集成式磷酸铁锂电池在通信室外站的应用探讨

徐　飞

(中国移动通信集团浙江有限公司杭州分公司，浙江 杭州)



集成式磷酸铁锂电池在通信室外站的应用探讨

徐飞

(中国移动通信集团浙江有限公司杭州分公司，浙江 杭州)

摘要:集成式磷酸铁锂电池逐步在通信行业推广，在实际使用中技术人员应根据其特性，有针对性地选择使用场景、优化参数设置，最大化地发挥铁锂电池的优点，而并不是简单作为铅酸电池的替换。文中主要分析铁锂电池的适用场景需求、开关电源各项参数设置的必要性。

关键词：集成式磷酸铁锂电池；通信室外站；应用

经过几年的发展，磷酸铁锂电池在通信行业的应用已从试点阶段进入小规模应用阶段。相比铅酸电池，磷酸铁锂电池在循环寿命、工作温度、重量比能量、体积比能量等方面的性能优势已众所周知，相关参数对比的文章也很多，在此不再赘述。本文分析探讨了铁锂电池在本地区的现网应用场景、安装施工、参数设置等方面的问题。

1　磷酸铁锂电池的分类

根据单芯电池的数量不同有15串和16串组成的电池组，由于低温特性相对较好，目前中国移动通信集团浙江有限公司杭州分公司都采用16串电池。本文基于16串铁锂电池进行论述。

从应用上分类磷酸铁锂电池分为集成式和分立式电池组；根据电池组与电池管理系统的不同组合，中国移动通信用基站磷酸铁锂电池企业标准(QB-H-005-2012)中主要分为三种模式。

(1)IBS模式：由16只小容量磷酸铁锂电池串联和电池管理系统置于同一装置内的一体化电池组。

(2)LBMS模式：由16只较大容量磷酸铁锂电池串联和电池管理系统组成，电池管理系统可以独立安装，也可以安装于开关电源系统内的分立式电池组。

(3)LBAM模式：由16只较大容量磷酸铁锂电池串联和电池采集模块组成，电池的保护与告警功能由开关电源系统完成的分立式电池组。

目前IBS模式已在浙江省批量应用，后两种模式仅在零星试点阶段。笔者以为后两种模式尚未推广，主要基于价格偏高及通信用分立式磷酸铁锂电池组的行业标准尚未出台两个因素。

2　应用场景

目前IBS模式的磷酸铁锂电池技术比较成熟，常规使用的单组电池容量有10 Ah、20 Ah、30 Ah、50 Ah，作为铅酸电池的替代和补充。根据铁锂电池耐高温、可高倍率放电等特性，主要应用在室内分布、WLAN、室外机柜站等环境恶劣的场景。其中室外机柜站点由于一年四季环境温差变化大，特别是夏季高温，被盗频繁等原因，该类型站点现网后备电源保障情况严峻，成本高。

本地区室外机柜都采用通风或热交换方式，夏季高温电池柜内温度可高达55 ℃，少数机柜甚至更高，铅酸电池一般两年就要更新替换。2012年底钱塘旅游公司室外基站，用150 Ah的集成式磷酸铁锂电池替换原有的200 Ah铅酸电池作为试点，通过测试两年来铁锂电池各项性能依旧良好。按今年本省集采价格计算，150 Ah铁锂电池价格为11 400元，原品牌200 Ah铅酸电池5 040元/组。而铁锂电池保修期为6年，6年内铅酸电池需更换3组共计费用15 120元，其中还不考虑更换及物流费用。另外室外站铅酸电池的被盗率很高，由于铁锂电池是新兴产品外界辨识率低，且暂无销赃渠道，被盗率很低。

从中长期看室外站推广使用集成式磷酸铁锂电池能起到降本增效的效果。通过交流了解，省内其他地区也存在类似情况，可见室外站用磷酸铁锂电池替代铅酸电池的需求尤为迫切。

3　安装施工

集成式磷酸铁锂电池顾名思义是集成于一体的，相比铅酸电池安装简单方便，工作量小。但现网在用的室外机柜电池仓尺寸都是根据铅酸电池设计的，而目前集成式铁锂电池都是扁平化的机架式设计，且不同厂家的尺寸都不相同。这导致部分厂家的单组电池无法安装到室外机柜中，或者电池无法并联组合安装，特别是一体化机柜，从现场安装反馈来看主要是机柜的深度不够。以本地区用某品牌的50 Ah铁锂电池为例，其尺寸为(宽×深×高)442×385×132(3U) mm，而现网部分在用的一体化机柜电池仓尺寸为500×365×222(5U) mm。由于这种机柜数量较多，针对这种情况，本地区采用定制一批电池箱，可壁挂或抱杆使用。

4　开关电源的参数设置

原开关电源中的参数是根据铅酸电池的特性及多年使用经验而设置的，当替换上磷酸铁锂电池，其参数应根据铁锂电池的特性作修改，同时因集成式磷酸铁锂电池自身带有电池管理系统(BMS系统)，出厂时系统内有告警、保护等各项默认值。如何提高两套系统的兼容性，如何调整设置开关电源原有参数，维护人员必须综合考虑，而不是简单地用铁锂电池替换。下面以本地区中恒室外一体化机柜为例进行开关电源参数的修改设置。

4.1　充电限流值

现网在用室外机柜开关电源的充电限流默认设定值为铅酸电池容量的0.1 C10，厂家提供的铁锂电池的充电电流范围0～1.0 C10之间可取。原先设置值0.1 C10可保留不做修改。但根据《通信用磷酸铁锂电池第1部分：集成式电池组》(YD/T2344.1-2011)行业标准第6.3.1条铁锂电池的标准充电电流取0.2 C10，厂家BMS系统中的默认值一般也参照行业标准取值，因此开关电源原充电限流值最好统一修改为0.2 C10。

另外从后备电源保障时长及经济性方面综合考虑，一般都用较小容量的铁锂电池来替换较大容量的铅酸电池。例如，原系统安装有50 Ah的铅酸电池一般用30 Ah的铁锂电池替换，而不会用50 Ah同等容量的铁锂电池。因此修正充电限流值的同时应注意电池容量值的修改，以保证铁锂电池能在标准充电电流下充电。

4.2　低压脱离值

低压脱离一般分为LVD1(一次下电)和LVD2(二次下电)，原铅酸电池对应开关电源参数默认值分别为46 V和44 V。铁锂电池低压脱离尚无一个确切的行业参考设置值，不同厂家提供的参数也不尽相同，二次低压脱离有43.2 V或44.8 V，一次低压脱离值也不同，就目前使用情况看厂家默认值不适用，即太高或太低。由于不同品牌、同一品牌不同批次的铁锂电池放电性能都有区别，应通过放电测试确定铁锂电池放电稳压平台值，即为一次低压脱离值的参考设定值，同时考虑负载大小做微调整，以确保抢修时间，减少基站退服率。

通过对三个不同厂家、不同批次的产品测试，根据放电电流大小，铁锂电池的放电平台上下浮动较大，因此一次下电取值尚需大量实验数据及行业标准来支撑。以本地区使用某品牌50 Ah铁锂电池为例，通过1 h、3 h、10 h放电率放电观察放电平台，同时综合考虑停电工单下派时间，该产品的电池放电曲线拐点在46.5 V左右。因此建议根据负载大小及站点地理位置远近，LVD1取值为46.5±0.5 V。

由于磷酸铁锂电池有BMS系统，其中默认有低压保护电压值40.0 V(一般单体取值2.5±0.1 V)，该值远低于放电截止电压43.2 V(一般单体取值2.7±0.1 V)，且铁锂电池具备可深度放电的特性，因此LVD2功能的设定多余，建议可关闭该功能。

4.3　温度补偿功能

为了满容量充电，铅酸电池温度补偿以25℃为基准，每升高(或降低)1℃，单体电压降低(或升高)3 mV。磷酸铁锂电池的化学特性决定充电温度允许范围宽，一般在-20～60℃之间有效，其高温特性曲线优良，低温特性0℃以下稍差。为解决这一问题厂家在BMS管理系统内部都装有热管理装置。以江苏的某产品为例，在环境温度低于0℃时热管理装置开启加热，达到一定的温度(15℃)关闭。因此，对磷酸铁锂电池而言没有必要启动温度补偿功能，一般产品出厂默认也不建议启动该功能。

4.4　均浮充转换

目前本地区铅酸电池开关电源满足表1中条件之一则均浮充转换。

表1　均浮充转换条件

现网用铅酸电池采用连续在线浮充电方式，而集成式磷酸铁锂电池则采用间歇式充电方式。间歇式充电方式共分为四个阶段，如图 1所示。

间歇式充电过程如下：

(1)恒流-限压充电阶段(T1)：此阶段中充电电流保持恒定，电压逐步升高，当电池最高电压或电池组端电压大于或等于规定的电压值后，结束此阶段充电；

图1 间歇式充电方式示意图

(2)恒压-限流充电阶段(T2)：此阶段中最大充电电流限制在允许充电电流之内，当电池最高电压等于设置值后，充电电流自动减小，当充电电流下降到规定值后，停止充电；

(3)电池组开路静置阶段(T3)：电池组完成整个恒流-恒压充电过程后，电池组由 BMS 控制进入充电回路开路静置状态，随时监测电源系统直流输出端电压，确保放电回路连通，若交流电停电，BMS 控制电池组无延迟进入放电状态；

(4)间歇式补充电阶段(T4) ：电池组充电回路处于开路静置状态，直至容量减少到电池组充电限制电压初始容量的 90%～95%SOC 时，由 BMS 控制电池组重新进入补充电状态，补充电方式也遵循恒流-恒压充电方式；

(5)电池组放电过程(T5)：电池组根据负载情况提供能量，当电池最低电压或电池组端电压达到终止电压时，停止放电。

从图1可知，集成式磷酸铁锂电池的充电过程是由BMS控制的，原有开关电源的均浮充转换条件是根据铅酸电池的特性及要求而设定。通过了解，不同铁锂电池厂家对均充周期、时长、及均浮充转换条件的设定值大不相同，且取值是参照铅酸电池设定。磷酸铁锂电池化学反应过程中不存在氧循环需求，单体电压一致性是由BMS管理控制，无需通过均充来保持一致性，这些方面与铅酸电池存在极大差别。且间歇式充电模式完全能满足铁锂电池的满容量充电需求，因此磷酸铁锂电池在开关电源上的均浮充转换条件、均充周期、均充时长等参数可不设定，避免两者重复管理。

5　结束语

随着集成式磷酸铁锂电池在通信行业的推广，在实际使用中企业管理者、技术人员应根据其自身特性，有针对性选择使用场景、优化参数设置，最大化地发挥铁锂电池的优点，而并不是简单作为铅酸电池的替换。特别是现场安装人员对开关电源参数及时正确地修改，把好使用前最后一关，对铁锂电池的普及应用和发挥效益是至关重要的。

参考文献：

[1]YD T 2344.1-2011.通信用磷酸铁锂电池组 第1部分：集成式电池组[S].工业与信息化部，2011.

[2]QB-H-005-2012.通信基站用磷酸铁锂电池[S].中国移动通信企业标准，2012.

[3]YDT 1537-2006 通信系统用户外机柜一般要求[S].工业与信息化部，2006.

[4]双登集团股份有限公司.通信用铁锂电池用户手册[Z].2011.

运营探讨

Application of Integrated LiFePO4Batteries in Base Station

XU Fei

(Hangzhou Branch, Zhejiang Company of China Mobile Communications Corporation, Hangzhou 310000, China)

Abstract:With the promotion of integrated LiFePO4batteries in communication industry, technicians should maximize their advantages by carefully choosing application scenes and optimizing parameter setting, rather than simply treat them as substitutes of lead-acid batteries. In this article, demand for and applicable scenes of LiFePO4batteries are analyzed and necessity to set various parameters of switching mode power supply are discussed.

Key words:integrated LiFePO4batteries; base station; application

中图分类号：TM912

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0116-03

作者简介：徐飞(1984-)，男，动力维护员，主要从事基站动力设备维护、节能减排及创新试点项目数据分析工作。

收稿日期：2014-12-25