智能锂电池及应用探讨

陶现名

（中国铁塔股份有限公司 云南省分公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

近年来，智能锂电池作为一种新型锂电池出现在通信领域，对传统锂电池构成了一定威胁，也给专业人士带来了不少困惑。本文展开对智能锂电池内部构造和并联均衡能力的机理研究，并对比传统锂电池的特点，探讨智能锂电池在通信基站应用的实用价值。

1 智能锂电池构成与特点

1.1 智能锂电池构成

智能锂电池主要由电芯、电池管理单元（Battery Management Unit，BMU）、中央控制单元（Central Processing Unit，CPU）、辅助电源以及双向DC/DC等组成，如图1所示。若将这些单元、连接电缆、开关及保险丝等与电池电芯集成在一个密闭的金属壳体内，就构成了一组智能电池，即电池PACK。通信电池PACK的标称电压为48 V，由15或16个3.2 V磷酸铁锂电池电芯模组串联而成，每个电池电芯模组实际由若干个电芯单体并联而成。

图1 智能锂电池结构

1.2 智能锂电池的特点

智能锂电池与传统锂电池的区别在于，智能锂电池采用双向DC-DC替代传统锂电池的充、放电电路，放电电压可以稳定在一个预先设定的数值上，而且精度很高。智能锂电池放电保护采用限功率模式，输出电流可以稳定在最大值。而传统锂电池放电电流保护一般采用关断保护模式，当电池输出电流超过设定值时，放电开关关断。因此，传统锂电池在容量配置上会考虑一定的富余量，避免因一个电池PACK保护而引起群体电池出现多米诺骨牌效应。

2 智能锂电池并联

2.1 并联均衡表象

当多个智能锂电池PACK并联放电时，如果将电池PACK的端电压调整一致，那么用钳流表测量每个PACK的放电电流（I1～I4）可以发现结果基本均衡，即I1=I2=I3=I4。但这只是表象，实际上用钳流表测量到的电流并不是智能锂电池内部电芯的电流，而是电池电芯经双向DC-DC放电输出的电流。智能锂电池并联拓扑如图2所示。

图2 智能锂电池并联拓扑图

2.2 并联均衡真相

如图3所示，锂电池中引入了双向DC-DC后，PACK内部就形成了内侧和外侧两个电流回路。其中，外侧回路与开关电源和通信负载RL相连，内侧回路则与电池电芯相连，内外两个回路通过磁链Ψ进行能量转换。当外侧回路电流达到均衡时，内侧回路电流就只与各自的等效电阻相关，如果R1≠R2≠R3≠R4，则I5≠I6≠I7≠I8。显然，只有当PACK内电芯参数高度一致时，电流I5～I8均衡才能成立[1,2]。如果让15串电芯PACK与16串电芯PACK并联，当两者的电压一致时，两个PACK的输出电流就一致，但内部电芯电流则完全不一致，因为相差了一个电芯模组。可见，从PACK外部测量到的电流不能代表PACK内部电芯的真实电流。

图3 引入双向DC-DC的智能锂电池并联拓扑图

2.3 智能锂电池并联技术溯源

微站属于基站的一种，其供电是靠微站电源。由于微站电源的空间有限，内置电池一般难以满足微站长时间备电的需要。扩充电池容量的一个方案是将电池包结构做成与微站主设备模块一样，然后插入主设备机框进行供电。因为这种电池模块是片状结构，所以俗称刀片电池。刀片电池利用内置双向DC-DC模块，解决了它与微站电源电压匹配的问题[3]。智能锂电池与刀片电池如出一辙，也是利用其内部的双向DC-DC模块，解决与其他电池或电源并联电压匹配的问题，是锂电池智能化的目的。

3 铁塔基站电池并联方案与智能锂电池方案比较

3.1 电池状况

铁塔公司大部分基站是从三家运营商移交而来，加上前些年铁塔公司对共站址基站进行整合后，很多基站都出现了品牌不同、新旧不同以及容量不同的差异电池组。特别是近几年，铁塔公司推进动力电池梯级利用，大量基站又增加了梯次电池，使铁塔基站的蓄电池差异变得更加严重，电池并联就成了一道难题。

3.2 铁塔基站电池并联方案

面对基站电池的复杂局面，铁塔公司从成立之初就开始寻求差异电池组并联使用的解决方案，目前比较成熟的方案是电池共用管理方案。这种方案是通过电池共用管理器来实现差异电池组的并联，如不同品牌的铅酸电池或锂电池、不同新旧的铅酸电池或锂电池以及不同容量的铅酸电池或锂电池组的并联[5]。电池共用管理方案的组网结构如图4所示[6]。

图4 电池共用管理方案组网结构

3.3 两种方案的比较

智能锂电池并联方案与电池共用管理方案的相同之处在于，电池充放电转换都采用了双向直流转换模块。不同之处在于智能锂电池的双向直流转换模块集成在电池PACK内部，只为一个PACK专用，当电池报废后，这些模块随之报废，经济性较差。在电池共用管理方案中，双向电源转换模块共同集成在一个机箱内，构成了一个专门管理电池并联的专用设备，即电池共用管理器，不会随电池的报废而报废，经济性较好。

4 智能锂电池其他应用探讨

4.1 智能混搭

一般将智能锂电池与其他电池共用的情形称为智能混搭，智能在这里的含义主要指电压自动匹配。曾用一组100 Ah智能锂电池与一组200 Ah铅酸电池并联做放电实验，发现在接通负载前，铅酸电池会向锂电池充电，接通负载后两组电池才一起对负载放电。整个放电过程中，两组电池电流差异在15%～50%，且前半段时间铅酸电池电流较大，后半段时间锂电池电流较大，直到放电结束。试验说明，智能锂电池与其他电池混搭时，仍会出现环流现象，电池电流也不会完全均衡。

4.2 智能削峰

对于个别站点，建站初期市电引入容量偏小。当5G设备上电后，一旦到了业务高峰时段，开关电源直流输出电压就会有所下降[7]。在此期间，智能锂电池的电压会跟随开关电源的直流输出电压调整，然后共同承担负载电流，减小市电压力，实现智能削峰。实际上，当开关电源直流输出电压开始下降时，其他电池就会参与开关电源放电，缺多少电流，电池就输出多少电流，负载电流始终不出现中断。因此，在有开关电源存在的情景下，智能削峰与电池属性没有必然联系。

4.3 恒压模式

智能锂电池因内部集成了双向DC-DC模块，所以可以工作在恒压模式。例如，57 V恒压模式可以降低从基站端到远端或塔顶电源电缆上的压降，有利于大功率负载拉远或上塔。因此，一些基站采用了智能锂电池进行升压。不过，并非基站所有设备都需要升压，也没有必要让基站电池全部升压，反而增加了升压设备损耗和引起直流过压告警。必要时，运营商会在基站端为拉远或上塔设备配备升压型DC-DU，解决恒压问题。

4.4 并联扩功率

智能锂电池的过流保护是在输出电流达到保护点时，恒功率输出，因此并功率系数可以取1。而传统锂电池的过流保护是在输出电流达到保护点时切断输出，此时并功率系数不能取1。常规方法配置电池容量时，普通锂电池会考虑一定富余量，以防电池过流关断。不过，由于基站负荷的变动范围较宽，电池容量配置实际无法精确到理想值，只要负荷电流达到过流点，无论哪种锂电池，都不能保证负载内部的二次电源、三次电源电压稳定。实际上，铁塔基站备电要求是3 h以上，锂电池安全放电电流一般按小于1C考虑，单组电池电流都小于0.33C，已远离电池过流保护点[9,10]。因此，并功率系数1对电池并联扩功率没有实际意义。

5 结 论

智能锂电池本质上是一种具有电压适配能力的特殊电池。智能锂电池之间并联，实际是其内部双向DC-DC输出电路的并联，而不是锂电池电芯的并联。并联电流的均衡实际是其内部双向DC-DC输出电流的均衡，并非锂电池内部电芯电流的均衡，只有当并联锂电池内部完全一致时，电池电芯电流才是均衡的。智能锂电池之间的并联应该是相同电池并联，而且是相同时期、相同批次、相同电芯以及相同容量的智能锂电池，不同品牌的智能锂电池原则上不并联使用。当完全相同的智能锂电池并联时，由于其内部基本没有差异，双向DC-DC实际上并没有发挥作用，反而增加了功率损耗和电池成本。因此，智能锂电池应该用在哪里才能发挥其价值值得继续探讨。