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 /联合研发项目结题汇报报告 项目名称： 项目编号： 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臵与系统 第 2页 一 . 开题计划完成情况 目 录 二、主要研究成果（整合后） 第 3页 究背景及目标（开题报告） 中国的通信业正处在高速发展期，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发展的需要，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臵与系统硬件由50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 、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 第 4页 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 3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 第 5页 题计划完成情况总结 以下项目研发产生的专利已通过集团组织专家的终审。发明专利交底书已提交国家专利局 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臵与系统 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臵与系统 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臵与系统 第 6页 一 . 开题计划完成情况 目 录 二、主要研究成果（整合后） 第 7页 本方案的设计核心 ,放弃现有传统的设计思路 并使用一套全新的锂电池充电均衡管理技术全面解决方案 1. 动力型磷酸铁锂锂电池在放电时，管理系统电路如何实现 “剔除 ”功能？ 2. 在其中一节出现电量不足、电压过低时，电池管理系统可以自动剔除节电芯，同时保证电池组不间断输出。 3. 对于高电压、大电流的负载（比如 120V/200A），动力电池管理系统如何实现，能保证其稳定性？ 4. 如何解决单体电池循环过程中有个别出现突然死亡现象，再次循环时又正常？ 5. 能否保证动力锂电池组充电时可以短时高效，比如对 10020何能在 4 6. 对于电池组，能否实现单体充电、串联放电，如何实现这样的管理系统？ 7. 如何解决电池一致性不好问题？主要指电池内阻差异。 8. 如何提高磷酸铁锂正极材料不同批次之间稳定性差异？ 9. 电池大电流放电发热怎样降到最低？ 10. 那种电解液更适合磷酸铁锂动力电池使用，添加剂种类、如何防止电池气胀？从而实现技术的突破与进步 . 第 8页 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臵与系统硬件由 50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 、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 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臵与系统 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则、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 . 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、通风装臵、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，避免各种设备发生故障、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 口、 16口、 24口的在线式后备802060 第 9页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利一 本方案为了实现层叠梯田智能循环充电的技术要求。故本电路由 内部计算决定下一阶段的充电电压和电流。然后送出控制信号给双芯片脉宽调制器模块控制充电电流和电压的大小，并协调好 叠梯田智能循环充电系统模块、互交差多级单体均衡控制模块和其他各外围电路模块工作来共同组成新型智能循环充电管理的装臵与系统。主要有工作模式、蓄电池电压、容量、充电模式、时间限定、工作参数调 ，工作模式分为自动和手动，蓄电池电压有 、 12 V、18 V、 24 V、 30 V、 36 V， 48 00 26项，充电模式为组初充、整组单体层叠梯田智能循环充、 间限定功能可以设定充电开始的时间和充电结束时间等 . 第 10页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利二 本方案采用二个流模式脉冲宽度调制（ 电池充电 3节 /4/7节电池串联用电池保护 第一级均衡控制是由四个 第二级均衡控制电路硬件设计与工作原理说明 第二级均衡控制电路是由两个 成 . 允许一个两线系统管理总线 这种伺服技术能使充电的准确度同电池内部电压和电流测量值只有 误差 . 由于锂电池串联使用，电池组的质量取决于性能最差的那节电池。电池的充放电效率随使用时间的增加到逐渐降低，其周期平均温升也逐渐增大。所以本案的核心以不同电流和使用环境对电池组进行恒流充放电，单片机 根据单片机 单体表温变化值温度数学模型数据库比对 来及时修正锂电池充电过程中的输出电流的大小 . 单片机 单体表温变化值温度数学模型数据库建立工作原理与方法的说明 . 本方案主要采用以下步骤完成温度数学模型数据库的建立 . 第 12页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利二 单体编号 1 2 3 4 5 6 7 8 温度值 组编号 9 10 11 12 13 14 15 16 温度值 组编号 1 2 1 2 温度值 佳电池 2 8 10 11 16 故障电池 1 13 7 最佳单组电池 1 故障单组电池 2 定测温过程和参数 节电池温度 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（ 、 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 V. 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 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 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 第 13页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利三 . 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臵与系统之一 双体内胆铸铝室外一体化通信基站机箱设备臵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臵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。 臵换对偶双冷热风道自然冷却诱导式通风装臵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臵 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，从而达到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。 第 14页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利三 . 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臵与系统之一 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。 第 15页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利四 . 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臵与系统 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则、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 . 第 16页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利四 . 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臵与系统 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 : 后备式单体充放电超级电容电路的总体构图如图所示 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 220互交差三级均衡控制充电管理模块 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 流模式脉冲宽度调制（ 电池充电 3节 /4/7节电池串联用电池保护 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 剔除 ” 功能 . 如在其中一节锂出现电量不足、电压过低时，温度过高等 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 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臵的总组恒流 /恒压 /脉充模块中恒流充电方式来完成 . 第 17页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利四 . 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臵与系统 层叠梯田智能循环充放电电压 /电流 /容量与规则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、容量侦测法则、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，发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 , 规则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 ,基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 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。 根据不同的温度而改变 ,公式如下： ( 第 18页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利四 . 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臵与系统 蓄电池 放入恒温箱 设定恒温箱 稳定在 25 30分钟 采用电流 (行放电截止条件为电压小于 3V 30分钟 采用电流、电压（ 式充电截止条件为电流小于 10030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 ,大致上分成两大部分。前半部是充电的部分 ,后半部是放电的部分。开始充电之前 ,要使恒温箱稳定在 25 ,然后进 行 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 (截止条件为电流小于 100 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。 第 19页 本方案主要各项核心专利技术简介 发明专利四 . 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臵与系统 (表 1)放电电流 总放电量( (表 2)放电电流 总放电量 ( (表 3)放电电流 总放电量( (表 4)放电电流 总放电量 ( 相同温度下 ,不同电流的规则标准库建立 (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 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 ,不同温度的规则标准库建立 此时放电温度 ( ) 周期计数 充 入 电 量( 内阻 25 1 45 16 5 32 65