通信基站智能磷酸铁锂电池应用模式概述

陈 威，张育红，陈 建，苑景春，张巡蒙

(浙江南都电源动力股份有限公司，浙江杭州 311305)

2019 年，中国宣布5G 正式商用，5G 所代表的新一代移动通信成为国家关键基础设施，5G 时代已成为了我国从网络大国向网络强国迈进的重大战略机遇期[1]。经过一年多的建设，中国5G 基础设施和用户数全面增长[2]。5G 技术的快速发展对我国的通讯基站建设提出了新的要求[1]。承接5G 建设需求，当前通讯基站面临以下难点：市电/直流不足、电池池化难、机房空间和散热问题、塔桅满负荷等。为了解决通讯基站建设中的上述难题，运营商与各设备供应商针对5G 网络建设场景、5G 新建场景、5G 改造场景等方案展开研究，欲从电源、电池、机柜等方面进行创新，开发出满足5G 通讯基站需求的创新型产品，进一步奠定中国5G 技术领先地位[3]。

为有效解决5G 通讯基站市电/直流不足、电池池化难等问题，本文开发了一款智能磷酸铁锂电池，既可以作为后备电源使用，又可升压远供，亦可与不同放电功率、不同容量、不同新旧程度、不同品牌电池进行混配，满足当前5G 基站扩建或增容、电池池化的需求。

1 智能磷酸铁锂蓄电池

本文开发了一款集成双向DC-DC 电路的电池管理系统为一体的智能磷酸铁锂电池。智能锂电控制模块采用一体化设计，占用电池PACK 前端小部分空间。面板布局了软开关和LED 显示板，用于电源开关并提示电源、故障及SOC状态。将CAN 和485 两种通信模式合并定义在一个RJ45 接口内，放在左侧面，外接主电源正负端放在右侧面，这样的设计使得面板更加干净简洁，具体如图1 所示。

图1 智能磷酸铁锂电池

2 智能磷酸铁锂蓄电池应用模式分析

智能磷酸铁锂电池的自适应电池特性模式、智能磷酸铁锂电池优先放电模式、升压远供模式主要依靠BMS 电池管理系统实现。本文将传统BMS 中MOS 管控制部分升级为双向可控电路，设计BDC(bidirectional direct current)和BMU(battery management unit)两部分进行控制，可有效解决通信基站电池多组并联的各种问题，具体见图2。BMU 实现单体电芯的电压、温度监测，SOC计算，运行逻辑策略控制，参数设置，对外通信等功能。BDC 是电池组与通信后备电源主电路之间的双向直流变换电路，用于执行电池恒流、恒压充放电及待机、保护等功能。

图2 总体电路架构图

本文中电池管理系统采用BDC 功率变换技术，具备双向升降压功能，其拓扑结构具体见图3，电路采用4 管配对工作，既能够实现升降压的功能，又拥有功率器件电压电流应力低，无源元件少以及输入输出电压极性相同等优点，适用于输入电压范围较宽的应用场合，也更加有利于变换器功率密度的提升[4]。

图3 BDC电路

所设计的智能磷酸铁锂电池的充电采用限流充电，一方面可以减轻充电机的压力，防止电流冲击，另一方面可以调节各组电池的电流，实现电流均衡[5]。智能磷酸铁锂电池根据电池放电情况分为以下几种工作模式：自适应电池特性模式、智能磷酸铁锂电池优先放电模式、升压远供模式。

2.1 自适应电池特性模式

智能磷酸铁锂电池与不同放电功率、不同容量、不同新旧程度、不同品牌电池混配。当市电停电时，智能磷酸铁锂电池组按照电池特征放电曲线输出，与并联的铅酸蓄电池或梯次利用锂电池保持同放，可大幅提升基站容量，具体电路示意图如图4 所示。

图4 自适应电池特性模式电路

2.2 智能磷酸铁锂电池优先放电模式

智能磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池或梯次利用锂电池并联使用，当市电断电时，智能磷酸铁锂电池根据电源系统母排电压变化情况进入恒压放电状态，实现优先放电。当智能磷酸铁锂电池组放电深度达到预设值时，铅酸蓄电池或梯次利用锂电池开始放电，智能磷酸铁锂电池输出电压由恒压转换为电池组实际电压，在铅酸蓄电池或梯次利用锂电池放电至智能磷酸铁锂电池组电压一致时，并联电池组共同放电，直至智能磷酸铁锂电池低压保护，智能磷酸铁锂电池不再放电[6]。具体模式如图5 所示。

图5 智能磷酸铁锂电池优先放电模式电路

2.3 升压远供模式

升压远供主要是利用升压模块，把机房内有后备电源保障的直流48 V 适当升高电压(比如57 V)电，降低线路损耗，达到延长供电距离的目的[7]。智能磷酸铁锂电池可以根据电源系统母排电压变化情况进入恒压放电状态，恒压放电电压可设。具体电路见图6 所示。

图6 升压远供模式电路

智能磷酸铁锂电池的工作模式主要通过软件策略来实现，这里不再赘述。

3 测试分析

3.1 智能磷酸铁锂电池的性能测试

在进行智能磷酸铁锂电池多模式应用测试之前，首先对智能磷酸铁锂电池的温度特性与循环寿命做了测试与分析。

(1)智能磷酸铁锂电池的温度特性

智能磷酸铁锂电池的充电工作温度范围为0～55 ℃，放电工作温度范围为－20～55 ℃，储运温度范围为－40～60 ℃。电池在低温下充满电非常困难[8]。低温环境下充电，电池PACK 选配有PTC 加热，可将电池温度加温到0 ℃以上时再充电。低温环境下放电，容量有较多衰减。在－10 ℃测试，放电容量为基准容量的87.2%。容量和温度的关系曲线如图7 所示。

图7 智能磷酸铁锂电池容量与温度关系曲线

在温度冲击实验中，由于温度变化，电子元器件会经受应力。环境温度快速变化，电池实际跟随的温度变化没那么快，只要电池实测温度在充放电要求范围内，电池可以正常工作。而高温工作环境下，电子元器件特别是功率器件会有较高温升。智能磷酸铁锂电池的面板为全铸铝材料，热容量大，采用良好散热结构设计使功率器件热阻较小。表1 是常温满功率充放电时各位置的温度分布情况。

表1 常温满载放电温度表 ℃

从表1 中可看出，随着充放电连续多次循环，各部分温度会越来越高。在55 ℃环境温度下满载放电，最高位温度达到125 ℃，电池最高温度达到68 ℃。

(2)智能磷酸铁锂电池的日历寿命

电池的寿命包括电池循环寿命和日历寿命。循环寿命是指电池在工况循环或者常规循环过程中达到寿命终止所经历的时间。日历寿命是指电池在某参考温度下，开路状态达到寿命终止所经历的时间，即电池在备用状态下的寿命[9-10]。智能磷酸铁锂电池主要应用于通信基站的备电场景，大部分时间处于静置状态，在使用时才有放电和充电状态。

在静置过程，高温会使电池容量损失多一些，因此我们采用高温静置容量法测试，时间周期大于200 d，如图8 所示，通过线性算法评估电池的日历寿命，以上测试在55 ℃的环境下，238 d 容量保持99.2%，因此可估算日历寿命为：L=238×(1－80%)/(1－99.2%)=5 950 d，约16 年。

图8 55 ℃下智能磷酸铁锂电池日历寿命测试

3.2 智能磷酸铁锂电池的多模式应用测试

了解了电池的温度特性与日历寿命相关特性后，针对智能磷酸铁锂电池的几种应用模式，分别对设计的智能磷酸铁锂电池在不同模式下性能进行测试：

(1)自适应电池特性模式

电池特性模式适用于智能磷酸铁锂电池与原有的阀控铅酸电池并联应用。充电以指定值限流方式进行，而在限定的放电值范围内，BDC 内MOS 开关自动调整导通状态，智能磷酸铁锂电池自动适应母线电压按照电池特征放电曲线输出，与铅酸电池并联支持同步放电。放电曲线如图9 所示。

图9 智能磷酸铁锂电池工作在自适应电池特性模式下的电压电流波形图

(2)智能磷酸铁锂电池优先放电模式

智能磷酸铁锂电池与铅酸电池并联，智能磷酸铁锂电池优先放电，放电至设定DOD，铅酸电池放电。充电默认是限流模式。除了可与阀控铅酸电池并联应用，智能磷酸铁锂电池还可以与普通锂电池组、梯次利用电池等不同品牌、不同类型的其它电池并联混用。整体充放电曲线如图10 所示。

图10 智能磷酸铁锂电池优先放电模式下电压电流波形图

(3)升压远供模式

在升压远供模式下，BDC 按给定电压值升压放电，减少线路传输过程的损耗，保持输出电压稳定在一定范围，并带有输出下垂特性，具备过流、超温转限功率的功能，不再是简单的切断保护。充电依然是限流模式。整体充放电曲线如图11 所示。

图11 升压远供模式下的电压电流波形图

4 结束语

针对当前5G 通讯基站建设过程中存在的动态增容、电池池化等难题，本文设计了一款智能磷酸铁锂电池，通过对智能磷酸铁锂电池进行测试与分析，得出智能磷酸铁锂电池可在自适应电池特性模式、智能磷酸铁锂电池优先放电模式、升压远供模式下工作，满足通信基站动态增容、电池池化、升压远供等灵活需求。