一种移动通信用后备式铁锂电池室内外一体化配套电源智能管理装置与系统

中国移动集团重点/联合研发工程结题汇报报告

工程名称：

工程编号：一种移动通信用后备式铁锂电池室内外一体化配套电源智能管理装置与系统一.开题方案完成情况目录二、主要研究成果〔整合后〕1.1研究背景及目标〔开题报告〕中国的通信业正处在高速开展期，通信设备趋向于集成化、小型化、轻型化；节能减排是社会可持续开展的需要，也是中国移动的企业责任。对通信用后备电源特别是电池提出了新的挑战，对其使用温度范围、比能量、寿命、对环境的影响等提出了更高的要求：高比能量、强环境适应性、耐高温、长寿命、维护量少、生产和使用过程的环保等。

一种移动通信用后备式铁锂电池室内外一体化配套电源智能管理装置与系统硬件由50-250ah48v铁锂电池组模块(可根据不同的现场使用环境及对蓄电池后备放电时间的要求.来选用大小容量不同的蓄电池组)、对偶双自然冷却隔热风道模块、互交差三级均衡控制充电管理模块、环境监测监控单元模块、铁锂电池层叠梯田智能循环充电模块、交流AC四路输出控制模块、DC/DC四路输出控制模块组成。来共同完成解决锂电池由于一次过放电，就会造成蓄电池不可恢复的报废的主要问题,研究目标研究背景1.2主要研究内容及分工〔开题报告〕单位分工内容负责人联系电话总部计划部绿色行动小组立项，总体协调总部采购部磷酸铁锂电池分项研究浙江移动1、牵头实施。

2、各种新型电池的性能测试，适合场景的归类，场景试点。设计院总体研究配合甘肃公司一种移动通信用后备式铁锂电池室内外一体化配套电源智能管理装置与系统研究广西公司3G室分站点、BBU和RRU供电电池研究，站点试验。河南公司磷酸铁锂电池测试，站点试验。研究院蓄电池技术特性梳理1.3开题方案完成情况总结以下工程研发产生的专利已通过集团组织专家的终审。创造专利交底书已提交国家专利局.专利申请号等相关证明正在审批中.1.一种锂聚合物蓄电池智能自适应充电管理装置和系统。专利申请号202110117282.22.一种通风装置、系统、后备电池真空控制方法及恒温控制方法3.一种移动通信用后备式铁锂电池层叠梯田智能循环充电管理的装置与系统4.一种移动通信用后备式铁锂电池互交差三级均衡控制充电管理装置与系统5.一种移动通信用室内外一体化后备式铁锂电池故障诊断与维护管理装置与系统一.开题方案完成情况目录二、主要研究成果〔整合后〕2.1主要研究成果2.1主要研究成果一种移动通信用后备式铁锂电池室内外一体化配套电源智能管理装置与系统硬件由50-250ah48v铁锂电池组模块(可根据不同的现场使用环境及对蓄电池后备放电时间的要求.来选用大小容量不同的蓄电池组)、对偶双自然冷却隔热风道模块、互交差三级均衡控制充电管理模块、环境监测监控单元模块、铁锂电池层叠梯田智能循环充电模块、交流AC四路输出控制模块、DC/DC四路输出控制模块组成。来共同完成解决锂电池由于一次过放电，就会造成蓄电池不可恢复的报废的主要问题,互交差三级均衡控制充电管理模块、铁锂电池层叠梯田智能循环充电模块主要功能实现了锂电池充放电过程中的内部均衡控制保护.移动通信用室内外一体化后备式铁锂电池故障诊断与维护管理装置与系统.是对锂电池组故障进行诊断与维护是电池管理系统的重要功能。根据移动通信用室内外一体化后备式锂离子电池组故障和外部特性之间的特点与关系，建立了电池组故障诊断维护系统的模型，并给出了系统判断所用规那么、历史档案数据内容以及电池组运行性能评估的算法，来对整体以上六大系统系统的运行过程的指导和修正.并最后通过试验对结果进行了验证的一种方法.本方案设计双体内胆铸铝室外一体化通信基站机箱的设计的通风系统、通风装置、通信后备电池室内外一体系统、真空控制方法及恒温控制方法，采用了一套全新的风道设计通风系统，可以对后备锂蓄电池组以及相连的设备进行通风和温度控制。并且，采用半导体制冷热片与毛细低温换热器结合使用组成微型智能空调，可以解决单独使用时的结露现象。同时还对利用通风系统对后备蓄电池组进行真空控制，以及存放后备电池外的其他设备进行恒温控制，防止各种设备发生故障、燃烧的概率，大大降低了室外设备的故障概率。同时本方案相应开发WLAN网络交换机8口、16口、24口的在线式后备80ah/120ah/160ah锂电池配套电源装置与系统以及一种移动通信用便携式锂电应急发电系统.2.1主要研究成果2.1主要研究成果本方案采用二个LTC1769或(LTC1760)电流模式脉冲宽度调制〔PWM〕的电池充电IC与四个S-8204B或(LS9208)3节/4/7节电池串联用电池保护IC及三个TMP300温度控制开关IC共同组成互交差三级单体均衡采样控制模块系统。1.第一级均衡控制电路硬件设计与工作原理说明

第一级均衡控制是由四个S-8204B或(LS9208)3/4/7节电池串联用电池保护IC及三个TMP300温度控制开关IC共同组成备有过电流保护功能的电路.其主要的任务是首先进行对每单体的锂电池充放电及运行过程的各项数据的检测与保护并实现四个锂电池为一组的均衡控制.2.1主要研究成果2.1主要研究成果单体编号12345678温度值24.69524.82824.55324.73424.94224.8924.96324.87单组编号910111213141516温度值24.93124.82224.83124.91724.96124.92524.91824.752单组编号A1A1A2A2B1B1B2B2温度值24.83124.91724.96124.92524.54624.89924.96824.748最佳电池28101116故障电池1137

最佳单组电池A1-1B1-2

故障单组电池A2-2B2-1

TMP300\LCT1769(LCT1760)设定测温过程和参数CPU选通TMP300单节电池温度CPU选通LCT1769单组电池温度读取单节电池温度读取单组电池温度校正和储存温度数据绘制各过程温度曲线电池单体单组性能评估电池单体单组故障告警电池单体单组启动循环充放电管理系统方案实验主要验证预充后的电池在不同测试温度〔5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃〕环境下以不同的倍率〔0.1C、0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、0.9C、1.0C〕单组/单体表温变化值情况。本方案放电过程故障判断应用系统程序流程图如图。实际测试对象对16节锂电池〔容量10安时〕。放电温度25度.1c放电到3V.数据处理过程如下：对单体/单组个过程全部电池温度曲线取平均，获得一条平均曲线。与CPU内置的标准温度数学模型数据库进行比对.计算各电池曲线和平均曲线的均方差，但到本过程各电池温度一致性系数。与数学模型数据库比对.得出不同点.并对应相应的温度不同单体/单组电池.对各过程的温度一致性系数进行加权平均，得到全过程各单组电池温度一致性系数。对全过程各电池温度一致性系数进行电池性能评估排序，排查出相应的性能下降电池.表电池温度一致性分析表电池性能评估排序2.1主要研究成果双体内胆铸铝室外一体化通信基站机箱设备置换对偶冷热风道自然冷却诱导式微型加热制冷智能空调通风系统硬件设计与原理说明。为了充分利用设备外部在不同季节的热〔冷〕能力，本设计力图尽可能地利用可再生的洁净自然能源。由于设备运行时夏季制冷能耗远远大于冬季供热能耗，故为设计了设备内部置换对偶双自然冷却诱导式微型加热制冷智能空调通风系统，以满足设备运行通风换气和降温。置换对偶双冷热风道自然冷却诱导式通风装置就是利用两组两个双向有源风扇与两组两个半导体制冷片/毛细低温热管/独立冷热风道/导流板组成一种微型加热制冷智能空调装置.该系统产生射流的诱导特性，在送风口处导入新鲜空气，经过制冷或加热后空气采用超薄型空气流导流板以高速喷出的空气主流，诱导及搅拌周围大量的热冷空气，一方面稀释设备舱内空间的高温气体并降温，另一方面带动空气沿着预设的流程至设定方向，从而到达在进风口处引入新风，在排风口处顺利排出热气的目的，保证了设备舱空间良好的恒温换气效果。2.1主要研究成果本方案根据锂电池的特性要求。本方案在热风道内增功一个负大气压重力式阀门。从而实现了蓄电池舱全密封负大气压真空状态，这样可以使锂电池发生的燃烧事故概率降到最低的程度。2.1主要研究成果本方案是对锂电池组故障进行诊断与维护是电池管理系统的重要功能。根据移动通信用室内外一体化后备式锂离子电池组故障和外部特性之间的特点与关系，建立了电池组故障诊断维护系统的模型，并给出了系统判断所用规那么、历史档案数据内容以及电池组运行性能评估的算法，来对整体以上六大系统系统的运行过程的指导和修正.并最后通过试验对结果进行了验证的一种方法.2.1主要研究成果1.后备式单体充放电超级电容维护保护模块的硬件设计及工作原理说明:1.1.后备式单体充放电超级电容电路的总体构图如下图后备式单体充放电超级电容维护保护模块层叠梯田智能循环充放电模块220V市电互交差三级均衡控制充电管理模块-48V锂电池组三级温度监控早期预警锂电池故障均衡控制模块

本方案利用二个LTC1769或(LTC1760)电流模式脉冲宽度调制〔PWM〕的电池充电IC与四个S-8204B或(LS9208)3节/4/7节电池串联用电池保护IC及三个TMP300温度控制开关IC共同组成互交差三级单体均衡采样控制模块电路中充电用FET.放电用FET端子外接各支路超级电容维护保护输出整流电路.来完成对单体锂电池维护和保护.各支路超级电容维护保护输出整流电路根据锂电池端电压的变化情况控制超级电容电流的输出和关断.从而到达并实现均衡采样控制管理系统电路“剔除〞功能.如在其中一节锂出现电量缺乏、电压过低时，温度过高等.三级均衡采样控制管理系统在自动剔除节电芯外，各支路超级电容维护保护输出整流电路自动开启替代剔除节电芯的输出.从而保证电池组不间断输出。如单组/单体超级电容电流输出不能满足电池组的输出要求.两组各支路超级电容维护保护输出整流电路自动将没有放电的剩余单组/单体超级电容的电流加载到正在工作的超级电容上面.后备式单体充放电超级电容维护保护模块的充电由层叠梯田智能循环充放电模块内置的总组恒流/恒压/脉充模块中恒流充电方式来完成.2.1主要研究成果1.2.层叠梯田智能循环充放电电压/电流/容量与规那么标准库自动建立方法工作说明蓄电池容量之侦测方法近年来得到广泛的研究，根据量测的方式主要可分为：比重计法、开路电压法、内阻量测法、放电曲线查表法、库仑计量测法等等。要能够长期准确的侦测出电池的容量，相当困难。克服此一困难，先决条件之一是必须建立一个周详的电池管理控制流程，将电池之充电、放电、维护、容量侦测法那么、老化、温度效应等因素纳入考虑。本方案综合各项因素。配合厂商所提供的电池放电曲线，结合多种方法，开展出一种多级式蓄电池容量及故障侦测方法。图即为电池量测平台的操作窗口。一般来说,充电的过程比较单纯。因此,规那么标准库规划的实验都是比较着重于放电的过程。针对放电的过程,根本上归纳成两个变量:温度(T)、电流(I)。放电温度分为75℃、65℃、55℃、45℃、35℃、25℃、15℃、5℃、–5℃等九项,而每项温度里再采取十四种定电流放电,电流大小分别为1.5C、1.4C、1.3C、1.2C、1.1C、1.0C、0.9C、0.8C、0.7C、0.6C、0.5C、0.4C、0.3C、0.2C。在流程的规划上，本方案是采用,先充满电后放电的流程,规划如图。X和Y根据不同的温度而改变,公式如下：(T为放电时的温度)2.1主要研究成果蓄电池放入恒温箱设定恒温箱稳定在25℃30分钟采用电流(0.2C)进行放电截止条件为电压小于3V30分钟采用电流、电压（2.15A，4.2V）模式充电截止条件为电流小于100mA.30分钟设定恒温箱到指定的温度并稳定一段时间X分钟采用当前指定的值进行直流模式放电截止条件为电压小于3V.Y分钟实验流程

图已经很清楚的解释整个实验的流程,大致上分成两大局部。前半部是充电的局部,后半部是放电的局部。开始充电之前,要使恒温箱稳定在25℃,然后进行0.2C放电的动作,此步骤只是让电池先有一个完整放空的情况,让充电的初始条件相同,截止的条件为电压小于3伏,接着等待30分钟的化学平衡后，开始充电(2.15A,4.2V),截止条件为电流小于100mA。到这里都属于前半部,目的只是为了让放电之前,电池有相同的初始状态(满充),接着设定恒温箱到指定的温度，等待一段时间后，设定指定的电流后,开始进行放电,截止条件是电压小于3V,经过这样的步骤就算完成一个循环然后再重复进行着,直到所有温度和电流都进行过后实验才结束。2.1主要研究成果

(表1)放电电流

总放电量(mAh)(表2)放电电流

总放电量(mAh)(表3)放电电流

总放电量(mAh)(表4)放电电流

总放电量(mAh)1.5C2003.6458281.5C2080.1807331.5C2090.3425631.5C1061.5313251.4C2018.5338221.4C2088.2795481.4C2094.0462361.4C1112.8325571.3C2031.7808031.3C2095.3549371.3C2097.9205871.3C1160.9801081.2C2048.9702251.2C2102.9244361.2C2105.4886261.2C1207.8538661.1C2066.5339771.1C2106.4665491.1C2109.6102851.1C1255.5008581.0C2069.1162761.0C2111.2839581.0C2114.2005031.0C1302.5034250.9C2076.1233230.9C2116.2556840.9C2118.0054680.9C1363.2046460.8C2085.0228860.8C2116.4705850.8C2122.4237090.8C1411.6106780.7C2091.6117370.7C2128.7498680.7C2126.0059840.7C1464.0093570.6C2097.3911170.6C2155.4869170.6C2129.9070540.6C1520.0533090.5C2102.649030.5C2132.2796430.5C2135.1627690.5C1566.803110.4C2108.0247660.4C2135.0717270.4C2137.9483960.4C1618.3229090.3C2113.9450650.3C2138.0483450.3C2141.6001820.3C1673.3084230.2C2116.862271

0.2C2141.5828180.2C2145.6727550.2C1737.677182相同温度下,不同电流的规那么标准库建立(表1)电池在25℃时，各种放电电流所放出的容量(表2)电池在45℃时，各种放电电流所放出的容量(表3)电池在65℃时，各种放电电流所放出的容量(表4)电池在-5℃时，各种放电电流所放出的容量由这四个温度就可以很明显的看出,在相同温度下,电流越大,放出的电量越少。相同电流下,不同温度的规那么标准库建立此时放电温度(℃)周期计数

充入电量(mAh)内阻2512117.460.14037845162099.160.1213335322085.740.12944465462058.070.118395-5612020.090.13996855752014.060.12856315882011.090.141387351021973.980.139991751161989.830.142076751291971.090.1487392.1主要研究成果

根据以上所得出之数据之比较,以及一些自身观察出的特性,锂蓄电池在充放的根本规那么标准如下:1).电池放电电流越大时，电池可输出电量会减小。2).电池温度越高时，可循环使用次数会增多。3).电池可输出电量会随着循环使用次数的增加而下降,而放电深度越大会加速电池老化衰退。4).温度越高时,自放电会较为升高。一般状况下,自放电电阻值与温度成反比、与电池开路电压成反比、与电池剩余电量成反比。5).当温度处于相对高温时，电池内部化学反响较完全、内电阻较低,电池可输出电量会增加;反之,温度处于相对低温时，电池可输出电量会降低。6).老化效应的实验需要比较一致的环境,必须在充放电都在相同的温度下去循环操作,得到的信息会比较有意义,否那么可将难以分析电池的老化(变量太多)。(表1)放电温度

总放电量(mAh)(表2)放电温度

总放电量(mAh)(表3)放电温度

总放电量(mAh)-5℃

1737.677182-5℃

1411.610678-5℃

1061.5313255℃

1969.3242675℃

1797.6952235℃