通信用磷酸鐵鋰電池管理系統分析與設計

張 瑜，張 凈，陳昀昊

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 電池分類簡介

電池主要分為物理電池和化學電池兩類，其中物理電池在使用的過程中不產生化學反應，而化學電池則是通過電池內部的化學反應，將化學能轉變為電能的裝置，主要結構部分包括電解質溶液和浸入溶液的正負兩個電極，以及隔膜（或隔板）、外殼等，其應用更為廣泛。化學電池按工作性質可分為：一次電池（原電池）；二次電池（可充電電池，又稱蓄電池）；燃料電池。其中，一次電池可分為：鋅錳電池、堿性鋅錳電池、一次鋰錳電池等。二次電池可分為：鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰離子電池、二次堿性鋅錳電池、鉛酸電池等[1]。燃料電池可分為：氫氧燃料電池、甲醇-空氣燃料電池等。

2 通信領域蓄電池應用分析

目前在通信領域使用的蓄電池主要有鉛酸電池和鋰離子電池兩種類型，其結構如圖1所示。鉛酸電池作為二次電池的主流產品，歷史悠久，被廣泛應用于汽車啟動、通信、鐵路、牽引、儲能和應急照明等領域。其特點為：工作電壓較高，使用溫度寬，高低速率放電性能良好，原料來源豐富，價格低廉，生產及回收技術較為成熟；但其能量密度較低，導致體積、重量較大，且循環壽命相對較短、比能量低、自放電大，對環境有危害。鋰離子電池作為符合電池工業發展的三大特點的熱門產品，被廣泛應用于手機、便攜式數碼產品、電動工具、電動汽車和儲能設備等產品中，其充放電工作原理如圖2所示。

圖1 兩種電池結構

圖2 鋰電池充放電工作原理

隨著鋰電池的快速發展，其在通信行業的應用日益普遍，在應用過程中，其各項性能指標的優異性逐漸突顯。鋰電池體積小，重量輕，以磷酸鐵鋰電池為例，其重量約為相同容量鉛酸電池的1/2，其體積約為鉛酸電池的1/3，這樣既便于鋰電池的安裝，又降低了對機房承重能力的要求，還能很大程度節省機房空間；另外鋰電池高溫性能優異，工作環境溫度比鉛酸電池高10～15 ℃，其環境適應性更高，對空調制冷的要求更低，可有效減少空調能耗，降低機房設備的運行成本；鋰電池的使用壽命長，相同環境下，鋰電池的循環壽命為鉛酸電池的2～4倍，環境溫度越高，鋰電池循環壽命相對更長的特點越明顯；鋰電池還具有可高功率、深度放電、自放電小、可快速充電的特點，能量轉化率高，可減少能量損耗，原料安全，節能環保[2]。然而在應用的過程中，也發現了鋰電池存在的一些問題，如：低溫性能稍差，不具有抗過充電和過放電的能力，過充電將導致電池不可逆損壞，成本較高，安全性不及鉛酸電池等。這些問題都有待繼續研究并克服。

安全性問題作為最基礎的問題，是所有工作開展的重要前提和保障，鋰電池的安全性也是通信行業關注的焦點。鋰電池的安全性與其管控系統息息相關，面對電池行業的廣闊前景和鋰電池的優良性能以及存在的問題，研究鋰電池管理系統具有較高的研究意義和實用意義，本文將基于鋰電池在通信行業的應用，針對其管理系統的必要性，提出設計要求。

3 電池管理系統的必要性

電池管理系統（Battery Management System, BMS）是鋰電池系統關鍵管控部件，BMS相關技術直接關系到鋰電池本身的各種性能指標及可靠性，以及其應用場景的正常運行和安全性[3]。

目前基站用通信后備電池已大量應用鋰電池，如磷酸鐵鋰電池，采用15只或16只3.2 V電芯串聯組成，電池模塊中集成了單板BMS，用MOS管實現電池的充放電管理，而在數據中心備電系統中，電池往往由幾十只甚至幾百只以上電池串聯成電池簇構成，并且電池簇還需多簇并聯，要對這些電池簇進行管控，BMS則是必不可少的，48 V磷酸鐵鋰電池用BMS原理圖如圖3所示。

圖3 48 V磷酸鐵鋰電池用BMS原理圖

由于電池在生產和使用過程中，電池本身以及使用環境、使用程度的差異會導致電池內阻、電壓、容量等參數不一致，主要表現為電池組充滿電或電量放完時，其串聯電壓或能量不同[4]。若沒有電池管控系統，電池各種參數的不一致又會導致部分電池在充電過程中出現過充的情況，在放電過程中部分電池又可能被過放，從而使電池組差異性進一步加大，也會進一步促使過充和過放現象的發生，長此以往，形成這種惡性循環，使得整體容量急劇下降，而電池組表現出來的容量為電池組中性能最差的電池的容量，這將最終導致電池組提前失效。另外，如果鋰電池的過溫、過充、過放、單體一致性等管控不到位，容易引起電池熱失控，導致起火爆炸等安全事故。因此，要實現鋰電池的安全應用，對各種因素引起熱失控的防控是關鍵，必須有專門的BMS進行統一檢測并控制，避免由于各種因素導致鋰電池出現熱失控，從而引起嚴重的安全事故。

4 電池管理系統的設計要求

電池管理系統不僅僅能對電池起到均衡保護的作用，還能具備更多的管理功能，如單體電池的電壓、電流、溫度、內阻等檢測，設定電壓、電流的超限報警及控制，通過合適的算法精確計算電池的剩余容量，評估每只電池的健康狀態等，保證電池能穩定、可靠、高效的運行，提高電池的使用壽命等[5]。

BMS可實時采集、處理、存儲電池組運行過程中的重要信息，并與外部設備進行信息交換，在電池組運行過程中實時告警和保護，其具體功能如下文所述。

（1） 實時采集鋰電池的各種參數：單體電芯工作的電壓、電池組的總電壓、電流，電池工作環境的溫度。

（2）告警和保護：在電池使用過程中，實時采集電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流，并根據設置的閾值進行告警或保護，防止電池發生失控。

（3）SOC估算：根據實時采集的鋰電池參數，利用合適的算法，準確估算鋰電池組的剩余電量，并將SOC維持在合理的范圍內，防止由于過充電或過放電對電池造成損傷，有效保護鋰電池。

（4）直觀顯示電池組工作時的實時數據。

（5）通訊傳輸功能：將實時采集的參數和鋰電池的實時工作情況傳輸給其他設備，便于數據的同步更新，為人工管理操作提供條件。

（6）數據存儲及分析：利用存儲的歷史數據，進行分析，篩選出有問題的電池，以保證電池組的高效穩定運行。

（7）單體電池間的能量均衡，即為單體電池均衡充電，使電池組中每個電池都達到均衡一致的狀態。

（8）短路保護功能：具有對輸出短路的檢測及保護功能，防止電池因外接短路而失效。

（9）防反接功能：具有防反接電路，可避免系統上電后，因并聯安裝時電池接線反接導致保護板燒毀。

（10）休眠及喚醒功能：為了減小電池在空閑狀態下的自放電，可通過BMS設置使電池進入休眠狀態，并在一定條件下自動喚醒。

關于BMS的功能和性能，仍然有亟待提高和改善的地方：采集參數的精確性，是BMS功能實現和性能優良的重要參考指標。如何實現數據的精確采集，需要通過硬件的提升來完成；歷史數據的處理和分析也是一個重要的環節，可結合先進的信息處理技術以及大數據智能算法，分析和預測鋰電池工作狀態及存在的問題，并利用軟件控制技術，做出預防保護，以此保障鋰電池的可靠性；均衡技術是電池管理系統的一項關鍵技術，關系到鋰電池組中各個電池的一致性，以及整個鋰電池組的性能，也是相關行業正在努力研究的方向。

5 結 論

鋰電池因其優良的特性，得到相關行業的青睞，這是鋰電池發展的機遇，但針對鋰電池在應用中存在的問題，是對鋰電池持續發展提出的挑戰，因此仍然需要提高電池管理技術，加強對鋰電池的維護和監測管理，不斷完善鋰電池的安全性能，以保障鋰電池的穩定持續發展，為能源技術的發展和利用提供更多的可能性。