付培良，李長雷，李尚，葉行方

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

2021 年，全國移動通信基站總數(shù)達 996 萬個，全年凈增 65 萬個。其中，4G 基站達 590 萬個，5G 基站為 142.5 萬個，全年新建 5G 基站超 65萬個。隨著 5G 套餐正式商用與 5G 網(wǎng)絡覆蓋之間的錯位，5G 套餐流量擴大 3 倍，但由于覆蓋不完善，絕大部分流量事實上是通過 4G 網(wǎng)絡實現(xiàn)，因此大量 4G 基站需通過擴容來實現(xiàn)業(yè)務量增加的需求。新建基站需要預留擴容空間，但由于場地、空間及利舊等各類因素的影響，備電電池必須占地空間小，而且可與鉛酸電池混用，就催生了基站備電技術的進步和提升。如智能鋰電、鉛酸電池合路器技術均是在此背景下出現(xiàn)的（參見圖1）。本文中，筆者主要針對此類設備的應用及技術特點展開討論。

1 智能鋰電技術

磷酸鐵鋰電池由于具有比能量高、循環(huán)壽命好的特點，可按標準化 19 英寸進行設計，越來越廣泛地應用于通信領域。由于磷酸鐵鋰電池放電曲線平臺同鉛酸電池的不同（見圖2），如果把鉛酸電池與鋰電池直接并聯(lián)，就會造成電池組之間互相充放電（環(huán)流），使電池組電能效率降低，并且導致電池壽命提前終止。

圖2 典型鉛酸電池、鋰電電池的放電曲線（10 小時率）

智能鋰電技術主要是在普通磷酸鐵鋰電池的基礎上，內部集成 DC-DC 器件，升級 BMS，使智能鋰電池的輸出電壓可控，解決了不同電池組之間的環(huán)流問題，并且可以根據(jù)基站的備電場景要求，提前設置不同的應用模式。中國泰爾實驗室采用以下方案驗證智能鋰電技術的應用效果：選擇 1 組12 V 100 Ah 鉛酸蓄電池和 1 組 48 V 75 Ah 智能鋰電池共用。2 組電池直接并聯(lián)于開關電源母排（不受控）。鉛酸電池的輸出端子并接于智能鋰電池，且由智能鋰電池接入開關電源母排（受控）。受控情況下的共同充電、共同放電和不受控狀態(tài)下的共同充電、共同放電情況見表1。

表1 試驗計劃表

1.1 受控狀態(tài)下限流放電

受控狀態(tài)下的鉛酸電池和鋰電電池的放電電壓、電流變化如圖3所示。放電時鉛酸電池組的電壓曲線與鋰電池組的電壓曲線基本重合。2 組電池的電壓同步下降，直至放電終止電壓。鉛酸電池和鋰電池的電流在放電期間始終維持在設定的 0.3C，并直至放電結束。在受控狀態(tài)下，實現(xiàn)了對鉛酸、鋰電的共同控制，符合基站使用預期。

圖3 受控限流放電時鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.2 受控狀態(tài)下共同充電

受控狀態(tài)下鉛酸電池和鋰電池共同充電時的電壓、電流變化見圖4。鉛酸電池的電壓曲線和鋰電池的電壓曲線重合。鉛酸電池和鋰電池的電流各自限制在 0.1C。當電壓上升至限制電壓時鉛酸電池的電流逐漸下降，鋰電池的電流在維持一段時間后快速下降。這與鉛酸電池、鋰電池單獨充電時的特征相似。2 組電池之間未出現(xiàn)由于電壓平臺不同使不同電池組間相互充電（環(huán)流）的情況，而且在恒壓階段各自電流維持在設定值，未出現(xiàn)不同電池組之間的相互干擾。

圖4 受控 0.1C 共充時鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.3 受控狀態(tài)下先后放電

2 組電池受控狀態(tài)下鋰電優(yōu)先放電的電壓、電流變化如圖5所示。邏輯上控制鋰電優(yōu)先放電時，鉛酸電池也會出現(xiàn)小電流放電，但是由于其電流較小，鉛酸電池與鋰電電池的電壓同步下降。當鋰電池的放電深度達到 85%時，鋰電池的電流迅速下降，而鉛酸電池的電流迅速上升，轉由鉛酸電池主放電。當鉛酸電池放電深度達到 85%時，鉛酸電池的電流下降，鋰電池的電流上升。二者共同放電至終止電壓，基本上實現(xiàn)了既定的控制策略。

圖5 受控狀態(tài)下先后放電時鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.4 不受控狀態(tài)下共同充電

不受控狀態(tài)下共同以 0.1C限流充電時鉛酸電池和鋰電池的電壓、電流變化如圖6所示。不受控共同充電時，鉛酸電池的電壓曲線與鋰電池的電壓曲線重合，二者的電壓同步上升。充電前期鋰電池的電流基本為 0 A，所以設備主要為鉛酸電池充電。當鉛酸電池的電流逐漸下降后，鋰電池的充電電流逐漸增大。鉛酸電池、鋰電池各自的電流值比較雜亂，只能保持電流之和相對穩(wěn)定。長期如此會對蓄電池自身性能造成一定影響。

圖6 不受控共充時鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.5 不受控狀態(tài)下共同放電

鉛酸電池和鋰電池在不受控情況下共同放電的電壓、電流變化如圖7所示。不受控共同放電時，鉛酸電池的電壓曲線和鋰電池的電壓曲線重合。二者的電壓保持同步下降，但放電電流有較大波動。放電初期鋰電池的電流較大，而鉛酸電池的電流較小，而且二者的電流值基本處于不受控狀態(tài)。這與圖2 中二者的電壓平臺不同具有較大的關聯(lián)性，基本上就是誰的電壓高誰主放電。放電結束后，測量到 2 組電池間有小電流，即電池組之間出現(xiàn)了環(huán)流現(xiàn)象。

圖7 不受控共放時鋰電池與鉛酸電池的電壓、電流曲線

1.6 試驗結果分析

從以上受控和不受控狀態(tài)下 2 組電池充放電時電壓、電流變化情況來看，智能鋰電池在與鉛酸電池并用時，可以實現(xiàn)對鉛酸電池的控制，避免環(huán)流現(xiàn)象，同時可避免鉛酸電池無規(guī)律大電流放電，起到保護鉛酸蓄電池的作用，有效解決了基站場景中鉛酸與鋰電混用的要求。

2 電池共用管理器技術

相較于智能鋰電技術重在解決鉛酸電池和鋰電池混用的難題，電池共用管理器技術在解決了鉛酸電池與鋰電池混用的基礎上更加側重于解決基站的擴容問題。電池共用管理器技術在設計上主要是在后備電池與開關電源母排之間架設 DC-DC 裝置。加裝 DC-DC 裝置的數(shù)量決定了電池共用管理器的回路數(shù)量，即可以串接幾組電池。電池共用管理器的結構示意圖如圖8所示。

圖8 電池共用管理器組成方框圖

由于配備了多個 DC-DC 控制回路，電池共用管理器可支持多路不同類型、型號、廠家、類別的電池共同使用，在基站擴容時可便捷地提升備電電池的容量，同時可預留一定的擴容空間。智能鋰電技術的 DC-DC 控制回路集成在鋰電池組自身內，支持與 1 組其它類型電池混用。電池共用管理器將多個 DC-DC 控制回路集成在一套設備內，支持多組電池共用。二者在原理上是共通的。

出于對成本控制的因素，電池共用管理器在控制策略上還存在通過 MOS 管的通斷及調節(jié)脈沖占空比的方案來控制電池的充放電電流。但是，其在電流的精度控制上存在較大偏差，比雙向 DC 控制方案差[1]。鑒于智能鋰電與電池共用管理器的功能類似，在電池共用管理器的功能驗證上不再贅述。

3 通信領域備電技術發(fā)展展望

通信領域備電技術隨著電池技術和通信技術的發(fā)展一直處于發(fā)展的過程中，總結來講具有以下趨勢：

（1）控制精細化。傳統(tǒng)的基站備電對電池的控制僅靠開關電源控制電池組的總電壓和電流?，F(xiàn)有的備電技術增加了 BMS、FSU 等，逐漸在加強對備電電池的監(jiān)控與管理。除與電池自身的技術特點相關外，對電池的監(jiān)控與管理越來越精細化[2]。

（2）設備模塊化、一體化。由于傳統(tǒng)鉛酸電池體積大，重量比能量較低，占地空間相對較大，為節(jié)約用地，逐漸開發(fā)出了可放置于 19 英寸機柜的狹長型鉛酸電池。后續(xù)在基站使用的磷酸鐵鋰電池、智能鋰電池、電池合路器等均采用了 19 英寸設計，便于集成安裝，模塊化趨勢明顯。在新建的5G 基站中，電池與電源集成于一起，便于壁掛及抱桿安裝，一體化趨勢明顯[3]。

（3）設備管控一體化。在通信基站，通信電源本身具有一定的控制功能，后備電池自身具有BMS 或其它監(jiān)控設備，再加上智能鋰電池或電池共用管理器的 DC-DC 控制系統(tǒng)，一些管控功能相對重復（如電壓采集，充電參數(shù)設置等），同時管控系統(tǒng)相對分散在不同設備上。管控系統(tǒng)的增加會給系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性帶來一定影響，對追求高穩(wěn)定性和高可靠性的通信基站帶來風險[4-5]。未來，此類管控功能有望集成在一套系統(tǒng)上，增加后備系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

4 總結

通過對智能鋰電池的功能驗證及其與電池共用管理器的對比分析可以看出，智能鋰電技術和電池共用管理器技術可滿足現(xiàn)階段通信基站在擴容中遇到的不同類型電池混用場景，同時對存量巨大的基站余能利用有巨大的促進作用。DC-DC 技術可一定程度上提升電池的放電電壓，在直流遠供中具有一定的積極作用，可提升基站的電能利用效率，在現(xiàn)階段具有較強的適應性。目前，這兩種技術在基站中已逐漸開始推廣應用。未來，隨著通信技術和電池技術的發(fā)展，通信備電技術有望迎來新的發(fā)展，管控技術一體化、電池能量池化有望快速實現(xiàn)。