电池共用管理器应用探讨

1 引言

2019年6月6日，工信部正式发布5G牌照，5G网络作为新型基础设施建设重要组成部分，各运营商已经从试点阶段逐步转入规模建设阶段。5G网络在垂直行业的应用包括智能制造、车联网、远程医疗等，此类业务对网络可靠性要求很高，同时相较于4G设备功耗5G设备功耗约提升3～4倍，因此5G网络对备电系统的容量及可靠性提出更高的挑战。

现网中的蓄电池包括铅酸电池、磷酸铁锂电池等多种产品，因不同型号、不同品牌、不同批次蓄电池不能直接混用，因此5G备电改造若采用传统的整体替换蓄电池方案，成本非常高且浪费大量存量蓄电池资源。

针对该情况，本文首先介绍了不同型号蓄电池单组电池及多组电池并联的电池充放电特性，然后分析了通过电池共用管理器实现多组不同特性曲线蓄电池同充同放需要解决的主要问题，最后通过试点测试验证了电池共用管理器能够实现多组电池的同充同放功能，并且电池之间无环流电流，不会对电池造成损害。

2 蓄电池充放电特性

2.1 铅酸电池充电特性

电池放电后的充电过程可以分为恒压限流和浮充两个阶段，当电池电压达到均充电压或连续3小时充电电流小于0.005 C10，转为浮充充电，用于抵消电池自放电导致的电量损耗，典型铅酸蓄电池充电曲线，如图1所示。

图1 典型铅酸蓄电池充电曲线

2.2 磷酸铁锂电池充电特性

磷酸铁锂充电采用恒压限流充电，且锂电池一般配备保护板，保护板会限制充电电流，一般为0.2～0.3 C10左右，当充电电压达到均充电压时，断开充电。典型磷酸铁锂电池充电曲线，如图2所示。

图2 典型磷酸铁锂电池充电曲线

2.3 多组蓄电池并联充电特性

不同容量蓄电池充电特性曲线一般不同，原则上不能并联充电。多组蓄电池并联充电时，可分为恒流段、恒压段、涓流段。

恒流段充电，开关电源作为唯一压源，各组蓄电池作为负载根据各自特性分配充电电流，当电量输入至各电池组到达恒压值时转入恒压充电。

恒压段充电，恒压段充电电流较高，当充电电流下降到浮充转换电流时，转入涓流段。

涓流段充电，属于低压恒压段充电，用于抵消电池自然放电损耗。

2.4 多组蓄电池并联放电特性

多组蓄电池并联放电时，高电压蓄电池先放电，达到各组蓄电池电压一致时，电池组放电电流将根据各电池组的荷电态比例进行自动均衡调整。铅酸蓄电池不同倍率放电电流放电特性曲线，如图3所示。

3 关键问题

不同批次、不同品牌、不同型号的蓄电池特性曲线不同，并联充电时各电池组所处状态不一致，容易造成电池损伤。共用管理器替代开关电源对蓄电池进行充放电管理，需解决以下几个关键问题。

图3 铅酸蓄电池不同倍率放电电流放电特性曲线

3.1 防过充保护

多组蓄电池并联充电，恒压段是最危险的阶段，恒压段如不能正常转入涓流段，将因充电电压过高造成失水、膨胀现象。从恒压段转入涓流段，开关电源仅能监测到总的充电电流，当总充电电流达到浮充转换电流时转入到涓流段。如果蓄电池组容量不一致，大容量的蓄电池的恒压充电时间一般更长，出现小容量开关电源达到浮充转换电流总电流未达到转换电流的情况，开关电源继续给小电源提供均充电压，导致小蓄电池过充，影响小蓄电池使用寿命。

3.2 防欠充保护

开关电源常用充电管理模式包括充电超过10小时转浮充或连续3小时充电电流小于0.005 C10转浮充。5G建设一方面增加了蓄电池组总容量，另一方面挤压了开关电源整流模块的冗余配置空间，在不增加开关电源整流模块输出功率或停电频繁的场景，容易造成电池欠充状态，使得铅酸电池硫化，影响备电能力。

3.3 防高温保护

高温环境下充电会增加电池热失控、失水的风险。应防止在过高的环境温度下对电池进行大电流的恒流充电。

3.4 深放电保护

放电后期，各电池组的单体电压很复杂，容量小的单体电池电压跌落最早、最快，与整体电压跌落情况不同步，容易造成过度放电。若小蓄电池电流持续较大，电压迅速降低，容易引发反极现象，电池被反向充电，直接破坏蓄电池活性物质结果，最终导致蓄电池的不可逆损坏报废。

3.5 充电限流保护

多组电池并联充电时，为防止过大的充电电流对电池组造成损害，应对端口充电电流进行限流。一方面对开关电源充电输出进行限流，将开关电源电池充电输出限流值调整为电池组总容量；另一方面对每个端口的蓄电池充电电流进行限流，每路蓄电池充电电流不宜超过电池组2倍I10。

4 电池共用管理器介绍

电池共用管理器主要用于解决多组差异蓄电池不能并联使用的问题，能实现新旧电池的有效整合，实现电池组间的隔离管理，实现基站电池容量的滚动扩容，避免新电池大量采购、旧电池未有效利用造成的巨大资产浪费。

常见电池共用管理可实现4路、6路蓄电池的共用管理，安装方式包括机柜安装、壁挂安装等多种形式。设备接入方式如图4所示，电池共用管理器的输入端与开关电源母排链接，每组蓄电池接1路电池接口，各蓄电池接口实现电池的独立管理。

图4 电池共用管理器接入示意图

5 试点情况

中国铁塔在南方某区域的一个基站对电池共用管理器进行测试。

5.1 试点基站情况

基站现有负载52 A，原有300 AH铅酸电池经放电测试仅能提供1.5小时备电时长，不满足3小时备电时长要求。

5.2 试点方案

新增一台4路电池共用管理器，新增100 AH蓄电池。

5.3 测试内容

（1）4路电池共用管理器实现2路不同批次、不同型号的蓄电池统一管理功能。

（2）隔离保护能力

测试不同蓄电池通过共用管理器后与母排链接，每路电池组之间相互隔离，无环流电流。

（3）独立电压控制功能

测试每路蓄电池端口的均充电压、浮充电压、电池容量、充电限流系数能通过电池共用管理器独立设置。

（4）同步充电管理功能

验证多组电池同步充电的时候，恒流段能按接入电池容量比例分配每路充电流量；恒压段、涓流段能通过参数设置实现每组电池均充、浮充电压。

（5）同步放电管理功能

测试共用管理器能实现多组差异蓄电池共同放电功能。

5.4 测试方法及结果

（1）放电测试

测试方法：将整流模块1次下电电源设置为47 V，蓄电池充满电后对基站断电，新旧电池共同以52 A放电电流对负载供电，直至电压下降到47 V为止，测试每组蓄电池的放电状态，记录放电时长。

测试结果：用钳流表每10分钟测试一次新旧电池的放电电流及电压，实测蓄电池根据实际容量大小动态分配放电电流大小，2路蓄电池放电时间完成同步，最终支持3.1小时放电时长，符合计算预期要求。

（2）充电测试

测试方法：整流模块浮充电压设置为53.5 V，均充电压设置为56.4 V，充电限流设置为0.1C，直至各组蓄电池充满，用钳流表监控每组蓄电池的充电状态。

测试结果：用钳流表每15分钟测试一次电池的充电电压和充电电流，实测结果每组电池的充电电流/电压能根据电池电荷态进行调整，充电电流未超过电池实际容量的0.1 C，符合要求。

（3）环流测试

充放电过程中用钳流表监控各组电池组，实测结果2组电池组始终保持同充同放状态，无环流电流，符合要求。

综上，通过对2组蓄电池充放电状态跟踪，验证电池共用管理器能实现各组蓄电池的独立管理，蓄电池间相互隔离，避免电池过充、深放电等问题的发生。

6 总结

随着“网络强国”“智慧城市”“大数据战略”等宏观政策的推进，信息通信基础设施建设已经上升为国家战略性基础设施，特别是中央经济工作会议提出5G网络建设是“新基建”重要组成部分后，我国5G将迎来高速发展阶段。5G网络在物联网领域的应用可以与工业设备、医疗仪器、交通工具等的深度融合，实现工业、交通、医疗等垂直行业的智能升级。5G与垂直行业的应用决定了5G相较于传统的2/3/4G网络有更高的网络稳定需求。

备电系统是确保网络稳定的重要组成部分之一。5G网络的高功耗要求，对备电系统造成巨大冲击，特别是在当前4G网络刚建成，5G网络快速推进的特殊时期，大量4G网络建设才新购置的蓄电池就面临替换的问题，既增加的改造成本又浪费存量资源。

电池共用管理器在此背景下被广泛关注，本文对蓄电池的充放电特性以及多组不同特性曲线蓄电池并联充放电带来问题进行分析，通过试点测试验证电池共用管理器具备管理多组差异蓄电池同充同放的能力，可以有效降低5G网络建设投资成本。