智能鋰電池及應用探討

陶現名

（中國鐵塔股份有限公司 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在通信領域，對傳統鋰電池構成了一定威脅，也給專業人士帶來了不少困惑。本文展開對智能鋰電池內部構造和并聯均衡能力的機理研究，并對比傳統鋰電池的特點，探討智能鋰電池在通信基站應用的實用價值。

1 智能鋰電池構成與特點

1.1 智能鋰電池構成

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、開關及保險絲等與電池電芯集成在一個密閉的金屬殼體內，就構成了一組智能電池，即電池PACK。通信電池PACK的標稱電壓為48 V，由15或16個3.2 V磷酸鐵鋰電池電芯模組串聯而成，每個電池電芯模組實際由若干個電芯單體并聯而成。

圖1 智能鋰電池結構

1.2 智能鋰電池的特點

智能鋰電池與傳統鋰電池的區別在于，智能鋰電池采用雙向DC-DC替代傳統鋰電池的充、放電電路，放電電壓可以穩定在一個預先設定的數值上，而且精度很高。智能鋰電池放電保護采用限功率模式，輸出電流可以穩定在最大值。而傳統鋰電池放電電流保護一般采用關斷保護模式，當電池輸出電流超過設定值時，放電開關關斷。因此，傳統鋰電池在容量配置上會考慮一定的富余量，避免因一個電池PACK保護而引起群體電池出現多米諾骨牌效應。

2 智能鋰電池并聯

2.1 并聯均衡表象

當多個智能鋰電池PACK并聯放電時，如果將電池PACK的端電壓調整一致，那么用鉗流表測量每個PACK的放電電流（I1～I4）可以發現結果基本均衡，即I1=I2=I3=I4。但這只是表象，實際上用鉗流表測量到的電流并不是智能鋰電池內部電芯的電流，而是電池電芯經雙向DC-DC放電輸出的電流。智能鋰電池并聯拓撲如圖2所示。

圖2 智能鋰電池并聯拓撲圖

2.2 并聯均衡真相

如圖3所示，鋰電池中引入了雙向DC-DC后，PACK內部就形成了內側和外側兩個電流回路。其中，外側回路與開關電源和通信負載RL相連，內側回路則與電池電芯相連，內外兩個回路通過磁鏈Ψ進行能量轉換。當外側回路電流達到均衡時，內側回路電流就只與各自的等效電阻相關，如果R1≠R2≠R3≠R4，則I5≠I6≠I7≠I8。顯然，只有當PACK內電芯參數高度一致時，電流I5～I8均衡才能成立[1,2]。如果讓15串電芯PACK與16串電芯PACK并聯，當兩者的電壓一致時，兩個PACK的輸出電流就一致，但內部電芯電流則完全不一致，因為相差了一個電芯模組。可見，從PACK外部測量到的電流不能代表PACK內部電芯的真實電流。

圖3 引入雙向DC-DC的智能鋰電池并聯拓撲圖

2.3 智能鋰電池并聯技術溯源

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，內置電池一般難以滿足微站長時間備電的需要。擴充電池容量的一個方案是將電池包結構做成與微站主設備模塊一樣，然后插入主設備機框進行供電。因為這種電池模塊是片狀結構，所以俗稱刀片電池。刀片電池利用內置雙向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，也是利用其內部的雙向DC-DC模塊，解決與其他電池或電源并聯電壓匹配的問題，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營商移交而來，加上前些年鐵塔公司對共站址基站進行整合后，很多基站都出現了品牌不同、新舊不同以及容量不同的差異電池組。特別是近幾年，鐵塔公司推進動力電池梯級利用，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重，電池并聯就成了一道難題。

3.2 鐵塔基站電池并聯方案

面對基站電池的復雜局面，鐵塔公司從成立之初就開始尋求差異電池組并聯使用的解決方案，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現差異電池組的并聯，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[5]。電池共用管理方案的組網結構如圖4所示[6]。

圖4 電池共用管理方案組網結構

3.3 兩種方案的比較

智能鋰電池并聯方案與電池共用管理方案的相同之處在于，電池充放電轉換都采用了雙向直流轉換模塊。不同之處在于智能鋰電池的雙向直流轉換模塊集成在電池PACK內部，只為一個PACK專用，當電池報廢后，這些模塊隨之報廢，經濟性較差。在電池共用管理方案中，雙向電源轉換模塊共同集成在一個機箱內，構成了一個專門管理電池并聯的專用設備，即電池共用管理器，不會隨電池的報廢而報廢，經濟性較好。

4 智能鋰電池其他應用探討

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匹配。曾用一組100 Ah智能鋰電池與一組200 Ah鉛酸電池并聯做放電實驗，發現在接通負載前，鉛酸電池會向鋰電池充電，接通負載后兩組電池才一起對負載放電。整個放電過程中，兩組電池電流差異在15%～50%，且前半段時間鉛酸電池電流較大，后半段時間鋰電池電流較大，直到放電結束。試驗說明，智能鋰電池與其他電池混搭時，仍會出現環流現象，電池電流也不會完全均衡。

4.2 智能削峰

對于個別站點，建站初期市電引入容量偏小。當5G設備上電后，一旦到了業務高峰時段，開關電源直流輸出電壓就會有所下降[7]。在此期間，智能鋰電池的電壓會跟隨開關電源的直流輸出電壓調整，然后共同承擔負載電流，減小市電壓力，實現智能削峰。實際上，當開關電源直流輸出電壓開始下降時，其他電池就會參與開關電源放電，缺多少電流，電池就輸出多少電流，負載電流始終不出現中斷。因此，在有開關電源存在的情景下，智能削峰與電池屬性沒有必然聯系。

4.3 恒壓模式

智能鋰電池因內部集成了雙向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端或塔頂電源電纜上的壓降，有利于大功率負載拉遠或上塔。因此，一些基站采用了智能鋰電池進行升壓。不過，并非基站所有設備都需要升壓，也沒有必要讓基站電池全部升壓，反而增加了升壓設備損耗和引起直流過壓告警。必要時，運營商會在基站端為拉遠或上塔設備配備升壓型DC-DU，解決恒壓問題。

4.4 并聯擴功率

智能鋰電池的過流保護是在輸出電流達到保護點時，恒功率輸出，因此并功率系數可以取1。而傳統鋰電池的過流保護是在輸出電流達到保護點時切斷輸出，此時并功率系數不能取1。常規方法配置電池容量時，普通鋰電池會考慮一定富余量，以防電池過流關斷。不過，由于基站負荷的變動范圍較寬，電池容量配置實際無法精確到理想值，只要負荷電流達到過流點，無論哪種鋰電池，都不能保證負載內部的二次電源、三次電源電壓穩定。實際上，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，已遠離電池過流保護點[9,10]。因此，并功率系數1對電池并聯擴功率沒有實際意義。

5 結 論

智能鋰電池本質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，實際是其內部雙向DC-DC輸出電路的并聯，而不是鋰電池電芯的并聯。并聯電流的均衡實際是其內部雙向DC-DC輸出電流的均衡，并非鋰電池內部電芯電流的均衡，只有當并聯鋰電池內部完全一致時，電池電芯電流才是均衡的。智能鋰電池之間的并聯應該是相同電池并聯，而且是相同時期、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使用。當完全相同的智能鋰電池并聯時，由于其內部基本沒有差異，雙向DC-DC實際上并沒有發揮作用，反而增加了功率損耗和電池成本。因此，智能鋰電池應該用在哪里才能發揮其價值值得繼續探討。