通信基站用锂离子电池模块的开发

伊藤広和　宫胁康贵　今里奈沙　小杉明义　井上达也

曾根启明　武本修一　时井敦志　岸本真治

日本GS·汤浅电池株式会社

摘要：用作通信基站备用电源的48V锂离子电池（LIB）模块已开发出来。该电池模块具有3U高度，能放置在可测量性极好的19英寸的台架上。利用这种LIB的高倍率充放电性能优势可将电池重量减少到普通铅酸电池的一半。利用串联方式，电池容量可扩大到符合用户的需求。此外，如果出现异常情况，可利用内装的高功能BMU（电池管控系统）进行独立模块的保护运行，因此，这就有可能不用任何附加设备来替换铅酸电池的原因。本文论述了电池开发的要点。

Abstract：A 48 V Li- ion battery(below LIB) module has been developed to use as back - up power of base transceiver station. The module has a height of 3 U, which can be mounted in a commercially available 19 inch rack with superior scal-ability. Use of the advantage of superior high rate charge/discharge performance of the LIB has reduced the vol-ume and the weight to half of our conventional lead - acid batteries. It is easy to expand the capacity by using paral-lel connection to correspond to wide needs of the customers. Moreover, it is possible to do protection operation with standalone module in case of any abnormality, using the built - in high function BMU. That's why it is possible to replace lead - acid batteries without any additional equipment. This paper deals with outline of this development.

Key words ：Li - ion battery module；BMU ；19 - inch rack

1　序言

近年来，在移动装置通信领域中以LTE为代表的高速大容量通信第4代通信用通信基站的增速运行，这种基础设施的维护今后还将继续列为重点方案。

通信基站是停电时备用电源必不可少的蓄电系统，一般常用的是铅酸蓄电池。通信基站正在增设发展中，与以往相比，在设置空间或设备自重都受到场所的限制，所以大家将目标转移到了锂离子电池上。另外，在通信设备安置时主流是选择可适合收纳及增加的19英寸的台架。日本GS汤浅电池公司为适应以上要求开发了安装在19英寸台架上即可节省空间又具有可扩性的锂离子电池模块。本电池模块安装了BMU(电池管理系统），电池模块实现了较高的稳定性及可靠性能，以下报告是本次开发的电池模块的概况。

2　规格及外观

本次开发的“通信基站用锂离子电池模块的规格列于表1。其内容是本次开发的电池模块用于通信基站备用用途的48V系电池，通信装置的输入电压范围、备用时间等各种说明，使用的环境，内设电池的串联只数选择13或14只单体电池。

电池模块内设控制单体电池的监测及内置开关的主电路连接与断开的BMU(电池管理装置）。因此，不需要外部控制器，可与传统的铅蓄电池配套装置替换使用。

电池模块的外面及电池模块搭载的台架外观分别示于图1及图2。电池模块是与EIA标准对应的19英寸台架相对应的结构，其高度为130mm，与3U尺寸匹配。在支架结构中便于电池模块的增（减）设置，为了节省空间，将通信设备、电源装置及蓄电池放置于同一台架内。

表1  锂离子电池模块规格

3　结构

3.1　电池模块内部结构

开发的电池模块内部结构示于图3。电池模块是由多只单体电池（额定电压3.75V / 容量38Ah）与BMU构成。因BMU接受由电池供给电源，所以不需要外部电源。BMU的内部有监测器、主要电路接通、断开，外部接口及所有器件的控制器构成。

图1　锂离子电池模块的外观

图2　锂离子电池模块安装用台架外观示例

监测部有测量单体电池电压的电压传感器、测定电池温度的温度传感器及测定电流的电流传感器，并将这些情报信息传输给控制器，电压传感器具备2个系统，一个是电压传感器在发生不便时，剩下的另一个传感器的电池电压进行异常检测。

主要电路连接·断开部位有电池与主电路端子连接·断开的主电路开关和过大电流发生时切断主电路的保险丝，主电路的开关采用半导体开关。半导体开关分别具有充电用与放电用功能，并可独立地控制充电电流和放电电流。另外，主电路开关使输出输入端子电压为0。所以，电池模块停止时可以安全地搬运及接线操作。

外部接点部位有各种外部通信、外部机械传输异常信号的接点输出及状态显示用LED屏。在外部通信中有为外部机器传送用RS-485通信、CAN通信及维护用RS-232C通信。

控制部位是以计测情报信息为基础保持主要电路的接通·断开进行控制的CPU与机器设定情报和履历情报信息的永久存储功能。

图3　锂离子电池模块图表

3.2　系统结构

使用开发电池模块的系统构成例示于图4。从商用电力系统接受的交流电压转换成直流电压的整流器，通过构成采用直流电压进行工作的通信设备（无线机）及电池模块。通常是由整流器操纵通信设备，但输入停电时等整流器也停止工作，由电池供电继续维持通信设备的工作， 维持的时间延长或负荷容量大的设备时需要有特定的场所串联连接本电池模块。

4　功能

开发的电池模块搭载了BMU(电池管理系统），但铅蓄电池没有配备这一系统，其他功能完全具备。本电池模块的主要功能示于表2。

表2　 锂离子电池模块的主要功能

图4　采用锂离子模块的系统结构示例

4.1　外部连接功能

本电池模块具有为外部机器输送用RS-485和CAN通信设备。使用外部通信时可监控电池电压、温度、电池电流等计测情报信息及有无异常。维护用有RS-232C通信，并设连接计算机后可确认计测情报信息、有无异常、设定值情报数据及以往情报数据等。

具备2个为外部设备输送异常情报用的转换器，转换器传输配有附件导线时特别方便现场连接用的螺旋线束端子台。

使用电池模块前配置的2个LED灯模型，显示电池模块的状态（可充放电状态、发生异常的状态）。

4.2　保护功能

锂离子电池与铅蓄电池相比，能量密度和充放电性能均优，相反，从过充电和过放电等的安全方面看，必须要慎重。

内置BMU（电池管理系统）是通过对单体电池的电压、温度、电池电流的计测情报时常监测各电池及充放电电流的稳定性能，为了电池模块的安全性，应具有保护功能。当查出异常时通过切断主电路开关，并从整流器及通信设备安全地断开电池模块。

在浮充电状态时，当电池完全充电后为使电池不过充电，继续保持接通放电用开关，并切断充电开关，只是断开了充电方的电流，放电方的电流继续保持放电状态。当停电时继续供给电源，不会瞬间断电。

图5　锂离子电池模块与铅酸电池的体积与质量对比

为防止电池超出使用范围放电（过放电），当检测到单体电压过低时停止为通信设备供电。同时停止接受电源供电的BMU（电池管理装置）控制电池的电量消耗。当整流器的输出电压恢复时开始再起动BMU（电池管理系统）为电池充电。

4.3　其他功能

·单体电池均衡功能

各单体电池不仅仅是容量失衡，而且在反复进行充放电中电压也有可能出现偏差。电压出现偏差时电池模块的电压即便是在使用范围内单体电池单位也轻易达到使用范围的上下限，并不能很好地发挥电池的性能。通过BMU内部平衡电路消除各单电池电压的偏差，来实现电池性能的良好状态。

·履历管理

BMU（电池管理系统）是按顺序记录主电路开关的ON/OFF、异常及状态发生的变化，可通过这一管理来进行异常发生时的故障分析。

5　锂离子电池和铅蓄电池的对比

新开发的锂电池模块与传统所用的铅蓄电池进行比较。电池模块与铅蓄电池的体积、质量的比较示于图5。对比的条件为负荷电流10A，储备时间3小时。在此将铅蓄电池的体积、质量设为100%时的比率表示。电池模块与铅蓄电池相比，体积为50%以下，质量在25%以下，与铅蓄电池相比为小型、轻量化。为此，非常适合与在空间、质量受限的都市大厦内设置。电池模块与铅蓄电池的放电性能示于图6。作为本次对比的对象 — 铅蓄电池是20小时率的0.05C，可进行100%的容量进行放电，但0.5C、1C放电电流增大，随之而来的是放电容量下降，1C为50%。另外，可以说本电池模块放电电流在0.5C和1C中放电容量几乎无差别，与铅蓄电池相比是适合于大电流放电的电池。

电池模块与铅蓄电池的充电特性示于图7。在此的充电电流是电池模块的上限电流1.25C,铅蓄电池也同样为上限电流0.25C。电池模块不足1小时充电至90%，但铅蓄电池充电达90%至少需要5小时以上，电池模块与铅蓄电池相比可以说是短时间充电的电池。

从上述电池模块的特性来看，电力供应不稳定的山区及峰值漂移，在短时间反复进行充放电的循环充放电的备用用途。

图6　锂离子电池模块与铅酸电池的放电特性对比  

图7　锂离子电池模块与铅酸电池的充电特性对比

6　小结

本次开发的“通信基站用锂离子电池模块”与传统的铅蓄电池相比体积小1/2以下，质量是1/4以下的小型轻量化。可搭载在19英寸的台架上，并可轻易地实现并联化软系统结构。加之，通过内设BMU（电池管理系统）实现电池模块单独的高性能、高可靠性。

在本次开发的基础上获得的技术与锂离子电池具有的高能量密度、优良的循环充放电性能不仅仅是通信基站，在各种设置环境·电力·负荷主件的48V系统均可使用。今后将继续努力开发适应范围更广的锂离子电池。

图3 ：锂离子电池  保险丝  主电路开关  电池管控装置  主电路输入中断装置 监控器  开/关控制器

控制元件  温度传感器 电压传感器（双系统）  电流传感器  固定存储器  外部界面元件  

外部通信  干片接触  输出

图4：整流器 通信设备 锂离子电池模块No.1 整流器通路状态  整流器断路状态

图5：铅酸电池  以下  以下  质量比例  锂离子电池模块  体积比例  

图6：电压  锂离子电池模块  铅酸电池  放电容量  

图7：锂离子电池模块  充电量  铅酸电池  充电时间/小时