陶現(xiàn)名

（中國(guó)鐵塔股份有限公司 云南省分公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

近年來，智能鋰電池作為一種新型鋰電池出現(xiàn)在通信領(lǐng)域，對(duì)傳統(tǒng)鋰電池構(gòu)成了一定威脅，也給專業(yè)人士帶來了不少困惑。本文展開對(duì)智能鋰電池內(nèi)部構(gòu)造和并聯(lián)均衡能力的機(jī)理研究，并對(duì)比傳統(tǒng)鋰電池的特點(diǎn)，探討智能鋰電池在通信基站應(yīng)用的實(shí)用價(jià)值。

1 智能鋰電池構(gòu)成與特點(diǎn)

1.1 智能鋰電池構(gòu)成

智能鋰電池主要由電芯、電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）、中央控制單元（Central Processing Unit，CPU）、輔助電源以及雙向DC/DC等組成，如圖1所示。若將這些單元、連接電纜、開關(guān)及保險(xiǎn)絲等與電池電芯集成在一個(gè)密閉的金屬殼體內(nèi)，就構(gòu)成了一組智能電池，即電池PACK。通信電池PACK的標(biāo)稱電壓為48 V，由15或16個(gè)3.2 V磷酸鐵鋰電池電芯模組串聯(lián)而成，每個(gè)電池電芯模組實(shí)際由若干個(gè)電芯單體并聯(lián)而成。

圖1 智能鋰電池結(jié)構(gòu)

1.2 智能鋰電池的特點(diǎn)

智能鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池的區(qū)別在于，智能鋰電池采用雙向DC-DC替代傳統(tǒng)鋰電池的充、放電電路，放電電壓可以穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的數(shù)值上，而且精度很高。智能鋰電池放電保護(hù)采用限功率模式，輸出電流可以穩(wěn)定在最大值。而傳統(tǒng)鋰電池放電電流保護(hù)一般采用關(guān)斷保護(hù)模式，當(dāng)電池輸出電流超過設(shè)定值時(shí)，放電開關(guān)關(guān)斷。因此，傳統(tǒng)鋰電池在容量配置上會(huì)考慮一定的富余量，避免因一個(gè)電池PACK保護(hù)而引起群體電池出現(xiàn)多米諾骨牌效應(yīng)。

2 智能鋰電池并聯(lián)

2.1 并聯(lián)均衡表象

當(dāng)多個(gè)智能鋰電池PACK并聯(lián)放電時(shí)，如果將電池PACK的端電壓調(diào)整一致，那么用鉗流表測(cè)量每個(gè)PACK的放電電流（I1～I(xiàn)4）可以發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本均衡，即I1=I2=I3=I4。但這只是表象，實(shí)際上用鉗流表測(cè)量到的電流并不是智能鋰電池內(nèi)部電芯的電流，而是電池電芯經(jīng)雙向DC-DC放電輸出的電流。智能鋰電池并聯(lián)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 智能鋰電池并聯(lián)拓?fù)鋱D

2.2 并聯(lián)均衡真相

如圖3所示，鋰電池中引入了雙向DC-DC后，PACK內(nèi)部就形成了內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩個(gè)電流回路。其中，外側(cè)回路與開關(guān)電源和通信負(fù)載RL相連，內(nèi)側(cè)回路則與電池電芯相連，內(nèi)外兩個(gè)回路通過磁鏈Ψ進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)外側(cè)回路電流達(dá)到均衡時(shí)，內(nèi)側(cè)回路電流就只與各自的等效電阻相關(guān)，如果R1≠R2≠R3≠R4，則I5≠I6≠I7≠I8。顯然，只有當(dāng)PACK內(nèi)電芯參數(shù)高度一致時(shí)，電流I5～I(xiàn)8均衡才能成立[1,2]。如果讓15串電芯PACK與16串電芯PACK并聯(lián)，當(dāng)兩者的電壓一致時(shí)，兩個(gè)PACK的輸出電流就一致，但內(nèi)部電芯電流則完全不一致，因?yàn)橄嗖盍艘粋€(gè)電芯模組。可見，從PACK外部測(cè)量到的電流不能代表PACK內(nèi)部電芯的真實(shí)電流。

圖3 引入雙向DC-DC的智能鋰電池并聯(lián)拓?fù)鋱D

2.3 智能鋰電池并聯(lián)技術(shù)溯源

微站屬于基站的一種，其供電是靠微站電源。由于微站電源的空間有限，內(nèi)置電池一般難以滿足微站長(zhǎng)時(shí)間備電的需要。擴(kuò)充電池容量的一個(gè)方案是將電池包結(jié)構(gòu)做成與微站主設(shè)備模塊一樣，然后插入主設(shè)備機(jī)框進(jìn)行供電。因?yàn)檫@種電池模塊是片狀結(jié)構(gòu)，所以俗稱刀片電池。刀片電池利用內(nèi)置雙向DC-DC模塊，解決了它與微站電源電壓匹配的問題[3]。智能鋰電池與刀片電池如出一轍，也是利用其內(nèi)部的雙向DC-DC模塊，解決與其他電池或電源并聯(lián)電壓匹配的問題，是鋰電池智能化的目的。

3 鐵塔基站電池并聯(lián)方案與智能鋰電池方案比較

3.1 電池狀況

鐵塔公司大部分基站是從三家運(yùn)營(yíng)商移交而來，加上前些年鐵塔公司對(duì)共站址基站進(jìn)行整合后，很多基站都出現(xiàn)了品牌不同、新舊不同以及容量不同的差異電池組。特別是近幾年，鐵塔公司推進(jìn)動(dòng)力電池梯級(jí)利用，大量基站又增加了梯次電池，使鐵塔基站的蓄電池差異變得更加嚴(yán)重，電池并聯(lián)就成了一道難題。

3.2 鐵塔基站電池并聯(lián)方案

面對(duì)基站電池的復(fù)雜局面，鐵塔公司從成立之初就開始尋求差異電池組并聯(lián)使用的解決方案，目前比較成熟的方案是電池共用管理方案。這種方案是通過電池共用管理器來實(shí)現(xiàn)差異電池組的并聯(lián)，如不同品牌的鉛酸電池或鋰電池、不同新舊的鉛酸電池或鋰電池以及不同容量的鉛酸電池或鋰電池組的并聯(lián)[5]。電池共用管理方案的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。

圖4 電池共用管理方案組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.3 兩種方案的比較

智能鋰電池并聯(lián)方案與電池共用管理方案的相同之處在于，電池充放電轉(zhuǎn)換都采用了雙向直流轉(zhuǎn)換模塊。不同之處在于智能鋰電池的雙向直流轉(zhuǎn)換模塊集成在電池PACK內(nèi)部，只為一個(gè)PACK專用，當(dāng)電池報(bào)廢后，這些模塊隨之報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)性較差。在電池共用管理方案中，雙向電源轉(zhuǎn)換模塊共同集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)專門管理電池并聯(lián)的專用設(shè)備，即電池共用管理器，不會(huì)隨電池的報(bào)廢而報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)性較好。

4 智能鋰電池其他應(yīng)用探討

4.1 智能混搭

一般將智能鋰電池與其他電池共用的情形稱為智能混搭，智能在這里的含義主要指電壓自動(dòng)匹配。曾用一組100 Ah智能鋰電池與一組200 Ah鉛酸電池并聯(lián)做放電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在接通負(fù)載前，鉛酸電池會(huì)向鋰電池充電，接通負(fù)載后兩組電池才一起對(duì)負(fù)載放電。整個(gè)放電過程中，兩組電池電流差異在15%～50%，且前半段時(shí)間鉛酸電池電流較大，后半段時(shí)間鋰電池電流較大，直到放電結(jié)束。試驗(yàn)說明，智能鋰電池與其他電池混搭時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象，電池電流也不會(huì)完全均衡。

4.2 智能削峰

對(duì)于個(gè)別站點(diǎn)，建站初期市電引入容量偏小。當(dāng)5G設(shè)備上電后，一旦到了業(yè)務(wù)高峰時(shí)段，開關(guān)電源直流輸出電壓就會(huì)有所下降[7]。在此期間，智能鋰電池的電壓會(huì)跟隨開關(guān)電源的直流輸出電壓調(diào)整，然后共同承擔(dān)負(fù)載電流，減小市電壓力，實(shí)現(xiàn)智能削峰。實(shí)際上，當(dāng)開關(guān)電源直流輸出電壓開始下降時(shí)，其他電池就會(huì)參與開關(guān)電源放電，缺多少電流，電池就輸出多少電流，負(fù)載電流始終不出現(xiàn)中斷。因此，在有開關(guān)電源存在的情景下，智能削峰與電池屬性沒有必然聯(lián)系。

4.3 恒壓模式

智能鋰電池因內(nèi)部集成了雙向DC-DC模塊，所以可以工作在恒壓模式。例如，57 V恒壓模式可以降低從基站端到遠(yuǎn)端或塔頂電源電纜上的壓降，有利于大功率負(fù)載拉遠(yuǎn)或上塔。因此，一些基站采用了智能鋰電池進(jìn)行升壓。不過，并非基站所有設(shè)備都需要升壓，也沒有必要讓基站電池全部升壓，反而增加了升壓設(shè)備損耗和引起直流過壓告警。必要時(shí)，運(yùn)營(yíng)商會(huì)在基站端為拉遠(yuǎn)或上塔設(shè)備配備升壓型DC-DU，解決恒壓?jiǎn)栴}。

4.4 并聯(lián)擴(kuò)功率

智能鋰電池的過流保護(hù)是在輸出電流達(dá)到保護(hù)點(diǎn)時(shí)，恒功率輸出，因此并功率系數(shù)可以取1。而傳統(tǒng)鋰電池的過流保護(hù)是在輸出電流達(dá)到保護(hù)點(diǎn)時(shí)切斷輸出，此時(shí)并功率系數(shù)不能取1。常規(guī)方法配置電池容量時(shí)，普通鋰電池會(huì)考慮一定富余量，以防電池過流關(guān)斷。不過，由于基站負(fù)荷的變動(dòng)范圍較寬，電池容量配置實(shí)際無法精確到理想值，只要負(fù)荷電流達(dá)到過流點(diǎn)，無論哪種鋰電池，都不能保證負(fù)載內(nèi)部的二次電源、三次電源電壓穩(wěn)定。實(shí)際上，鐵塔基站備電要求是3 h以上，鋰電池安全放電電流一般按小于1C考慮，單組電池電流都小于0.33C，已遠(yuǎn)離電池過流保護(hù)點(diǎn)[9,10]。因此，并功率系數(shù)1對(duì)電池并聯(lián)擴(kuò)功率沒有實(shí)際意義。

5 結(jié) 論

智能鋰電池本質(zhì)上是一種具有電壓適配能力的特殊電池。智能鋰電池之間并聯(lián)，實(shí)際是其內(nèi)部雙向DC-DC輸出電路的并聯(lián)，而不是鋰電池電芯的并聯(lián)。并聯(lián)電流的均衡實(shí)際是其內(nèi)部雙向DC-DC輸出電流的均衡，并非鋰電池內(nèi)部電芯電流的均衡，只有當(dāng)并聯(lián)鋰電池內(nèi)部完全一致時(shí)，電池電芯電流才是均衡的。智能鋰電池之間的并聯(lián)應(yīng)該是相同電池并聯(lián)，而且是相同時(shí)期、相同批次、相同電芯以及相同容量的智能鋰電池，不同品牌的智能鋰電池原則上不并聯(lián)使用。當(dāng)完全相同的智能鋰電池并聯(lián)時(shí)，由于其內(nèi)部基本沒有差異，雙向DC-DC實(shí)際上并沒有發(fā)揮作用，反而增加了功率損耗和電池成本。因此，智能鋰電池應(yīng)該用在哪里才能發(fā)揮其價(jià)值值得繼續(xù)探討。