通信用磷酸铁锂电池管理系统分析与设计

2022-01-10陈昀昊

通信电源技术 2021年13期

张瑜，张净，陈昀昊

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 电池分类简介

电池主要分为物理电池和化学电池两类，其中物理电池在使用的过程中不产生化学反应，而化学电池则是通过电池内部的化学反应，将化学能转变为电能的装置，主要结构部分包括电解质溶液和浸入溶液的正负两个电极，以及隔膜（或隔板）、外壳等，其应用更为广泛。化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池，又称蓄电池）；燃料电池。其中，一次电池可分为：锌锰电池、碱性锌锰电池、一次锂锰电池等。二次电池可分为：镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池、铅酸电池等[1]。燃料电池可分为：氢氧燃料电池、甲醇-空气燃料电池等。

2 通信领域蓄电池应用分析

目前在通信领域使用的蓄电池主要有铅酸电池和锂离子电池两种类型，其结构如图1所示。铅酸电池作为二次电池的主流产品，历史悠久，被广泛应用于汽车启动、通信、铁路、牵引、储能和应急照明等领域。其特点为：工作电压较高，使用温度宽，高低速率放电性能良好，原料来源丰富，价格低廉，生产及回收技术较为成熟；但其能量密度较低，导致体积、重量较大，且循环寿命相对较短、比能量低、自放电大，对环境有危害。锂离子电池作为符合电池工业发展的三大特点的热门产品，被广泛应用于手机、便携式数码产品、电动工具、电动汽车和储能设备等产品中，其充放电工作原理如图2所示。

图1 两种电池结构

图2 锂电池充放电工作原理

随着锂电池的快速发展，其在通信行业的应用日益普遍，在应用过程中，其各项性能指标的优异性逐渐突显。锂电池体积小，重量轻，以磷酸铁锂电池为例，其重量约为相同容量铅酸电池的1/2，其体积约为铅酸电池的1/3，这样既便于锂电池的安装，又降低了对机房承重能力的要求，还能很大程度节省机房空间；另外锂电池高温性能优异，工作环境温度比铅酸电池高10～15 ℃，其环境适应性更高，对空调制冷的要求更低，可有效减少空调能耗，降低机房设备的运行成本；锂电池的使用寿命长，相同环境下，锂电池的循环寿命为铅酸电池的2～4倍，环境温度越高，锂电池循环寿命相对更长的特点越明显；锂电池还具有可高功率、深度放电、自放电小、可快速充电的特点，能量转化率高，可减少能量损耗，原料安全，节能环保[2]。然而在应用的过程中，也发现了锂电池存在的一些问题，如：低温性能稍差，不具有抗过充电和过放电的能力，过充电将导致电池不可逆损坏，成本较高，安全性不及铅酸电池等。这些问题都有待继续研究并克服。

安全性问题作为最基础的问题，是所有工作开展的重要前提和保障，锂电池的安全性也是通信行业关注的焦点。锂电池的安全性与其管控系统息息相关，面对电池行业的广阔前景和锂电池的优良性能以及存在的问题，研究锂电池管理系统具有较高的研究意义和实用意义，本文将基于锂电池在通信行业的应用，针对其管理系统的必要性，提出设计要求。

3 电池管理系统的必要性

电池管理系统（Battery Management System, BMS）是锂电池系统关键管控部件，BMS相关技术直接关系到锂电池本身的各种性能指标及可靠性，以及其应用场景的正常运行和安全性[3]。

目前基站用通信后备电池已大量应用锂电池，如磷酸铁锂电池，采用15只或16只3.2 V电芯串联组成，电池模块中集成了单板BMS，用MOS管实现电池的充放电管理，而在数据中心备电系统中，电池往往由几十只甚至几百只以上电池串联成电池簇构成，并且电池簇还需多簇并联，要对这些电池簇进行管控，BMS则是必不可少的，48 V磷酸铁锂电池用BMS原理图如图3所示。

图3 48 V磷酸铁锂电池用BMS原理图

由于电池在生产和使用过程中，电池本身以及使用环境、使用程度的差异会导致电池内阻、电压、容量等参数不一致，主要表现为电池组充满电或电量放完时，其串联电压或能量不同[4]。若没有电池管控系统，电池各种参数的不一致又会导致部分电池在充电过程中出现过充的情况，在放电过程中部分电池又可能被过放，从而使电池组差异性进一步加大，也会进一步促使过充和过放现象的发生，长此以往，形成这种恶性循环，使得整体容量急剧下降，而电池组表现出来的容量为电池组中性能最差的电池的容量，这将最终导致电池组提前失效。另外，如果锂电池的过温、过充、过放、单体一致性等管控不到位，容易引起电池热失控，导致起火爆炸等安全事故。因此，要实现锂电池的安全应用，对各种因素引起热失控的防控是关键，必须有专门的BMS进行统一检测并控制，避免由于各种因素导致锂电池出现热失控，从而引起严重的安全事故。

4 电池管理系统的设计要求

电池管理系统不仅仅能对电池起到均衡保护的作用，还能具备更多的管理功能，如单体电池的电压、电流、温度、内阻等检测，设定电压、电流的超限报警及控制，通过合适的算法精确计算电池的剩余容量，评估每只电池的健康状态等，保证电池能稳定、可靠、高效的运行，提高电池的使用寿命等[5]。

BMS可实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息，并与外部设备进行信息交换，在电池组运行过程中实时告警和保护，其具体功能如下文所述。

（1）实时采集锂电池的各种参数：单体电芯工作的电压、电池组的总电压、电流，电池工作环境的温度。

（2）告警和保护：在电池使用过程中，实时采集电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流，并根据设置的阈值进行告警或保护，防止电池发生失控。

（3）SOC估算：根据实时采集的锂电池参数，利用合适的算法，准确估算锂电池组的剩余电量，并将SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池造成损伤，有效保护锂电池。

（4）直观显示电池组工作时的实时数据。

（5）通讯传输功能：将实时采集的参数和锂电池的实时工作情况传输给其他设备，便于数据的同步更新，为人工管理操作提供条件。

（6）数据存储及分析：利用存储的历史数据，进行分析，筛选出有问题的电池，以保证电池组的高效稳定运行。

（7）单体电池间的能量均衡，即为单体电池均衡充电，使电池组中每个电池都达到均衡一致的状态。

（8）短路保护功能：具有对输出短路的检测及保护功能，防止电池因外接短路而失效。

（9）防反接功能：具有防反接电路，可避免系统上电后，因并联安装时电池接线反接导致保护板烧毁。

（10）休眠及唤醒功能：为了减小电池在空闲状态下的自放电，可通过BMS设置使电池进入休眠状态，并在一定条件下自动唤醒。

关于BMS的功能和性能，仍然有亟待提高和改善的地方：采集参数的精确性，是BMS功能实现和性能优良的重要参考指标。如何实现数据的精确采集，需要通过硬件的提升来完成；历史数据的处理和分析也是一个重要的环节，可结合先进的信息处理技术以及大数据智能算法，分析和预测锂电池工作状态及存在的问题，并利用软件控制技术，做出预防保护，以此保障锂电池的可靠性；均衡技术是电池管理系统的一项关键技术，关系到锂电池组中各个电池的一致性，以及整个锂电池组的性能，也是相关行业正在努力研究的方向。