通信用組合電源的電池管理

摘要：從組合電源電池管理的角度出發(fā)，對如何提高電池使用壽命進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：閥控式密封鉛酸蓄電池；二次下電；溫度補(bǔ)償

1引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，為滿足通信技術(shù)發(fā)展的需要，研制出了以高頻開關(guān)整流器和閥控鉛酸蓄電池為代表的新的電源設(shè)備。閥控式密封蓄電池以其體積小、電壓穩(wěn)定、無污染、重量輕、放電性能高、維護(hù)量小等特點(diǎn)，而成為通信電源系統(tǒng)的首選電池。但在實(shí)際使用中，達(dá)不到理論預(yù)期壽命的比比皆是。本來應(yīng)工作10～15年的電池，大都在2～3年內(nèi)損壞，有的甚至連1年的壽命也達(dá)不到，從而造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。除去電池本身質(zhì)量因素外，由于充放電控制不合理而造成電池提前報(bào)廢的案例占了較大的比例。對電池的充放電控制不合理產(chǎn)生的影響是巨大的，如電池早期容量損失、不可逆硫酸鹽化、熱失控、電解液干涸等都與充放電控制的不合理有關(guān)。合理可靠地對電池進(jìn)行管理和維護(hù)，能夠保證電池有較長的使用壽命，以維護(hù)投資者的利益。因此，在通信用組合電源系統(tǒng)中，電池管理是其重要的功能之一；電池管理的可靠性和完善性也成了各個(gè)電源廠家之間競爭的重點(diǎn)之一。

2影響電池壽命的因素

目前閥控鉛酸蓄電池使用較多的是2V系列和12V系列。這兩種電池的壽命差別較大，一般2V系列的設(shè)計(jì)壽命是8～15年，12V系列的設(shè)計(jì)壽命是3～6年。由于12V系列的電池價(jià)格較便宜，目前在通信系統(tǒng)中使用12V系列的電池比例較高，但2V系列電池的應(yīng)用范圍也在逐漸增加，特別是在一些重要的場所基本上都使用2V系列的電池。

蓄電池制造商提供的蓄電池設(shè)計(jì)壽命為特定環(huán)境下的理論值，實(shí)際使用壽命與外部應(yīng)用環(huán)境關(guān)系較大，它包括

1）環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的升高，將加速電池板柵的腐蝕和增加電池中水分的損失，從而使電池壽命大大縮短，一般情況下，溫度每升高10℃，電池使用壽命將減少50％，溫度越高影響越大。在通信用閥控密封鉛酸?電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T799－2002中規(guī)定，高溫加速浮充壽命試驗(yàn)是以環(huán)境溫度55℃下42天的一個(gè)充放電試驗(yàn)折合一年的正常使用壽命,由此可見高溫對電池壽命的影響。

2）充電不足長期充電不足使得負(fù)極板形成晶核，極板硫酸化，電池難以還原。

3）大電流充電充電電流過大，正極板上的活性物質(zhì)PbSO4還原成PbO2時(shí)變化過于激烈，收縮太快且不均，導(dǎo)致電池正極板彎曲膨脹，變形損壞。

4）過放電大部分電池放電終止電壓設(shè)置不準(zhǔn)或無法設(shè)置，有的根本沒有過放電保護(hù)裝置，造成蓄電池組的深放電，體積增大，變形，甚至破裂。電池的過放電會對電池的使用壽命造成的影響很大，一次深度的過放電可能會使電池的使用壽命減少1～2年，甚至造成電池的報(bào)廢。

5）電池長期存放沒有初充電或補(bǔ)充電。

因此，為了延長閥控鉛酸蓄電池的使用壽命，應(yīng)高度重視組合電源系統(tǒng)的充放電控制。

3均浮充控制

通信用蓄電池的充電方式主要是浮充電和均衡充電兩種。為了延長閥控電池的使用壽命，必須了解不同充電方式的充電特點(diǎn)和充電要求，嚴(yán)格按照要求對蓄電池進(jìn)行充電。

一般密封鉛酸蓄電池投入使用的日期距出廠日期時(shí)間較長，電池經(jīng)過長期的自放電，容量必然大量損失，并且由于單體電池自放電大小的差異，致使電池的比重、端電壓等出現(xiàn)不均衡，投入使用前應(yīng)用均充電壓進(jìn)行初充電，否則，個(gè)別電池會進(jìn)一步擴(kuò)展成落后電池并會導(dǎo)致整組電池不可用。另外，如果蓄電池長期不投入使用，閑置時(shí)間超過3個(gè)月后，應(yīng)該對電池進(jìn)行一次補(bǔ)充電。

在浮充狀態(tài)下，充電電流除維持電池的自放電以外，還維持電池內(nèi)的氧循環(huán)，但是浮充狀態(tài)下充電電流又是與電池的浮充電壓密切相關(guān)的。因此，為了使閥控鉛酸蓄電池有較長的使用壽命，在電池使用過程中，要充分結(jié)合電池制造的原材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和環(huán)境溫度等幾方面的情況，制定電池合理的使用條件，尤其是浮充電壓的設(shè)定。根據(jù)通信用閥控密封鉛酸蓄電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T799－2002的規(guī)定，在環(huán)境溫度25℃時(shí)浮充電壓允許變化范圍為2.20～2.27V。浮充電壓設(shè)置過低，電池長期處于欠充電狀態(tài)，不僅會在電池極板內(nèi)部形成不可逆的硫酸鹽化，而且還會在活性物質(zhì)和板柵之間形成高電阻阻擋層，使電池的內(nèi)阻增加、容量下降。浮充電壓設(shè)置過高，電池長期處于過充電狀態(tài)，會使電池充電電流增大，電池負(fù)極析出的H2和正極析出的O2氣體難以全部再化合成H2O，造成電池失水，板柵腐蝕加速，使用壽命提前終止。因此，在組合電源的運(yùn)行與維護(hù)過程中，應(yīng)根據(jù)電池廠家提供的資料進(jìn)行浮充電壓設(shè)置，如電池廠家推薦的單體電池浮充電壓為2.25V，此時(shí)應(yīng)設(shè)置組合電源的浮充電壓為54V(2.25×24)。

根據(jù)《電信電源維護(hù)規(guī)程》規(guī)定，閥控鉛酸蓄電池遇到下列情況之一時(shí)，應(yīng)進(jìn)行均衡充電：

1）2只以上單體電池的浮充電壓低于2.18V；

2）放電深度超過20％；

3）閑置不用的時(shí)間超過3個(gè)月；

4）全浮充時(shí)間超過3個(gè)月。

因此，為了延長蓄電池的使用壽命，組合電源系統(tǒng)要檢測電池放電情況，根據(jù)放電時(shí)間和放電電流積分計(jì)算放電容量，放電容量達(dá)到20％要能在監(jiān)控設(shè)備上記錄下來，在市電正常后要進(jìn)行均充。同時(shí)在組合電源系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備上可以設(shè)置定期均充周期，一般推薦是3個(gè)月。

正常浮充的情況下，充電電流極小，電池負(fù)極析出的H2和正極析出的O2幾乎完全化合成H2O；在均充時(shí)如果電流過大，氣體難以再化合，導(dǎo)致電池內(nèi)部氣壓增大，引起排氣閥門開啟，造成電池失水。因此，在電池均充或浮充時(shí)候要限制電池的充電電流，稱為“限流值”。在大多數(shù)情況下，限流值在0.05C～0.25C之間。

對于通信用組合電源系統(tǒng)，從整流器控制限流點(diǎn)的方法可以分為調(diào)壓型和調(diào)限流點(diǎn)型兩種。

調(diào)限流點(diǎn)型組合電源系統(tǒng)監(jiān)控器首先根據(jù)電池限流值和負(fù)載電流的大小，計(jì)算出系統(tǒng)限流值以及分配到每個(gè)整流機(jī)組的限流值，然后把此參數(shù)下發(fā)給各個(gè)整流器即可。同時(shí)每隔一段時(shí)間，監(jiān)控器根據(jù)負(fù)載電流的變化和檢測到的電池電流值，重新計(jì)算調(diào)整限流值并且下發(fā)。監(jiān)控器不需調(diào)壓，只把溫度補(bǔ)償后的浮充，均充電壓值下發(fā)即可。此種方式，電池可以獲得恒定的充電電流。計(jì)算公式如下：

整流機(jī)組限流點(diǎn)=（負(fù)載總電流＋充電電流比率×電池總?cè)萘浚鳈C(jī)組個(gè)數(shù)

調(diào)壓型組合電源系統(tǒng)監(jiān)控器通過閉環(huán)調(diào)整整流器電壓來達(dá)到限流。當(dāng)電池充電電流>1.1倍限流值時(shí)，降低整流器電壓；當(dāng)電池充電電流0.9倍限流值時(shí)，提高整流器電壓，直至到達(dá)預(yù)設(shè)定電壓點(diǎn)為止；其它情況則維持整流器輸出電壓不變。

4二次下電

如前所述，電池的過放電會對電池的使用壽命造成很大的影響，所以，組合電源的過放電保護(hù)功能也是其一項(xiàng)重要的指標(biāo)。

組合電源的二次下電功能可以對電池進(jìn)行過放電保護(hù)。即當(dāng)交流電源停電后電池放電，在電池電壓低于一次下電電壓后，切斷耗電量較大的次要負(fù)載，以維持重要負(fù)載較長的工作時(shí)間；在低于二次下電電壓后切斷所有負(fù)載，保護(hù)電池防止過放電。為了提高系統(tǒng)的可靠性，一般要求下電電路具備軟硬件雙重保護(hù)。硬件保護(hù)一般指電池電壓在低于39V時(shí)必然下電，高于47V時(shí)不允許下電，下電電壓點(diǎn)一般不可任意設(shè)置。軟件下電保護(hù)電壓點(diǎn)一般可以根據(jù)電池容量和放電電流進(jìn)行設(shè)置或組合電源系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)。

對于蓄電池來說，二次下電的保護(hù)電壓應(yīng)該是電池放電終止電壓，而在通信電源系統(tǒng)中，一般都將蓄電池組的下電電壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)置在43V，單體電池的終止電壓約為1.80V。但是蓄電池的終止電壓是與電池正負(fù)極的三種極化密切相關(guān)的，終止1.80V/Cell的設(shè)置是針對大約0.1C左右的放電速率而定的。由于極化的存在，電池在不同的放電電流情況下，終止電壓是不同的。大電流放電時(shí)，終止電壓較低；小電流放電時(shí)，終止電壓較高。如果負(fù)載在某一個(gè)固定的下電電壓點(diǎn)下電，大電流放電可能造成放電不足，不能有效延長負(fù)載工作時(shí)間；小電流放電可能造成過放電，影響電池使用壽命。例如一個(gè)300A的組合電源的后備電池組為200Ah，負(fù)載為40A（0.2C）時(shí)放電終止電壓約42V，而負(fù)載為10A（0.05C）時(shí)，放電終止電壓大約為45.6V，如果將下電電壓設(shè)置為43V，對于40A負(fù)載，電池放電不足，而對于10A負(fù)載則是過放電。這樣，在用戶負(fù)載較輕的情況下，如果下電電壓設(shè)置值還是和用戶負(fù)載較重情況下的一樣，就會使得電池長年工作在深度放電狀態(tài)下，這將使電池的實(shí)際使用壽命大為縮短。

在通信領(lǐng)域中，為了在交流停電后電池能維持較長的時(shí)間，一般配置電池的容量較大，蓄電池的放電速率大部分都在0.02～0.05C這個(gè)范圍內(nèi)，這就要求組合電源將放電的終止電壓設(shè)置在單體電壓1.90V左右，即系統(tǒng)下電電壓為45.6V左右。否則，蓄電池將會出現(xiàn)不可逆硫酸鹽化，壽命提前終止等災(zāi)難性事故。組合電源系統(tǒng)最好能具備根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)下電電壓的功能，這樣可以最大限度地延長供電時(shí)間，為用戶帶來最高投資回報(bào)，同時(shí)避免了過放電的情況，延長了蓄電池使用壽命，節(jié)省了用戶的設(shè)備投資。

5溫度補(bǔ)償

在一些比較偏僻的通信站點(diǎn)，由于很少配有空調(diào)，所以環(huán)境溫度變化較大，這對電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度有很大的影響。電池靜置時(shí)，通常要求在0～40℃的條件下。溫度太高將會使得電池的自放電加劇。而電池在使用時(shí)條件更苛刻，通常要求在20～25℃之間。在這種條件下，電池性能最佳，壽命最長。低溫，會使得電池容量降低，充電接收能力下降，充放電循環(huán)壽命下降；高溫，會使得Pb＋2H2O→PbO2＋4H＋＋4e－反應(yīng)加劇，導(dǎo)致失水，板柵腐蝕增加。因此，組合電源監(jiān)控設(shè)備上應(yīng)有“電池過溫告警”的設(shè)置，一旦電池溫度過高，系統(tǒng)就會發(fā)出告警。當(dāng)電池不是工作在電池廠家推薦的最佳溫度下時(shí)，電池的充電電壓應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。溫度越高，充電電壓越低，稱為“溫度補(bǔ)償”。組合電源的監(jiān)控設(shè)備通過“溫度補(bǔ)償系數(shù)”這項(xiàng)參數(shù)來對充電電壓進(jìn)行調(diào)整，電壓調(diào)整值為：

ΔV=－溫度補(bǔ)償系數(shù)(mV/℃)×（電池溫度－基準(zhǔn)溫度）×N

這里，基準(zhǔn)溫度通常是20℃或者25℃；N為組內(nèi)電池節(jié)數(shù)，通常為24或12。由于各種電池采用的工藝和材料不同，實(shí)際應(yīng)用中的溫度補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)根據(jù)電池廠家給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

組合電源的溫度補(bǔ)償功能就是要將溫度對電池的影響減至最小，但絕不是說有了充電電壓的調(diào)節(jié)系數(shù)，電池就可以在任意環(huán)境溫度下使用。要知道，溫度低時(shí)，由于浮充電壓增大，同樣會引起浮充電流增大，板柵腐蝕加速等一系列的問題；而溫度高時(shí)，浮充電壓減小，也會形成電池充電不足等一系列問題。

6測試和小電流放電

為了保持電池化學(xué)活性，特別對于長期不停電的應(yīng)用場所，有時(shí)需要對電池進(jìn)行放電，“測試”就是一個(gè)比較好的在線放電方法。測試需要由用戶人工啟動(dòng)，測試電壓用戶可以自由設(shè)置。為了防止用戶一時(shí)疏忽，在測試持續(xù)8h以后，組合電源的監(jiān)控設(shè)備應(yīng)退出測試狀態(tài)，并且自動(dòng)進(jìn)行一次均充。

小電流放電同“測試”一樣，也是一種在線放電方法，但它是自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行的。組合電源的監(jiān)控設(shè)備中可以設(shè)置一個(gè)“小電流放電允許開關(guān)”，當(dāng)此開關(guān)允許，并且自動(dòng)均充周期時(shí)間到達(dá)時(shí)，監(jiān)控器首先降低整流器限流值或者調(diào)低整流器輸出電壓來使得電池以較小的電流放電，并且持續(xù)6h，然后再進(jìn)行完整的均充。換言之，在自動(dòng)均充前面可以有6h的放電過程。

需要注意的是，測試是人工啟動(dòng)，小電流放電是自動(dòng)啟動(dòng)，啟動(dòng)成功還必須滿足一個(gè)條件，即任何一組電池的剩余容量要大于80％。