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通信用组合电源的电池管理
[发布时间]：2011年6月9日 [来源]：21世纪电源网 [点击率]：2757
【导读】： 随着电力电子技术的发展，为满足通信技术发展的需要，研制出了以高频开关整流器和阀控铅酸蓄电池为代表的新的电源设备。阀控式密封蓄电池以其体积小、电压稳定、无污染、重量轻、放电性能高、维护量小等特点，而...
    随着电力电子技术的发展，为满足通信技术发展的需要，研制出了以高频开关整流器和阀控铅酸蓄电池为代表的新的电源设备。阀控式密封蓄电池以其体积小、电压稳定、无污染、重量轻、放电性能高、维护量小等特点，而成为通信电源系统的首选电池。但在实际使用中，达不到理论预期寿命的比比皆是。本来应工作10～15年的电池，大都在2～3年内损坏，有的甚至连1年的寿命也达不到，从而造成了极大的经济损失。除去电池本身质量因素外，由于充放电控制不合理而造成电池提前报废的案例占了较大的比例。对电池的充放电控制不合理产生的影响是巨大的，如电池早期容量损失、不可逆硫酸盐化、热失控、电解液干涸等都与充放电控制的不合理有关。合理可靠地对电池进行管理和维护，能够保证电池有较长的使用寿命，以维护投资者的利益。因此，在通信用组合电源系统中，电池管理是其重要的功能之一；电池管理的可靠性和完善性也成了各个电源厂家之间竞争的重点之一。
    2影响电池寿命的因素
目前阀控铅酸蓄电池使用较多的是2V系列和12V系列。这两种电池的寿命差别较大，一般2V系列的设计寿命是8～15年，12V系列的设计寿命是3～6年。由于12V系列的电池价格较便宜，目前在通信系统中使用12V系列的电池比例较高，但2V系列电池的应用范围也在逐渐增加，特别是在一些重要的场所基本上都使用2V系列的电池。
蓄电池制造商提供的蓄电池设计寿命为特定环境下的理论值，实际使用寿命与外部应用环境关系较大，它包括
1）环境温度的影响环境温度的升高，将加速电池板栅的腐蚀和增加电池中水分的损失，从而使电池寿命大大缩短，一般情况下，温度每升高10℃，电池使用寿命将减少50％，温度越高影响越大。在通信用阀控密封铅酸?电池行业标准YD/T799－2002中规定，高温加速浮充寿命试验是以环境温度55℃下42天的一个充放电试验折合一年的正常使用寿命,由此可见高温对电池寿命的影响。
2）充电不足长期充电不足使得负极板形成晶核，极板硫酸化，电池难以还原。
3）大电流充电充电电流过大，正极板上的活性物质PbSO4还原成PbO2时变化过于激烈，收缩太快且不均，导致电池正极板弯曲膨胀，变形损坏。
4）过放电大部分电池放电终止电压设置不准或无法设置，有的根本没有过放电保护装置，造成蓄电池组的深放电，体积增大，变形，甚至破裂。电池的过放电会对电池的使用寿命造成的影响很大，一次深度的过放电可能会使电池的使用寿命减少1～2年，甚至造成电池的报废。
5）电池长期存放没有初充电或补充电。
因此，为了延长阀控铅酸蓄电池的使用寿命，应高度重视组合电源系统的充放电控制。
3均浮充控制
通信用蓄电池的充电方式主要是浮充电和均衡充电两种。为了延长阀控电池的使用寿命，必须了解不同充电方式的充电特点和充电要求，严格按照要求对蓄电池进行充电。
一般密封铅酸蓄电池投入使用的日期距出厂日期时间较长，电池经过长期的自放电，容量必然大量损失，并且由于单体电池自放电大小的差异，致使电池的比重、端电压等出现不均衡，投入使用前应用均充电压进行初充电，否则，个别电池会进一步扩展成落后电池并会导致整组电池不可用。另外，如果蓄电池长期不投入使用，闲置时间超过3个月后，应该对电池进行一次补充电。
在浮充状态下，充电电流除维持电池的自放电以外，还维持电池内的氧循环，但是浮充状态下充电电流又是与电池的浮充电压密切相关的。因此，为了使阀控铅酸蓄电池有较长的使用寿命，在电池使用过程中，要充分结合电池制造的原材料及结构特点和环境温度等几方面的情况，制定电池合理的使用条件，尤其是浮充电压的设定。根据通信用阀控密封铅酸蓄电池行业标准YD/T799－2002的规定，在环境温度25℃时浮充电压允许变化范围为2.20～2.27V。浮充电压设置过低，电池长期处于欠充电状态，不仅会在电池极板内部形成不可逆的硫酸盐化，而且还会在活性物质和板栅之间形成高电阻阻挡层，使电池的内阻增加、容量下降。浮充电压设置过高，电池长期处于过充电状态，会使电池充电电流增大，电池负极析出的H2和正极析出的O2气体难以全部再化合成H2O，造成电池失水，板栅腐蚀加速，使用寿命提前终止。因此，在组合电源的运行与维护过程中，应根据电池厂家提供的资料进行浮充电压设置，如电池厂家推荐的单体电池浮充电压为2.25V，此时应设置组合电源的浮充电压为54V(2.25×24)。
根据《电信电源维护规程》规定，阀控铅酸蓄电池遇到下列情况之一时，应进行均衡充电：
1）2只以上单体电池的浮充电压低于2.18V；
2）放电深度超过20％；
3）闲置不用的时间超过3个月；
4）全浮充时间超过3个月。
因此，为了延长蓄电池的使用寿命，组合电源系统要检测电池放电情况，根据放电时间和放电电流积分计算放电容量，放电容量达到20％要能在监控设备上记录下来，在市电正常后要进行均充。同时在组合电源系统监控设备上可以设置定期均充周期，一般推荐是3个月。
正常浮充的情况下，充电电流极小，电池负极析出的H2和正极析出的O2几乎完全化合成H2O；在均充时如果电流过大，气体难以再化合，导致电池内部气压增大，引起排气阀门开启，造成电池失水。因此，在电池均充或浮充时候要限制电池的充电电流，称为“限流值”。在大多数情况下，限流值在0.05C～0.25C之间。
对于通信用组合电源系统，从整流器控制限流点的方法可以分为调压型和调限流点型两种。
调限流点型组合电源系统监控器首先根据电池限流值和负载电流的大小，计算出系统限流值以及分配到每个整流机组的限流值，然后把此参数下发给各个整流器即可。同时每隔一段时间，监控器根据负载电流的变化和检测到的电池电流值，重新计算调整限流值并且下发。监控器不需调压，只把温度补偿后的浮充，均充电压值下发即可。此种方式，电池可以获得恒定的充电电流。计算公式如下：
整流机组限流点=（负载总电流＋充电电流比率×电池总容量）／整流机组个数
调压型组合电源系统监控器通过闭环调整整流器电压来达到限流。当电池充电电流>1.1倍限流值时，降低整流器电压；当电池充电电流<0.9倍限流值时，提高整流器电压，直至到达预设定电压点为止；其它情况则维持整流器输出电压不变。
4二次下电
如前所述，电池的过放电会对电池的使用寿命造成很大的影响，所以，组合电源的过放电保护功能也是其一项重要的指标。
组合电源的二次下电功能可以对电池进行过放电保护。即当交流电源停电后电池放电，在电池电压低于一次下电电压后，切断耗电量较大的次要负载，以维持重要负载较长的工作时间；在低于二次下电电压后切断所有负载，保护电池防止过放电。为了提高系统的可靠性，一般要求下电电路具备软硬件双重保护。硬件保护一般指电池电压在低于39V时必然下电，高于47V时不允许下电，下电电压点一般不可任意设置。软件下电保护电压点一般可以根据电池容量和放电电流进行设置或组合电源系统自行调节。
对于蓄电池来说，二次下电的保护电压应该是电池放电终止电压，而在通信电源系统中，一般都将蓄电池组的下电电压保护点设置在43V，单体电池的终止电压约为1.80V。但是蓄电池的终止电压是与电池正负极的三种极化密切相关的，终止1.80V/Cell的设置是针对大约0.1C左右的放电速率而定的。由于极化的存在，电池在不同的放电电流情况下，终止电压是不同的。大电流放电时，终止电压较低；小电流放电时，终止电压较高。如果负载在某一个固定的下电电压点下电，大电流放电可能造成放电不足，不能有效延长负载工作时间；小电流放电可能造成过放电，影响电池使用寿命。例如一个300A的组合电源的后备电池组为200Ah，负载为40A（0.2C）时放电终止电压约42V，而负载为10A（0.05C）时，放电终止电压大约为45.6V，如果将下电电压设置为43V，对于40A负载，电池放电不足，而对于10A负载则是过放电。这样，在用户负载较轻的情况下，如果下电电压设置值还是和用户负载较重情况下的一样，就会使得电池长年工作在深度放电状态下，这将使电池的实际使用寿命大为缩短。
在通信领域中，为了在交流停电后电池能维持较长的时间，一般配置电池的容量较大，蓄电池的放电速率大部分都在0.02～0.05C这个范围内，这就要求组合电源将放电的终止电压设置在单体电压1.90V左右，即系统下电电压为45.6V左右。否则，蓄电池将会出现不可逆硫酸盐化，寿命提前终止等灾难性事故。组合电源系统最好能具备根据负载情况调节下电电压的功能，这样可以最大限度地延长供电时间，为用户带来最高投资回报，同时避免了过放电的情况，延长了蓄电池使用寿命，节省了用户的设备投资。
5温度补偿
在一些比较偏僻的通信站点，由于很少配有空调，所以环境温度变化较大，这对电池内部的化学反应速度有很大的影响。电池静置时，通常要求在0～40℃的条件下。温度太高将会使得电池的自放电加剧。而电池在使用时条件更苛刻，通常要求在20～25℃之间。在这种条件下，电池性能最佳，寿命最长。低温，会使得电池容量降低，充电接收能力下降，充放电循环寿命下降；高温，会使得Pb＋2H2O→PbO2＋4H＋＋4e－反应加剧，导致失水，板栅腐蚀增加。因此，组合电源监控设备上应有“电池过温告警”的设置，一旦电池温度过高，系统就会发出告警。当电池不是工作在电池厂家推荐的最佳温度下时，电池的充电电压应进行调整。温度越高，充电电压越低，称为“温度补偿”。组合电源的监控设备通过“温度补偿系数”这项参数来对充电电压进行调整，电压调整值为：
ΔV=－温度补偿系数(mV/℃)×（电池温度－基准温度）×N
这里，基准温度通常是20℃或者25℃；N为组内电池节数，通常为24或12。由于各种电池采用的工艺和材料不同，实际应用中的温度补偿系数应根据电池厂家给出的数据进行调整。
组合电源的温度补偿功能就是要将温度对电池的影响减至最小，但绝不是说有了充电电压的调节系数，电池就可以在任意环境温度下使用。要知道，温度低时，由于浮充电压增大，同样会引起浮充电流增大，板栅腐蚀加速等一系列的问题；而温度高时，浮充电压减小，也会形成电池充电不足等一系列问题。
6测试和小电流放电
为了保持电池化学活性，特别对于长期不停电的应用场所，有时需要对电池进行放电，“测试”就是一个比较好的在线放电方法。测试需要由用户人工启动，测试电压用户可以自由设置。为了防止用户一时疏忽，在测试持续8h以后，组合电源的监控设备应退出测试状态，并且自动进行一次均充。
小电流放电同“测试”一样，也是一种在线放电方法，但它是自动启动执行的。组合电源的监控设备中可以设置一个“小电流放电允许开关”，当此开关允许，并且自动均充周期时间到达时，监控器首先降低整流器限流值或者调低整流器输出电压来使得电池以较小的电流放电，并且持续6h，然后再进行完整的均充。换言之，在自动均充前面可以有6h的放电过程。
需要注意的是，测试是人工启动，小电流放电是自动启动，启动成功还必须满足一个条件，即任何一组电池的剩余容量要大于80％。
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