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行了探討。關鍵詞：閥控式密封鉛酸蓄電池；二次下電；溫度補償

1引言

隨著電力電子技術的發(fā)展，為滿足通信技術發(fā)展的需要，研制出了以高頻開關整流器和閥控鉛酸蓄電池為代表的新的電源設備。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、維護量小等特點，而成為通信電源系統(tǒng)的首選電池。但在實際使用中，達不到理論預期壽命的比比皆是。本來應工作10～15年的電池，大都在2～3年內損壞，有的甚至連1年的壽命也達不到，從而造成了極大的經濟損失。除去電池本身質量因素外，由于充放電控制不合理而造成電池提前報廢的案例占了較大的比例。對電池的充放電控制不合理產生的影響是巨大的，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。合理可靠地對電池進行管理和維護，能夠保證電池有較長的使用壽命，以維護投資者的利益。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電源廠家之間競爭的重點之一。

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系列的設計壽命是8～15年，12V系列的設計壽命是3～6年。由于12V系列的電池價格較便宜，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計壽命為特定環(huán)境下的理論值，實際使用壽命與外部應用環(huán)境關系較大，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)標準YD/T799－2002中規(guī)定，高溫加速浮充壽命試驗是以環(huán)境溫度55℃下42天的一個充放電試驗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PbSO4還原成PbO2時變化過于激烈，收縮太快且不均，導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置不準或無法設置，有的根本沒有過放電保護裝置，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，甚至造成電池的報廢。

5）電池長期存放沒有初充電或補充電。

因此，為了延長閥控鉛酸蓄電池的使用壽命，應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和充電要求，嚴格按照要求對蓄電池進行充電。

一般密封鉛酸蓄電池投入使用的日期距出廠日期時間較長，電池經過長期的自放電，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、端電壓等出現不均衡，投入使用前應用均充電壓進行初充電，否則，個別電池會進一步擴展成落后電池并會導致整組電池不可用。另外，如果蓄電池長期不投入使用，閑置時間超過3個月后，應該對電池進行一次補充電。

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，要充分結合電池制造的原材料及結構特點和環(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定。根據通信用閥控密封鉛酸蓄電池行業(yè)標準YD/T799－2002的規(guī)定，在環(huán)境溫度25℃時浮充電壓允許變化范圍為2.20～2.27V。浮充電壓設置過低，電池長期處于欠充電狀態(tài)，不僅會在電池極板內部形成不可逆的硫酸鹽化，而且還會在活性物質和板柵之間形成高電阻阻擋層，使電池的內阻增加、容量下降。浮充電壓設置過高，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，在組合電源的運行與維護過程中，應根據電池廠家提供的資料進行浮充電壓設置，如電池廠家推薦的單體電池浮充電壓為2.25V，此時應設置組合電源的浮充電壓為54V(2.25×24)。

根據《電信電源維護規(guī)程》規(guī)定，閥控鉛酸蓄電池遇到下列情況之一時，應進行均衡充電：

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）閑置不用的時間超過3個月；

4）全浮充時間超過3個月。

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，根據放電時間和放電電流積分計算放電容量，放電容量達到20％要能在監(jiān)控設備上記錄下來，在市電正常后要進行均充。同時在組合電源系統(tǒng)監(jiān)控設備上可以設置定期均充周期，一般推薦是3個月。

正常浮充的情況下，充電電流極小，電池負極析出的H2和正極析出的O2幾乎完全化合成H2O；在均充時如果電流過大，氣體難以再化合，導致電池內部氣壓增大，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候要限制電池的充電電流，稱為“限流值”。在大多數情況下，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的方法可以分為調壓型和調限流點型兩種。

調限流點型組合電源系統(tǒng)監(jiān)控器首先根據電池限流值和負載電流的大小，計算出系統(tǒng)限流值以及分配到每個整流機組的限流值，然后把此參數下發(fā)給各個整流器即可。同時每隔一段時間，監(jiān)控器根據負載電流的變化和檢測到的電池電流值，重新計算調整限流值并且下發(fā)。監(jiān)控器不需調壓，只把溫度補償后的浮充，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。計算公式如下：

整流機組限流點=（負載總電流＋充電電流比率×電池總容量）／整流機組個數

調壓型組合電源系統(tǒng)監(jiān)控器通過閉環(huán)調整整流器電壓來達到限流。當電池充電電流>1.1倍限流值時，降低整流器電壓；當電池充電電流<0.9倍限流值時，提高整流器電壓，直至到達預設定電壓點為止；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功能也是其一項重要的指標。

組合電源的二次下電功能可以對電池進行過放電保護。即當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載，以維持重要負載較長的工作時間；在低于二次下電電壓后切斷所有負載，保護電池防止過放電。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。硬件保護一般指電池電壓在低于39V時必然下電，高于47V時不允許下電，下電電壓點一般不可任意設置。軟件下電保護電壓點一般可以根據電池容量和放電電流進行設置或組合電源系統(tǒng)自行調節(jié)。

對于蓄電池來說，二次下電的保護電壓應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點設置在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極的三種極化密切相關的，終止1.80V/Cell的設置是針對大約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，終止電壓較低；小電流放電時，終止電壓較高。如果負載在某一個固定的下電電壓點下電，大電流放電可能造成放電不足，不能有效延長負載工作時間；小電流放電可能造成過放電，影響電池使用壽命。例如一個300A的組合電源的后備電池組為200Ah，負載為40A（0.2C）時放電終止電壓約42V，而負載為10A（0.05C）時，放電終止電壓大約為45.6V，如果將下電電壓設置為43V，對于40A負載，電池放電不足，而對于10A負載則是過放電。這樣，在用戶負載較輕的情況下，如果下電電壓設置值還是和用戶負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，這將使電池的實際使用壽命大為縮短。

在通信領域中，為了在交流停電后電池能維持較長的時間，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這個范圍內，這就要求組合電源將放電的終止電壓設置在單體電壓1.90V左右，即系統(tǒng)下電電壓為45.6V左右。否則，蓄電池將會出現不可逆硫酸鹽化，壽命提前終止等災難性事故。組合電源系統(tǒng)最好能具備根據負載情況調節(jié)下電電壓的功能，這樣可以最大限度地延長供電時間，為用戶帶來最高投資回報，同時避免了過放電的情況，延長了蓄電池使用壽命，節(jié)省了用戶的設備投資。

5溫度補償

在一些比較偏僻的通信站點，由于很少配有空調，所以環(huán)境溫度變化較大，這對電池內部的化學反應速度有很大的影響。電池靜置時，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－反應加劇，導致失水，板柵腐蝕增加。因此，組合電源監(jiān)控設備上應有“電池過溫告警”的設置，一旦電池溫度過高，系統(tǒng)就會發(fā)出告警。當電池不是工作在電池廠家推薦的最佳溫度下時，電池的充電電壓應進行調整。溫度越高，充電電壓越低，稱為“溫度補償”。組合電源的監(jiān)控設備通過“溫度補償系數”這項參數來對充電電壓進行調整，電壓調整值為：

ΔV=－溫度補償系數(mV/℃)×（電池溫度－基準溫度）×N

這里，基準溫度通常是20℃或者25℃；N為組內電池節(jié)數，通常為24或12。由于各種電池采用的工藝和材料不同，實際應用中的溫度補償系數應根據電池廠家給出的數據進行調整。

組合電源的溫度補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節(jié)系數，電池就可以在任意環(huán)境溫度下使用。要知道，溫度低時，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，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

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

小電流放電同“測試”一樣，也是一種在線放電方法，但它是自動啟動執(zhí)行的。組合電源的監(jiān)控設備中可以設置一個“小電流放電允許開關”，當此開關允許，并且自動均充周期時間到達時，監(jiān)控器首先降低整流器限流值或者調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，然后再進行完整的均充。換言之，在自動均充前面可以有6h的放電過程。

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

參考文獻

[1]徐曼珍.閥控式密封蓄電池及其在通信中的應用[M].

北京:人民郵電出版社,1998.

[2]信息產業(yè)部.YD/T799－2002通信用閥控式密封鉛酸

蓄電池（代替YD/T799?1996)[S].2002.