基于ARM的磷酸铁锂电池组自动巡检方案

2023-01-31陈业欢韦冰奇邓钰川

通信电源技术 2022年20期

陈业欢，韦冰奇，邓钰川

（中国移动通信集团广西有限公司北海分公司，广西北海 536000）

0 引言

面向5G网络建设，积极开展电源配套设备的改造升级，满足网络发展需要。随着磷酸铁锂电池在通信网络中的规模应用，其技术经济优势愈加凸显。磷酸锂电池具有重量轻、占地面积小、高倍率放电容量损失小、工作温度范围较宽以及循环寿命高等技术特点。与传统铅酸电池比较，节约了机房空间，便于更多主设备部署，同时可调高机房温度，节省空调耗电，降低机房PUE，有条件的地区还可结合BMS功能进一步开展“削峰填谷”应用，节省站点电费。目前，通信行业新建汇聚机房、基站、室外一体化机柜等动力配套，已逐步采用磷酸铁锂电池作为后备电源，基于高级精简指令集（Advanced RICS Machine，ARM）的锂电池组巡检仪方案解决磷酸铁锂电池在使用过程中的隐患发现率低、可维护差等短板问题[1]。

蓄电池组作为直流不间断供电系统和交流不间断供电系统的后备电源，当市电停电时，由蓄电池组保障供电，确保业务不掉电。因原厂设计及成本问题，现网中磷酸铁锂电池模块没有人机交换液晶窗口，这给作业人员带来极大不便利性。以某机房为例：该机房配置2组磷酸铁锂电池组（600 Ah/每组），每组由12个磷酸铁锂电池模块并联构成，每个模块采用16只3.2 V电芯串联集成。按照维护作业标准，每月须对蓄电池组进行一次15～30 min放电测试，每年需要对蓄电池组进行一次5～10 h率核对性容量放电实验。测试过程需对电芯数据进行详细记录，传统记录方式为电话后台监控人员核对或个人计算机（Personal Computer，PC）连接逐个读取磷酸铁锂电池模块。因监控数据上传平台存在较长时延以及PC连接逐个读取效率低等问题，无法实时掌握锂电池模块电芯数据变化，往往造成对磷酸铁锂电池组整体性能误判[2]。

1 设计方案

1.1 电池管理系统

电池管理系统（Buttery Management System，BMS），如图1、图2所示为磷酸铁锂电池模块管理和保护的核心组件，每个磷酸铁锂电池模块均内置有BMS。BMS主要由直流/直流转换电路、微控制器（Microcontroller Unit，MCU）处理单元、电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、充放电MOSFET管理电路、通信模块以及LED显示等组成。各电路采集到的数据经过MCU处理单元进行处理与分析，遵循Modbus协议格式约定，通过RS485串口向外界传递信息，同时也支持设定参数反向修改。

图1 BMS拓扑结构

图2 BMS管理单元

1.2 方案总框架

现网中磷酸铁锂电池模块大部分未含液晶屏，模块的状态只能通过指示灯状态进行判断。如需进一步解读指示灯状态含义，往往需要借助PC读取BMS数据或查阅说明手册，大幅度降低了维护效率。磷酸铁锂电池模块通过BMS，在遵循RS485接口Modbus协议约定条件下，向外界传递信息（电芯电压、电芯温度、剩余容量荷电状态、参数设定值等）。因多个磷酸铁锂电池模块并联安装在同一机柜内，上下模块之间通信口采用级联方式，多模块级联后在机柜顶部引出T+、T-串口线与动环现场监控系统（Field Supervision Uniti，FSU）相连，从而实现动环联网监控。本方案优点在于不影响原动环监控系统结构，在此基础上进行拓展，在机柜顶部设计一个与T+、T-串口线并联的快速接线端，便于使用巡检仪时快速接入。在Modbus协议约定中，一条总线只允许存在一个主机，从机可设置多个。故设FSU为主机，巡检仪及BMS均为从机。按程序设定，FSU每间隔1 min完成一次机柜内锂电池模块数据读取，当FSU发送读取指令，对号锂电池模块才进行应答，应答的内容发布在串行总线上。在此应答过程中，巡检仪始终扮演“监听”角色，如图3所示“监听”到的数据经过巡检仪ARM处理器分析后向手机App传递，使用App查阅数据提高了现场作业人员维护效率及隐患处理率，进一步推进磷酸铁锂电池应用，保障通信电源系统的稳定、可靠运行[3]。

图3 方案框架示意

1.3 硬件设计及软件设计

（1）硬件设计。巡检仪采用树莓派开发板作为核心电路，如图4所示，其CPU为ARM Cortex-A72，内存为 4G LPDDR4，无线网卡为 2.4 GHz和 5.0 GHz IEEE 802.11ac，电源输入可通过 USB-C 连接器 5 V DC电源，为便于携带测试，本方案内置可充电电池，内置电池可连续供电72 h。树莓派开发板是一款体积小、功能强大的硬件，支持多种格式协议，相关引脚根据需求可灵活配置多路串口，串口能实现工业通信Modbus协议约定。巡检仪通过快速接口并入动环监控系统，能实时对总线进行监听，不影响主机与其他从机之间对话，1 min完成一次数据轮询采集，该时间约定由FSU主机决定，如提高采集频次可调整采集间隔时间。巡检仪对各磷酸铁锂电池模块BMS应答的数据均移入ARM处理器进行处理，数据经解读处理后通过Wi-Fi向手机APP传递，便于现场维护作业人员对磷酸铁锂电池组性能评估。

图4 树莓派开发板及巡检仪成品

（2）软件设计。巡检仪上部署JDK，其运行程序及App均采用Java语言编写，手机App分5个功能模块Wi-Fi连接、实时数据、历史数据、告警信息、系统设置。巡检信息丰富，包含电芯电压、电芯温度、健康状态（State Of Health，SOH）、容量荷电状态（State Of Charge，SOC）、循环次数等信息，具备告警设置功能以及报表统计自动生成功能，相关报表格式可根据维护作业要求进行设定。当基本参数设置完成，巡检仪进入自动巡检状态，数据根据协议约定时间进行同步更新。

2 设计方案应用及效益

磷酸铁锂电池组在通信行业中存在多种品牌，因各个品牌之间原始文本协议存在差异，需逐个品牌进行协议解析，通过原厂提供原始文本协议，目前主流品牌均已完成解析，支持多品牌应用。该方案已在50个机房上推广应用，已大幅度提升维护作业效率及隐患排查率，保障了通信电源系统稳定、可靠运行。

2.1 维护作业

以某机房为例，传统维护作业，每月须对蓄电池组进行1次放电测试并记录电芯数据，记录385条电芯数据，每年进行1次蓄电池组核容放电测试，每小时记录数据1次，记录3 465条电芯数据。上述维护作业数据均靠人工抄录，作业效率低。应用此设计方案后，作业报表根据需求排版，App设置数据记录间隔时间，数据根据设置时间进行存盘，无需人工记录，App实现自动化采集，大幅度提升维护作业效率。应用方案前，月度作业测试需2人配合，1人测试，1人记录，因人工记录的工作量大，每天只能进行8组电池测试。应用方案后，无需人工记录，每天每1人可进行24组电池测试。利用技术手段进行电池组智能化管理，在减少人工情况下，提升3倍效率，实现降本增效[4]。

2.2 隐患排查

在集中化动环监控系统上，数据定时记录存盘会占用大量硬件存储空间，为避免造成建设成本投入过大，按动环监控系统B接口规范，FSU往动环监控系统平台送的数据只有磷酸铁锂电池组总电压及电芯电压，其他数据FSU已全量解析但未上送。未上送的数据包含电芯温度、SOH、SOC、循环次数、告警值、BMS保护值设定等。为更好地检查电池组健康度，检查BMS性能是否完善，每月利用巡检仪对上述数据校对，解决了作业人员现场查看全量数据难等问题，同时避免电池组存在隐患导致热失控风险。App界面如图5所示。

图5 App部分界面

2.3 系统创新点

基于ARM的磷酸铁锂电池组自动巡检方案中的巡检仪属于便携式设备，即用即插。其创新点在于不影响动环监控系统结构，硬件改动幅度小，利用Modbus工业通信协议进行二次开发，将磷酸铁锂电池BMS中关注度低的关键数据进行呈现，做到全面维护。设计方案大幅度降低了人工维护成本，提升了机房安全管理率，有良好的经济效益及安全效益[5]。