磷酸铁锂离子电池组在铁塔基站的实际应用
针对锂离子电池组的特性,在基站直流开关电源应用设置时,只须把浮充电压和均充电压调整到锂离子电池组所要的充电电压即可,(同时必须在通信设备直流供电电压范围内)因为锂离子电池组即便是长期处于充电状态下,由于自身的BMS保护功能,电池性能是不会发生改变的。
例如:某基站后备电池组,采用48V-300Ah梯次磷酸铁锂离子电池组,每组电池由16个3.2V/100Ah的单体电池串联组成,其中300Ah的电池是由3组100Ah的电池组并联组成的,每个电池组有一个BMS控制系统,如图10所示。
在安装电池组对电池组进行了补充充电后,将电池组分别进行了0.33C10在线测试放电情况。测试场景如图11所示。一组300Ah电池组容量测试曲线如图12所示。
用智能电池组放电仪测试后,在线并入直流供电系统中。此时开关电源充电压设置为56.8V,充电电流限制为每组30A。
梯次磷酸铁锂离子电池配置要求
1梯级电池模组按照标称容量可分为15、25、30、50、100、130、150、200Ah等容量系列。标称容量应为退役锂离子电池成组后容量;
2梯级电池规格系列按照安装方式可分为嵌入式、落地架式和落地箱式三种,容量在50Ah及以下的梯级电池,以嵌入式为主;
3容量要求:梯级电池在不同工作温度条件下应满足表3所示的容量要求;
4梯级电池电芯要求:梯级电池所使用的单体电芯容量需达到电芯初始标称容量的70%;
5输出电压范围:梯级电池应采用16串方式,电池组额定电压为51.2V,工作电压范围41.6V～60.0V;
6环境要求:梯级电池组应在无腐蚀性、爆炸性和破坏绝缘的气体及导电尘埃环境下正常工作。工作温度范围:-5～45℃;注:-5℃以下应采取加热、保温措施。相对湿度范围:≤95%(45℃±2℃),大气压力范围:70kPa～106kPa;
7使用寿命:在环境温度为25℃±2℃条件下,电池组80%DOD0.33C3循环寿命应不少于表4所列工况下的次数要求。
在环境温度25℃±2℃的条件下,磷酸铁锂离子电池组在备电工况下的寿命应不小于6年。
梯次磷酸铁锂离子电池的功能要求
休眠功能
梯级电池应具有休眠功能,在运输、贮存或离线状态下,电池组BMS应处于彻底断开状态;当电池组由在线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界连通的状态)转入离线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界断开的状态)时,BMS应具有甄别功能,根据电力及电池组状况自动进入休眠。当电池组由离线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界断开的状态)转入在线状态(即电池组输出端正负极、通信接口与外界连通的状态)时,BMS应能判别并自动激活,且根据电力及电池组状况调整工作状态。
电加热功能
当梯级电池用于-5℃及以下的场景时,应配置直流电加热装置(需根据实际情况进行控制调整温度),电池组应有专门的散热设计,以保证加热均匀使得设备正常工作。
充电限流管理功能
梯级电池应具有自主限流充电功能,保证工作范围内的电压输入时,电池组能够正常充电。充电限流值应设定在0.1C3(A)～0.2C3(A)之间,默认值为0.2C3(A)。
充电总电压过高保护
梯级电池应具有充电总电压过高保护功能,当充电到总电压告警点时告警,到保护点时保护,用途于切断,当总电压下降到恢复点时恢复充电。
放电总电压过低保护
梯级电池应具有放电总电压过低保护功能。当放电到总电压低告警点时应切断放电电路并告警,一段时间后电池组应进入休眠模式。
放电单体电压过低保护
梯级电池应具有放电时单体电池电压过低保护功能,放电到单体电压告警点时告警,到保护点时保护,用途于切断,一段时间后电池应进入休眠模式。
放电过流管理
梯级电池应具有根据用户的要设置的输出过流保护功能,保护期间应切断电路并告警。
电池高温保护功能
梯级电池自身应具有电池高温保护功能,当电池温度达到告警点时告警;到保护点时保护,用途于切断;温度回落到一定值后自动恢复。
电池低温保护功能
梯级电池自身应具有电池低温保护功能,当电池温度达到告警点时告警;到保护点时保护,用途于切断;温度回升到一定值后自动恢复。
电池组荷电状态(SOC)计算
梯级电池应具备动态荷电量计算功能,计算值与电池实际电量的误差应不大于5%。
输出短路保护
梯级电池输出端正负极发生直接短路时,应在瞬间自动切断电路并告警,BMS和电芯应不损坏(包括不打火、变形、漏液、冒烟、起火或爆炸);故障排除后,应能手动或自动恢复工作。
梯级电池监控技术要求
遥测量
可进行电池组/电池电压、荷电状态(SOC)、电池组充电/放电电流、循环次数(放电超过标称容量80%为1次循环)、环境温度/电池组温度、电池组内阻(可选)的遥测监控以及历史数据查询、故障日志查询等功能。
遥信量
可采集梯级电池的充电/放电状态、电池组过充/过流告警、电池组放电欠压/过流告警、单体充电过压告警(可选)、单体放电欠压告警(可选)、电池组极性反接告警、环境/电池组/PCBA板高温告警(可选)、环境低温告警、电池组容量过低告警、电池组温度/电压/电流传感器失效告警、单体失效告警(可选)、电池组失效告警(可选)等遥信量指标。
遥控量
可进行告警声音开/关、智能间歇充电方式、限流充电方式、充电开启/关闭、放电开始/停止等遥控操作。
遥调量
梯级电池的BMS各种检测项目的功能状态及参数设置范围应包括表5所示的内容。
梯次磷酸铁锂离子电池安装和维护要求
1电池组表面应清洁,无明显变形,无机械损伤,接口触点无锈蚀;电池组表面应有必需的产品标识,且标识清楚;电池组的正、负极端子及极性应有明显标记,接线方式应为前出线方式,便于连接;电池组的电源接口、通讯(或告警)接口应有明确标识;
2梯级锂离子电池组的19英寸标准机械电气单元的容器外壳、安装架或箱应为金属材质,且结构上便于搬运;
3安装梯级电池为了便于调测以及后期维护,需将铁锂离子电池面板朝外,将梯级电池可靠固定到电池架上或一体化机柜内;
4梯级电池布放梯级电池连接线,将电池线分别连接至电源柜内保险铜排上口端子或蓄电池管理空开上,做好线缆的标签标识;
5布放电池监控线,将铁锂离子电池组连接至FSU-RS485通信端;
6铁锂离子电池梯级电池接入系统,各类线缆连接完成之后,用万用表对蓄电池的输出电压,进行检测将检测的数据做好记录,调整开关电源输出电压至梯次电池当前电压值;
7调整开关电源参数,各类线缆连接完成之后,用万用表对蓄电池的输出电压进行检测,将检测的数据做好记录;
8梯次磷酸铁锂离子电池运行环境的要求:根据电池的环境要求,室温温度不宜超过55℃,防止阳光对电池直射,朝阳窗户应作遮阳处理,确保电池组之间预留足够的维护空间;
9梯次磷酸铁锂离子电池使用注意事项通过动环集中监控系统与BMS实时的对电池组的总电压、电流、单体电压SOC、SOH、温度进行监测。同时,通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能,定期进行测量,发现故障及时处理;
10梯次磷酸铁锂离子电池经常检查的项目:应经常检查梯次磷酸铁锂离子电池模块的极柱连接线(条)是否松动、是否有损伤、变形或腐蚀等现象;连接处有无松动、电池模组有无损伤、渗漏和变形、电池及连接处温升是否异常;BMS数据线接触情况;并对电池组的输出保险温度检查和信号保险进行告警实验。根据厂家供应的技术参数和现场环境条件,通过BMS系统检查电池组总电压及单体电压是否满足要求,检测电池组间歇充电时的充电电流是否在要求的范围内。检测开关电源、电池组的充电电压和限流值的设置是否正确。检测电池组的低压告警、高压告警、高温告警等设置是否正确。
梯次磷酸铁锂离子电池组技术和经济论证
目前与应用的铅酸电池相比，电动汽车退役电池能量密度高、功率密度高、(体积小、重量轻)、温度特性好、循环寿命长、自放电率低，这些优异特性使其更适合于做铁塔基站的备用电源，目前的梯次电池，其循环寿命可达800次以上，实力强的制造商，其电池循环寿命更长；随着电动汽车的发展，到十三五末期和2020年以后，退役电池的循环寿命将普遍优于1000次，质量好的有望达到2000次。
目前根据当前市场情况,将循环寿命较低(只要400次以上即可,目前均能达到)的电池用于一、二、三、四类市电工况和高温工况,循环寿命较高的电池用于新能源(800次以上)和削峰填谷(1200次以上)工况。
退役电池经过再制造后应用于基站后备电源的电池组,其成本构成中包含了电芯采购、运输、测试、筛选、重组等再制造过程。按照十三五规划的指标,预计未来退役电池数量会大幅度新增,回收与再制造体系形成规模效应,成本有望进一步降低。
在报废动力锂离子电池的处理方面,由于基站所采用的重要是商用车退役的磷酸铁锂离子电池,其重要材料价值不高,因此报废磷酸铁锂离子电池残值很低。但已经有一些报废电池处理厂家开始开展这项业务,并有望免费回收报废电池。
总之，梯次电池应用应遵循小模块、低电压、高冗余、小电流、非移动的原则使用，因此通信基站相比于其他场景更适合梯次电池应用。梯次电池相比铅酸电池在循环寿命、能量密度、高温性能等方面具备一定优势，各项性能指标优于铅酸电池。梯次电池在技术上完全满足现网各种工况备电需求，不同循环寿命梯次电池适用于不同应用场景，经济上也具备一定优势。梯次电池应用是节能环保、新能源等国家战略新兴产业发展的重大创新，有关推动低碳经济、绿色经济、循环经济的发展具有非常重要的现实意义，既利国又利民。
摘取武亚波:廊坊联通电信综合楼网络维护与网优中心电源主管,工程师,《UPS应用》杂志编委。
