題，本文設(shè)計(jì)了一款智能磷酸鐵鋰電池，通過對智能磷酸鐵鋰電池進(jìn)行測試與分析，得出智能磷酸鐵鋰電池可在自適應(yīng)電池特性模式、智能磷酸鐵鋰電池優(yōu)先放電模式、升壓遠(yuǎn)供模式下工作，滿足通信基站動態(tài)增容、電池池化、升壓遠(yuǎn)供等靈活需求。