閥控式密封鉛酸蓄電池均衡技術(shù)在通信局站的應(yīng)用分析

楊 超

（中國(guó)電信股份有限公司徐州分公司，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

閥控鉛酸蓄電池是通信局站使用的主要電池類型，具有維護(hù)工作量小、安全可靠、放電性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)。但是，它對(duì)充電電壓精度和運(yùn)行環(huán)境溫度要求較高。過高的充電電壓和使用溫度將引發(fā)電池失水造成容量下降，縮短壽命甚至發(fā)生熱失控。

小型通信局站設(shè)備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，蓄電池運(yùn)行溫度經(jīng)常超出安全范圍，電池均衡性遭到破環(huán)。單體電池容量差異增大，落后電池出現(xiàn)幾率增加，導(dǎo)致后備放電時(shí)間不足和突然放電終止情況經(jīng)常發(fā)生，且大幅縮短了電池組使用壽命，給運(yùn)營(yíng)商造成了嚴(yán)重?fù)p失。

提高蓄電池組運(yùn)行質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，提升通信局站供電安全，是運(yùn)營(yíng)商迫切需要解決的問題，而電池均衡技術(shù)的不斷進(jìn)步為解決上述問題提供了可能。

1 通信局站蓄電池不均衡的原因和危害

通信局站通常采用24只2 V單體電池串聯(lián)組成蓄電池組。開關(guān)電源輸出端與蓄電池組和通信設(shè)備并聯(lián)，且始終保持蓄電池組的充電總電壓恒定，或者根據(jù)環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)對(duì)蓄電池組總電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于單體電池在生產(chǎn)過程中不可能做到端電壓、容量、內(nèi)阻的完全一致，因此不可避免會(huì)產(chǎn)生輕微不均衡情況。如果某只單體電池浮充電壓偏低，則其他電池單體浮充電壓會(huì)升高，以保持蓄電池組的總電壓不變。長(zhǎng)時(shí)間電壓不均衡，將造成浮充電壓低的單體長(zhǎng)期充不滿，其他單體電壓長(zhǎng)期過高而過充電，致使蓄電池加速水的電解造成嚴(yán)重失水，極板氧化加速，引起壽命縮短、容量下降、熱失控等問題。

放電過程中，單體電壓較低的電池由于過放而引起不可逆的活性物質(zhì)快速脫落和容量損失，并在充電過程中加劇不平衡的擴(kuò)大，是落后電池產(chǎn)生的主要原因。部分落后單體電池經(jīng)歷多次欠充和過放循環(huán)后導(dǎo)致容量嚴(yán)重不足，甚至在放電時(shí)出現(xiàn)反極現(xiàn)象和單體失效，造成不可預(yù)測(cè)的突然放電終止而引起通信局站的通信阻斷，從而帶來難以估計(jì)的損失。

由單體電池串聯(lián)組成的蓄電池組能夠放出的容量取決于容量最低的單體電池。使用過程中經(jīng)常存在蓄電池組總電壓降至放電終止電壓但仍有大量單體電池容量沒有放出的情況。由于串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量較多，不均衡情況也會(huì)更容易產(chǎn)生。因此，提高充放電循環(huán)中單體電池均衡性，最大限度輸出電池組容量，使每只單體都能夠得到充分放電和充電，是有效提高電池組后備放電時(shí)間、延長(zhǎng)使用壽命和提高通信局站供電保障能力的重要手段。

2 電池均衡技術(shù)概述

2.1 蓄電池均衡技術(shù)概念和策略

蓄電池的均衡是指在由多只單體電池組成的電池組中，對(duì)各單體電池在充放電方法上采取措施，使各蓄電池在充電時(shí)能夠同時(shí)達(dá)到充電終止電壓或者在放電時(shí)同時(shí)到達(dá)放電終止電壓。

它的能量轉(zhuǎn)移均衡策略可理解為，通過比較兩只單體電池的電壓，啟動(dòng)相應(yīng)控制電路做電壓均衡，最終達(dá)到相鄰兩電池的電壓均衡，從而達(dá)到各單體之間的均衡。能量的傳遞途徑通過對(duì)單體的補(bǔ)流與釋放能量實(shí)現(xiàn)。

2.2 均衡電路種類

常用的均衡電路主要包括電阻型均衡電路、電容型均衡電路、電感型均衡電路、變壓器型均衡電路和變換器型均衡電路。其中，電阻性均衡電路屬被動(dòng)均衡，其他電路屬主動(dòng)均衡。

電阻型均衡電路將每只單體電池與開關(guān)器件和電阻相連，通過控制開關(guān)器件的通斷釋放高于其他單體的能量通過電阻，以達(dá)到各單體的均衡。它的電路元器件少，控制簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，但消耗能量多，運(yùn)行效率低，存在熱管理問題，只能實(shí)現(xiàn)充電均衡。

開關(guān)電容型均衡電路在每?jī)蓚€(gè)相鄰的單體之間將開關(guān)器件與電容連接，通過控制開關(guān)器件的切換實(shí)現(xiàn)相鄰單體的均衡。此方法控制較簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高，充電和放電時(shí)都能實(shí)現(xiàn)均衡，但是均衡速度慢。

變壓器型均衡電路可分為單獨(dú)變壓器型均衡和多繞組變壓器型均衡。單獨(dú)變壓器型均衡即每只單體電池均并聯(lián)一個(gè)獨(dú)立變換器；多繞組變壓器型均衡即一個(gè)變壓器有多個(gè)副邊，每個(gè)副邊連接一只單體電池，通過控制變壓器副邊輸出電壓，將整個(gè)電池組的能量轉(zhuǎn)移到電壓較低單體電池中。該方式具有均衡速度較塊、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)充放電均衡。但是，它對(duì)變壓器的要求較高，價(jià)格昂貴。變壓器副邊數(shù)量需與電池單體數(shù)量匹配，靈活性不高。

變換器型均衡電路包括Buck-Boost變換器型均衡電路和Cuk變換器型均衡電路。Buck-Boost變換器型均衡電路控制簡(jiǎn)單，均衡速度快，運(yùn)行效率高，靈活性好，但是當(dāng)兩只電池相距較遠(yuǎn)時(shí)均衡速度慢，效率低。Cuk變換器型均衡電路將每?jī)芍粏误w電池組成一個(gè)均衡單元，由儲(chǔ)能電容、儲(chǔ)能電感和開關(guān)器件組成。當(dāng)相鄰兩只單體產(chǎn)生不平衡時(shí)，均衡電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件交替通斷，電壓高的單體電池向電壓低的單體遷移能量，直到兩個(gè)單體平衡。它的控制較簡(jiǎn)單，均衡速度較快，能量損失小，運(yùn)行效率高，可以實(shí)現(xiàn)充放電均衡，但生產(chǎn)成本較高。

3 應(yīng)用測(cè)試分析

將一種Cuk變換器型均衡設(shè)備安裝于通信局站進(jìn)行在線測(cè)試，分析其充放電均衡效果。

3.1 測(cè)試環(huán)境

為驗(yàn)證電池均衡技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果，選取通信局站在網(wǎng)運(yùn)行的48 V系統(tǒng)進(jìn)行在線測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

被測(cè)試系統(tǒng)為某品牌VRLA蓄電池兩組共48只，每組24只，單體額定容量500 Ah，單體額定電壓2 V，在網(wǎng)使用8年，負(fù)載電流48 A，存在多只單體電池落后、整組容量不足的情況。

均衡設(shè)備與蓄電池組的電路連接如圖1所示。

圖1 蓄電池能量均衡實(shí)驗(yàn)接線圖

3.2 測(cè)試方案

開展3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，分別在均衡系統(tǒng)開啟和關(guān)閉狀態(tài)驗(yàn)證充、放電過程中的均衡效果，重點(diǎn)測(cè)試放電狀態(tài)對(duì)電池組容量、電壓、后備時(shí)間的影響。放電終止條件選擇系統(tǒng)輸出總電壓降至46 V時(shí)終止，單體電池電壓過低不作為終止條件。因這不是整組電池實(shí)際支撐時(shí)間的真實(shí)表現(xiàn)，通信局實(shí)際停電時(shí)也不會(huì)因單體電池過低即終止放電。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)一是分別在均衡功能關(guān)閉和開啟狀態(tài)測(cè)量各單體電壓，期間分別充電12 h，實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔48 h。

1號(hào)電池組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。關(guān)閉均衡功能時(shí)，單體電池浮充電壓最高2.244 V，最低2.210 V，單體最大壓差34 mV。開啟均衡功能時(shí)，單體電池浮充電壓最高2.238 V，最低2.219 V，單體最大壓差19 mV?？梢姡褂镁夤δ芮昂髥误w最大壓差減小15 mV。

圖2 一號(hào)電池組浮電電壓比較

2號(hào)電池組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。關(guān)閉均衡功能，電池單體浮充電壓最高2.254 V，最低2.210 V，單體最大壓差44 mV。開啟均衡功能，電池單體浮充電壓最高2.248 V，最低2.219 V，單體最大壓差29 mV?？梢?，使用均衡功能前后單體最大壓差減小15 mV。

圖3 二號(hào)電池組浮充電壓比較

3.2.2 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)二是將蓄電池組充滿電狀態(tài)，在均衡功能不開啟時(shí)根據(jù)實(shí)際負(fù)載在線放電，系統(tǒng)輸出總電壓下降至46 V時(shí)開啟均衡功能，繼續(xù)放電至46 V時(shí)終止放電，記錄單體電壓、總電壓、放電電流和放電時(shí)間。

1號(hào)電池組單體放電電壓測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。從開始放電至開啟均衡功能前，部分落后電池單體電壓快速降低，最低單體電壓降至0.805 V。當(dāng)輸出總電壓降至46 V時(shí)開啟均衡功能，落后電池單體電壓均有明顯回升，單體電壓放電曲線明顯收攏，單體電壓均衡性好轉(zhuǎn)，其中最低單體電壓回升至1.838 V，回升1.033 V，其他質(zhì)態(tài)較好電池單體電壓略有降低，放電終止前單體最低電壓1.814 V，較開啟均衡功能前高1.009 V，未出現(xiàn)單體電壓嚴(yán)重劣化情況。

圖4 一號(hào)電池組單體電池放電電壓（中途開啟均衡設(shè)備）

2號(hào)電池組單體放電電壓測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示。從開始放電至開啟均衡功能前，部分落后電池單體電壓快速降低，最低單體電壓1.805 V。當(dāng)輸出總電壓降至46 V時(shí)開啟均衡功能，落后電池單體電壓均回升明顯，單體電壓曲線收攏，單體電壓均衡性好轉(zhuǎn)，其中最低單體電壓回升至1.841 V，回升36 mV，其他質(zhì)態(tài)較好電池單體電壓略有下降，放電終止前單體最低電壓1.788 V，未出現(xiàn)單體電壓嚴(yán)重劣化情況。

圖5 二號(hào)電池組單體電池放電電壓（中途開啟均衡設(shè)備）

總電壓測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示。從開始放電至開啟均衡功能前，共持續(xù)放電330 min，系統(tǒng)輸出總電壓降至46.2 V，1號(hào)電池組總電壓降至44.863 V，2號(hào)電池組總電壓降至47.653 V。此時(shí)開啟均衡功能，系統(tǒng)輸出總電壓回升至47.27 V，回升1.07 V；1號(hào)電池組總電壓回升至47.13 V，回升2.267 V；2號(hào)電池組總電壓從47.653降至47.533 V，3個(gè)總電壓值趨于一致，總電壓曲線明顯收攏。繼續(xù)放電140 min，系統(tǒng)輸出總電壓再次降至46.2 V，1號(hào)電池組總電壓降至46.083 V，2號(hào)電池組總電壓降至46.5 V，終止放電。

圖6 電池組放電總電壓比較（中途開啟均衡設(shè)備）

3.2.3 實(shí)驗(yàn)三

在蓄電池組充滿電的狀態(tài)下，全程開啟均衡功能開始放電，系統(tǒng)輸出電壓至46 V時(shí)終止放電，記錄單體電壓、總電壓、放電電流和放電時(shí)間。

1號(hào)電池組單體放電電壓測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。放電過程電池單體電壓穩(wěn)步降低，單體電壓一致性較好，已知落后電池單體并未出現(xiàn)嚴(yán)重劣化情況，放電終止時(shí)單體最低電壓1.779 V。

圖7 一號(hào)電池組單體電池放電電壓（持續(xù)開啟均衡設(shè)備）

2號(hào)電池組單體放電電壓測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。放電過程電池單體電壓穩(wěn)步降低，有2只單體電壓較低，放電終止時(shí)單體最低電壓1.703 V。

圖8 二號(hào)電池組單體電池放電電壓（持續(xù)開啟均衡設(shè)備）

總電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。放電過程總電壓下降平緩，1號(hào)電池組總電壓、2號(hào)電池組總電壓以及系統(tǒng)輸出總電壓的電壓曲線基本一致，未出現(xiàn)斜率嚴(yán)重突變。

圖9 電池組放電總電壓比較（持續(xù)開啟均衡設(shè)備）

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)一測(cè)試數(shù)據(jù)，開啟電池均衡功能充電后，第1組蓄電池最大單體電壓差從34 mV縮小到19 mV，第2組蓄電池最大單體電壓差從44 mV縮小到29 mV，單體電壓更加趨于一致，均衡性更好。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)二測(cè)試數(shù)據(jù)，放電過程中電池均衡功能可對(duì)電壓較低的電池單體進(jìn)行能量補(bǔ)充，提升其放電電壓。其中，一只嚴(yán)重落后電池單體電壓從0.805 V提升至1.838 V，可避免單體電池發(fā)生嚴(yán)重落后、電壓開路或反極等故障，從而提高了蓄電池組的放電可靠性。同時(shí)，電池組總電壓因單體電壓均衡度提高也得到了一定提升，特別是存在落后電池的電池組總電壓回升明顯，質(zhì)態(tài)較好的電池組輸出更多能量補(bǔ)充較差電池，總電壓有所下降。未開啟均衡功能時(shí)電池組放電330 min后達(dá)到終止電壓，開啟均衡設(shè)備后電池組總電壓回升到終止電壓之上，然后又繼續(xù)放電140 min再次降至終止電壓，電池組放電后備時(shí)間延長(zhǎng)。

（3）將實(shí)驗(yàn)二與實(shí)驗(yàn)三測(cè)試數(shù)據(jù)比較可以看出，使用均衡功能時(shí)蓄電池單體放電電壓更加均衡，落后電池的放電電壓得到較好控制，未出現(xiàn)因單體故障而引發(fā)的放電終止。實(shí)驗(yàn)三實(shí)測(cè)電池組后備時(shí)間為415 min，實(shí)驗(yàn)二實(shí)測(cè)未使用均衡功能時(shí)的后備時(shí)間為330 min。同一終止電壓時(shí)，使用均衡功能比不使用均衡功能延長(zhǎng)放電85 min，具有延長(zhǎng)蓄電池放電時(shí)長(zhǎng)的作用。

（4）實(shí)驗(yàn)二部分時(shí)段開啟均衡功能放電至放電結(jié)束總計(jì)持續(xù)470 min，實(shí)驗(yàn)三全程開啟均衡功能至放電結(jié)束總計(jì)持續(xù)415 min，實(shí)驗(yàn)三全程開啟均衡放電比實(shí)驗(yàn)二部分時(shí)段開啟均衡功能放電的后備時(shí)間短。究其原因，在于電池組放電過程中均衡設(shè)備頻繁調(diào)動(dòng)各單體電池容量為落后電池補(bǔ)流，設(shè)備本身功率器件需要消耗一定的電池能量。

（5）根據(jù)放電測(cè)試數(shù)據(jù)，開啟電池均衡系統(tǒng)時(shí)單體電壓一致性較未開啟均衡功能時(shí)更好，落后單體電池在放電時(shí)能夠得到補(bǔ)充電，避免單體電池過放電，保證了蓄電池組的持續(xù)供電。

4 結(jié) 論

綜上所述，閥控式密封鉛酸蓄電池的均衡對(duì)提高電池組放電性能具有重要作用。采用均衡設(shè)備充電可以提高單體電池浮充電壓一致性，避免長(zhǎng)期欠充。同時(shí)，在放電過程中能夠有效穩(wěn)定輸出總電壓并保持單體電壓一致，對(duì)于落后電池能夠有效補(bǔ)充電，避免發(fā)生過放和反極，防止發(fā)生突然放電終止情況，能夠大幅提升電池組后備放電時(shí)間，充分利用電池組能量，顯著提高通信局站供電安全性。