一、电池组共用管理器在铁塔基站应用的技术背景
　　
　　1.要求
　　
　　目前铁塔基站后备电池组对均/浮充电压、环境温度、充电限流、温度补偿和交流停电到站发电时间要求严格。其电池组放电容量系数因直流负载电流不同差异很大,但由于传统基站电池组采用并联浮充的方式接入开关电源,开关电源对所接入的多组电池只能采用同一种充/放电管理方式。
　　
　　因此,为确保电池组正常使用寿命,在现行通信电源维护规范中明确规定,阀控铅酸电池组在并联使用时必须是同品牌、同型号、同容量和同批次的才能在同一直流供电系统中使用。这一规范要求造成了在铁塔基站5G建设和维护中,普遍成对配置电池组和维护时大量成对更换老旧电池组的现状,电池组的过度配置和资产浪费现象严重,建设和维护成本居高不下,同时大量替换铅酸蓄电池组,将对环境造成严重的污染。
　　
　　2.合理配置
　　
　　铁塔基站电池组模块化配置模式的根本目的,是按照铁塔公司与运营商签约电池组后备保障时长的要求,进行电池组容量的灵活合理配置。通过安装电池组共用管理器实现差异电池组的并接使用,通过电池组共用管理器实现对不同电池组的差异化充、放电管理要求,从而实现电池组的灵活按需配置,有效减少电池组的建设和维护成本。
　　
　　二、电池组共用管理器的工作过程
　　
　　1.电池组共用管理器的结构和工作原理
　　
　　在铁塔基站直流供电系统中,电池组共用管理器主结构采用多路BUCK变换器(DC-DC)模块,实现各组电池独立控制,实现各电池组独立控制的充、放电过程管理,按独立电池组充电电压和充电限流要求充电。彻底解决了不同品牌、不同型号、不同容量和不同批次电池组之间的共用管理问题,支持不同类型电池组的混合使用。统一管理,均衡控制,实现电池组容量比最优管理。使各个电池组之间高度隔离,可实现独立对多组电池独立进行充、放电管控,电池组在任意时候都可以通过二极管及时放电,安全可靠性高,确保铁塔基站后备电池组供电保障,如图1所示。2.电池组共用管理器的充电市电正常时,开关电源通过BUCK型降压电路,对各个电池组进行充电,如图2所示。充电过程中充电限流、均充、浮充电压可以根据该端口介入的铅酸电池组和锂电池组容量要求设定,设定好后对电池组均、浮充模式自动调整。
　　

　　3.电池组共用管理器的放电
　　
　　当市电停电时,电池组通过二极管D1进行放电,同时对各个电池组起隔离作用,放电过程中通过MOS管M1调整放电电流大小,均衡各个电池组的放电电流,电池组剩余电量百分比大的优先放电,当电池组放电剩余电量百分比一致时各电池组均衡放电,如图3、4所示。
　　

　　三、电池组共用管理器特性
　　
　　1）采用BUCK型DC/DC变换模块,实现了对电池组均衡充、放电管控,解决差异电池组不能直接并联产生环流的使用问题。
　　
　　2）解决了开关电源直流配电系统后备电池组中,不同类型、不同容量、不同品牌和不同批次的电池组混合共同问题。
　　
　　3）可以分别设定各组电池的均充电压、浮充电压、电池容量和充电限流,来实现多组电池按和实际容量同时充电和同时放电。
　　
　　4）实现电池组资源的合理化配置,有效增加电池组的放电时长,最大程度地提高电池组的灵活配置。
　　
　　5）系统采用同步充电和智能异步充电管理技术,根据开关电源整流模块的配置容量自动选择,在不增加开关整流模块的配置容量时,设置参数后自动分配充电电流,各组电池完全独立管理,彻底消除蓄电池组之间性能及参数差异的影响。
　　
　　6）系统采用双重电池组隔离技术,不存在电池组之间环流问题,所有电池组在交流停电后根据容量进行放电。
　　
　　7）智能分析电池特性,电池放电过程中根据各电池组实际特性动态调整放电电流,真正的实现了放电均衡。
　　
　　8）统一管理,分布式结构,各电池组独立运行,可完全控制电池组运行状态,有利于提高电池组充、放电效率,对电池组无冲击,有效控制电池组充、放电时自身温度变化,延长电池组使用寿命。
　　
　　9）不同类型、不同品牌、不同容量、不同批次的电池组可以共同使用,实现放电、均、浮充自动转换,不会导致电池组过充、过放现象,适应差异偏大的电池组混合使用。
　　
　　10）具有自动电池组接入故障诊断功能,自动隔离故障通道,重新分配运行参数,不影响直流供电系统正常运行。
　　
　　11）电池组管理器内部模块化设计,如果出现局部故障,也不会影响基站电池组为通信设备供电,并且电池组之间依然处于隔离状态,不会产生环流。
　　
　　12）所有故障均具有面板报警显示,并提供声光告警提示,若接入FSU监控系统上传铁塔监控中心。
　　
　　13）设备具有屏幕显示,可直观显示所有电池组电压、电流、充、放电状态和故障等工作信息,按键浏览或设置系统工作参数。
　　
　　14）系统具有标准RS232/RS485通讯接口,协议符合行业相关标准,可通过FSU实时上传设备运行状态,同时具有干节点报警输出性能。
　　
　　15）电池组共用管理器分二、三、四、六路电池组输入,两路输出到开关电源直流配电电池保险端口。适用于基站已有一组电池再增加一组到五组电池的场景。电池组共用管理器主要用于存量站电池利旧、更换和扩容以及新建站电池组模块化应用。图5所示为4组电池共用管理器连接示意图。
　　
　　四、共用管理器主要功能
　　
　　1）合路功能:能集中多路电池组以一路或两路形式连接到基站开关电源直流配电电池组保险上,每路电池组可以同时充、放电。
　　
　　2）隔离功能:各个电池组通过共用管理器接入开关电源直流配电正、负母排上(负线接电池组保险上)，每路电池组之间保持隔离状态，无环流发生。
　　
　　3）电压控制功能:每路电池组接入端口可以通过电池组共用管理器或开关电源监控模块单独设置浮充电压和均充电压参数。
　　
　　4）均衡充电功能:同步充电设备能按电池组容量比例均衡每路电池组的充电电流。
　　
　　5）均衡放电功能:同步放电能按电池组容量比例均衡每路电池放电电流。
　　
　　6）操作显示功能:能通过操作界面设置管理器的工作参数,观察设备的工作状态。
　　
　　7）监控功能:电池组共用管理器设置连接FSU的监控接口,能通过动环监控系统实时读取每组电池的工作状态。
　　
　　8）故障告警:电池组共用设备应有故障声光告警指示和告警信号输出干接点,能通过FSU接入动环监控系统。
　　
　　五、电池组共用管理器应用场景
　　
　　1）铁塔基站利旧应用场景:基站需求电池组容量=原有基站电池组剩余容量+利旧库存电池组剩余容量，如图6所示。
　　
　　2）铁塔基站负载新增5G扩容应用场景:基站需求电池组容量=原电池组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化电池组容量,如图7所示。
　　
　　3）铁塔基站故障电池组更换场景:基站需求电池组容量=整合旧电池组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化电池组容量,如图8所示。
　　
　　4）铁塔基站电池组重组扩容场景:基站需求电池组容量=整合利旧两组铅酸电池为一组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化电池组容量,如图9所示。
　　
　　5）两个铁塔基站互补应用场景:基站需求电池组容量=本站电池组剩余容量+异站电池组剩余容量,满足市电停电两个基站备电续航3h以上要求,如图10所示。
　　
　　6）新建基站负载增加后满足电池组备电续航应用场景:基站需求电池组容量=磷酸铁锂原模块化电池组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化不同品牌电池组容量,如图11所示。
　　
　　六、电池组共用管理器主要技术参数
　　
　　输入/输出电压:36V～60V;
　　
　　充电电压精确设置范围:42.0V～58.0V;
　　
　　充电电流:≥50A(每个电池端口);
　　
　　充电纹波电压:≤0.5%*Uo;
　　
　　充电纹波电流:≤1A;
　　
　　放电电压范围:58.0V～36.0V;
　　
　　放电电流:≥100A(每个电池端口);
　　
　　单组电池组容量:50～500Ah;
　　
　　充电率设定范围:0～0.5C;
　　
　　电压控制与显示精度:±0.1V;
　　
　　电流控制与显示精度:±0.1A;
　　
　　输入接口:2路(可并联为1路);
　　
　　电池组数:2组--6组;
　　
　　静态功耗:<10W;
　　
　　动态功耗:<60W;
　　
　　绝缘电阻:>10MΩ;
　　
　　系统压降:<0.5V;
　　
　　监控接口:RS232/485(波特率可用户设定);
　　
　　防护等级:IP20;
　　
　　散热方式:智能温控风冷
　　
　　七、电池组共用管理器在直流供电系统的安装
　　
　　1.实地勘察
　　
　　1）勘察原来电池组与开关电源之间的连接线走线路径,开关电源电池组熔丝的位置和保险容量。
　　
　　2）利用原来电池组与开关电源之间的连接,电池组与电池组共用管理器之间的连接线尽量短,选定位置便于施工和安装。
　　
　　2.电池组共用管理器接线安装步骤
　　
　　1）断开开关电源直流配电电池组1路的熔断器后,断开电池组1路的负极连接线,将此连接线连接到电池组共用管理器上的输入1路负端,断开开关电源直流配电电池组1路的正极连接线,将此连接线连接到电池组共用管理器上的输入1路正端,如图12所示。
　　
　　2）用准备好的电池组连接线,将电池1组的正、负极分别连接到电池组共用管理器上的电池1组正、负端子上并固定紧固,调整开关电源浮充电压与电池组管理器电池1组电压相等,闭合开关电源直流配电电池组1路熔断器,如图13所示。
　　
　　3）断开开关电源直流配电电池组2路的熔断器，断开开关电源直流配电电池组2路的负极连接线，将此连接线连接到电池组共用管理器上的输入2路负端，断开开关电源直流配电电池组2路的正极连接线，将此连接线连接到电池组共用管理器上的输入2路正端，闭合开关电源直流配电电池组2路的熔断器，如图14所示。
　　
　　4）用做好的连接线,将电池2组的正、负极分别连接到电池共用管理器上的电池2组的正、负端后,开启模块电池2组的启动开关并入直流供电系统中,如图15所示。
　　
　　5）再连接电池组时,直接将电池组的正、负极连接至电池管理器的电池3组正负两端,或者电池4组正、负端后,开启模块电池3组、4组的启动开关并入直流供电系统中。
　　
　　八、铁塔基站案例分析
　　
　　某铁塔基站为移动、电信和联通4G和5G设备供电,维谛一体化开关电源系统容量配置48V/600A一套,实际整流模块配置50A/11块,直流负载电流196A,理士密封阀控铅酸电池500AH两组、中兴智能磷酸铁锂电池100AH/4组,双登梯次磷酸铁锂电池100AH/1组,铁塔梯次磷酸铁锂电池100AH/1组,杰赛两路输入、四路输出电池组管理器一个。如图16所示。
　　
　　1.开关电源监控模块主要参数设置
　　
　　交流输入电压范围-15%～+10%,(各个制造商整流模块的交流输入范围宽),设置直流浮充电压55.5V、均充电压56.4V、温度补偿0.3mV/度、充电限流值全站电池组容量/2的0.1C10、一次下电直流电压46V、二次下电直流电压44V、直流欠压告警51V、整流模块高压直流保护59V、直流电池组复位工作电压49V、电池组均充周期12周、电池组均充时间8～10h,直流浮充转均充条件、均充转浮充条件、放电容量转均充条件等各个制造商出厂时已经软件固化完成,只有在电池组核对性放电实验时手动调整。
　　
　　2.电池组共用管理器参数设定
　　
　　1）密封阀控铅酸电池组参数设置:电池2组容量个为600AH、过压保护57.8V、过压告警57.5V、过压恢复56V、欠压保护43.2V、欠压告警46V、欠压恢复48V、浮充电压54V（单体范围2.23V-2.27V）均充电压56.4V、均充转浮充电流0.03C10、充电等级1、充电系数0.1C10、放电等级1、充电功能开启、放电功能开启、告警功能开启。
　　
　　2）磷酸铁锂梯次电池组参数设置:电池组容量300AH、过压保护57.8V、过压告警57.5V、过压恢复56V、欠压保护43.2V、欠压告警46V、欠压恢复48V、浮充电压55.2V、均充电压55.2V、充电等级1、充电系数0.1C10、放电等级1、充电功能开启、放电功能开启、告警功能开启。
　　
　　3）磷酸铁锂梯次电池组参数设置:电池组容量100AH、过压保护57.8V、过压告警57.5V、过压恢复56V、欠压保护43.2V、欠压告警46V、欠压恢复48V、浮充电压55.2V、均充电压55.2V、充电等级1、充电系数0.1C10、放电等级1、充电功能开启、放电功能开启、告警功能开启。
　　
　　4）智能磷酸铁锂电池组为15串单体电压3.2V,电池组自带共用管理功能,可以与密封阀控铅酸电池组和梯次磷酸铁锂电池组直接并联使用。
　　
　　5）电池4组共用管理器各个输出端口检测,如图17所示:定期和不定期的对电池组共用管理器DC/DC端口检测。首先调整开关电源监控模块的浮充电压为49.5V,用直流钳型表测试各个DC/DC端口的个电池组放电电流是否正常。调整开关电源监控模块的浮充电压为55.5V,用直流钳型表测试各个DC/DC端口的电池组充电电流是否正常,正常DC/DC端口的电池组运行完好。若某个DC/DC端口没有充、放电电流证明该端口损害,需要该端口的电池组更换到电池组共用管理器备用端口,更换后再对该DC/DC端口进行上述检测,以确保停电后电池组续航能力。
　　
　　九、结论
　　
　　总之,电池组共用管理器在铁塔基站的创新应用,彻底解决了铁塔基站后备电池组不同类型、不同品牌、不同容量、不同批次电池组并联运行的供电模式,灵活对存量和新建铁塔基站电池组进行扩容、利旧、更换与重组,真正实现了电池组容量按需灵活配置,合理降低了铁塔基站电池组建设和维护成本。
　　
　　作者简介
　　
　　庞军:中级工程师,中国铁塔股份有限公司廊坊市分公司运营维护部经理。
　　
　　武亚波:中国联合网络通信有限公司廊坊市分公司电源主管,本刊编委。
　　
　　周秋晓:中国铁塔股份有限公司廊坊市分公司担任项目经理至今,先后参与新能源示范基站建设,智慧运维项目建设等。
　　
　　姜国涛:从事通信电源专业10余年,对通信电源、交直流引入、升降压设备及动力配套专业较为熟悉,特别了解行业内一线问题及解决方案,为铁塔公司系统内省级专家。
　　
　　张龙:硕士研究生毕业后进入中国移动工作,2018转入中国铁塔公司。
　　
　　陈冬雨:从事通信行业14年,专业知识能力强,熟悉通信基站动力环境系统。
　　
　　编辑：Harris