5G通信后备电源用磷酸铁锂电池系统的研制

罗剑锋，马吉富

（卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司，浙江 绍兴 310000）

0 引 言

5G信息传输在通信领域给人们带来了极大期待，将提供智慧城市、智慧生活和智慧交通，赋予市民比4G时代更多的生活便利。信息不间断传输离不开5G基站的正常工作，后备电源保障了市电中断情况下5G基站的正常传输信息。与以往2G、3G和4G等基站不同，5G基站微小，空间有限，室外安装，因而能量密度低、体积大的铅酸电池已不再适用，为能量密度高的锂离子电池提供了新的应用空间。目前，锂离子电池被认为是5G微型基站的最佳后备电源，但是锂离子电池要在5G基站中大规模应用，还必须解决以下两个关键问题。第一，5G基站空间受限，锂离子电池必须直接面对自然条件，如极寒和极热，因此其性能的稳定发挥受到了极大挑战；第二，5G基站的数量将是目前4G基站数量的1.5～2.0倍，数量巨大，需要解决后备电源的工况巡查产生的人力、物力和财力大量耗费问题。因此，研发一种智能电源系统，集成高性能锂离子电池、温度传感器、电量估算系统和信息传输等模块，提高后备电源的温度适应能力，并通过网络终端管理系统获知后备电源的运行状态，以解决现有依靠人工巡查获知后备电源运行状态的低效能问题，这对5G基站安全可靠运行具有重要意义。

理论上，铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等蓄电池都可用于5G通信后备电源上，但这些蓄电池在性能上存在明显差异，如表1所示，其中锂离子电池以磷酸铁锂电池为例。与其他锂离子电池（钴酸锂电池、锰酸锂电池等）相比，磷酸铁锂电池安全性、环境友好性和低温循环稳定性更优。

表1 不同蓄电池的性能比较（48 V、20 Ah）

蓄电池的重量、体积和性能是5G后备电源应用中需要考虑的关键因素。从表1可以看出，与其他类型的蓄电池相比，磷酸铁锂电池在重量、体积和电化学性能方面优势明显。从载人载物重量的性能上看，小型化是5G后备电源的方向，而磷酸铁锂电池符合5G通信后备电源小型化的发展方向。此外，磷酸铁锂电池已经在电动汽车上成功应用，完全可以胜任5G通信后备电源的应用要求。

1 方案介绍

围绕5G通信电源系统体积小、重量轻、高比能量的发展需求，重点开展磷酸铁锂电池及其管理系统等关键零部件，具体的技术解决方案如下所述。

1.1 3.2 V、20 Ah磷酸铁锂电池模块的构建和性能优化

1.1.1 磷酸铁锂电池正负极极片的制备

电极片的制备依照如图1所示的工艺路线进行。

图1 工艺路线

（1）混料工艺

将电极材料（磷酸铁锂或碳基负极材料）、粘结剂（对于磷酸铁锂采用水性PVDF粘结剂，对于碳基负极材料采用SBR水性粘结剂）、导电碳及分散剂，通过高速剪切搅拌分散，得到各组分均匀分散的浆料。考察温度、剪切速度、搅拌时间、物料量比及固含量等因素对浆料粘度的影响，得到适合涂布的合浆工艺参数。本文将探讨用Si代替部分碳基负极材料获得相应的极片制备工艺，突破Si在锂离子电池中的应用瓶颈，以提高磷酸铁锂电池的能量密度，并进一步降低磷酸铁锂电池组的重量和体积，使5G通信后备电源集成系统更加小型化和轻量化。

（2）涂布工艺

将得到的浆料送入涂布设备，通过挤压使浆料均匀涂覆在基底涂碳铝箔或涂碳铜箔上，然后考察涂布窗口、走带速度和烘烤程序等对极片平整度、粘合强度等的影响。最后，通过反馈优化浆料性质和涂布工艺参数，获得正负极片的涂布工艺。

（3）干燥与滚压工艺

将得到的极片置于真空箱内进行干燥，然后在一定的压力下滚下极片，并经历剪切分拣得到正负极极片。考察干燥滚压程序（如干燥温度、真空度、干燥时间、滚压压力以及走带速度等）对极片中含水量、极片的压实密度和面密度等的影响，通过反馈优化干燥滚压的工艺参数，得到正负极极片。

1.1.2 电芯的装配和成组

（1）电芯的装配

利用自动剪切机将得到的极片切成设计所需大小的极片，通过重量分拣的方式挑选电极片以满足极片的组合要求，并经历叠片、焊接、注液和封装工艺得到20 Ah的电芯。

在叠片工艺上，采用“Z”形层叠制造工艺，如图2所示，使电流密度分布更均匀，阻抗更小，以利于大容量电池性能的发挥。

图2 叠片工艺

在成组工艺上，采用公司的专利技术（专利号为201020526753.3、201010279805.6）， 将 16个 20 Ah电芯通过串联组成48 V、20 Ah模块，如图3所示。这种结构在实现增压的同时增加加热膜，提高了模块低温放电的容量功能。

图3 电芯串联

（2）电芯和成组电池的性能

采用控制电流恒电流充放电技术对不同的电芯进行预充放，评估电芯容量。同时，考察电池的循环性能，测试电芯阻抗并进行反馈，优化正负极极片的组成、电解液组成以及优选隔膜，得到最佳的电芯制备工艺条件。根据电芯预充的容量，采用串并联方式进行pack，组装成符合5G通信后备电源应用要求的大容量锂离子电池，测试电池的循环性能和安全性能等，优化电池的成组工艺。

（3）电芯和电池安全性能

采用撞击、加压、针刺、高温、短路和强制放电等极端方式，分析电池的燃烧、爆炸等情况，反馈到电池的制造工艺方面，并从电解液、隔膜及电池架构的方面优化电池的工艺参数。

1.2 电池管理系统的设计与性能

电池管理系统原理图如图4所示，主要包括模拟量采集系统、驱动保护系统、通信系统和主控制系统。

1.2.1 模拟量采集系统

采用数据采样芯片（MAXIM 5235）作为单体电压采集模块（如图5所示），实时监控电池电压并将数据传输给主控芯片，有利于实现电压精密测量；采用高精度16位AD采样芯片，实时跟踪电池组内部温度变化，避免电池温度失控，有利于电池安全运行。

图4 电池管理系统原理图

图5 模拟量采集系统

1.2.2 电池荷电状态（SOC）计算系统

将传统的SOC计算依据电流积分的方法进行升级，根据电芯的温度、充放电特性、倍率特性、电池健康状态（SOH）和内阻进行SOC估算，估算公式为：

利用公式（1）获得与实际状况吻合度更高的SOC值，准确预知电池的实际荷电情况，将更有利于使5G电源进行一次和二次下电保护控制。将这种算法应用于此套系统，根据跟踪监测的实际情况，优化式（1）中的相关系数，从而获得适合电池系统的估算算法。

1.2.3 告警与保护系统

本系统通过MODBUS通信协议实现电池与5G电源间的数据交换，包括单体电芯电压、电池组电压、电芯温度、电流及荷电状态，使列车控制器可以实时监控电池状态，并可以通过指令对电池进行充电，保证电池实时处于安全状态，更有利于5G通信基站的安全运行。

1.2.4 APP监控与云数据

本系统通过MODBUS通信协议实现电池与5G电源间的数据交换，同时通过蓝牙与手机APP通信将数据发送给云存储空间，包括单体电芯电压、电池组电压、电芯温度、电流及荷电状态，使列车控制器可以实时监控电池状态，并可以通过指令对电池进行充电，保证电池实时处于安全状态，更有利于5G通信基站的安全运行。

1.2.5 低温下工作的控制策略

本系统通过加热系统实现电池在低温环境下的工作。浮充时进行热管理，保证电池环境温度在10 ℃以上，放电容量大于额定值的85%，远高于行业标准的60%指标，更有利于5G通信基站的安全可靠运行。

2 磷酸铁锂电池集成系统的构建及其在5G通信基站上的应用

从系统轻量化和机械强度的角度出发，选择铝合金作为机箱和电芯串并联电缆的材料，在满足热有效传导的情况下，优化机箱的体积，使其尽可能小。

将3.2 V、20 Ah的电芯模块通过串联的方式组合成5G通信后备电源的蓄电池集成系统（48 V、20 Ah），如图6所示，考察系统的充放电性能、倍率性能、循环性能和安全性能。

图6 48 V、20 Ah电池集成系统样机

磷酸铁锂电池集成系统装配到5G通信后备电源上，模拟5G通信电源突然断电情况，考察电池集成系统的实际工作能力，并通过反馈优化电池集成系统的组成和结构，建立相应工况条件下的理论模型。

3 试验结果和结论

采用粘结能力更强的涂碳铝箔和涂碳铜箔作为集流体，解决磷酸铁锂或碳基负极材料与集流体接触牢固性问题，提高了电池的循环寿命。图7为25 ℃下电池的循环寿命测试结果。采用式（1）的算法模拟电池荷电状态，包括电芯的温度、充放电特性、倍率特性及电池健康状态（SOH）和内阻，解决电池电量估算问题。通过在电极材料中加入电子传导能力优异的石墨烯，解决电池在大电流下的充放电性能问题，解决电子在大电流工作时的发热问题，提高了电池的充放电倍率。图8为-20 ℃下电池的放电曲线，4 C放电时放电容量为98.97%。

图7 25 ℃电池循环寿命测试

图8 -20 ℃电池放电曲线

综上所述，本系统性能可靠，抗干扰能力强，电路结构简单，移植性强，应用前景广泛，适合大批量生产。