基站（房）并聯(lián)蓄電池組時(shí)分隔離技術(shù)研究

劉立新，魏 弢

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院重慶分院，重慶400030）

1 概 述

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，通信電源系統(tǒng)中蓄電池的配置成本與電源設(shè)備的配置成本基本相當(dāng)甚至更高一些，而蓄電池的使用壽命卻遠(yuǎn)低于電源設(shè)備的使用壽命，特別是基站蓄電池，平均使用壽命只有3年左右，而電源設(shè)備的平均壽命都在10年以上。影響電池壽命的一個(gè)重要因素是蓄電池使用情況，比如選擇的充電模式、環(huán)境溫度以及蓄電池組之間的連接關(guān)系等。

多組蓄電池并聯(lián)就存在連接關(guān)系問(wèn)題，而且在配置蓄電池組時(shí)會(huì)提出蓄電池組的容量一致，新舊程度一致，生產(chǎn)廠家及型號(hào)、生產(chǎn)時(shí)間及批號(hào)盡量一致等苛刻要求，這是為了防止因單只蓄電池的個(gè)體差異給整個(gè)蓄電池系統(tǒng)帶來(lái)不良影響。如果蓄電池的個(gè)體差異過(guò)大，蓄電池組之間的差異就會(huì)增大，充電時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)造成蓄電池組的損壞，從而引出了并聯(lián)蓄電池組如何實(shí)現(xiàn)隔離的問(wèn)題。

2 蓄電池并聯(lián)技術(shù)現(xiàn)狀

2．1 蓄電池組的并聯(lián)

通信電源系統(tǒng)所使用的蓄電池大致可分兩類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景，一類(lèi)是在中心機(jī)房，另一類(lèi)是在通信基站。眾所周知，蓄電池的作用就是在主電源中斷后臨時(shí)接替電力供應(yīng)，直到后備電源接入或主電源重新恢復(fù)為止。在目前的技術(shù)方案中，每個(gè)獨(dú)立的通信電源系統(tǒng)一般配置了兩組或多組蓄電池，這是為了提高蓄電池使用的可靠性，防止因單組蓄電池?fù)p壞造成通信中斷，所以增加蓄電池組的并聯(lián)數(shù)量是目前一種普遍的做法。

2．2 并聯(lián)蓄電池組的隔離

在現(xiàn)實(shí)中，不論是UPS系統(tǒng)配備的并聯(lián)蓄電池，還是開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)配備的并聯(lián)蓄電池，蓄電池組之間的隔離通常只是通過(guò)熔斷器、開(kāi)關(guān)等裝置進(jìn)行的機(jī)械隔離，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)蓄電池組之間的電氣隔離，各組蓄電池之間在電路上是完全互通的。目前比較典型的蓄電池組并聯(lián)連接方法如圖1所示。這種情況下，如果蓄電池組中的某一只單體電池出現(xiàn)了問(wèn)題，那也只能等到被發(fā)現(xiàn)后通過(guò)人工方式切斷連接來(lái)規(guī)避危害，但很可能為時(shí)晚矣。

圖1 并聯(lián)蓄電池組的隔離技術(shù)現(xiàn)狀

3 并聯(lián)蓄電池組的隔離問(wèn)題

3．1 簡(jiǎn)單的機(jī)械隔離

從圖1中可以看出，蓄電池組之間的隔離只是簡(jiǎn)單的機(jī)械隔離。只要隔離開(kāi)關(guān)一閉合，各組蓄電池之間的電氣關(guān)系為直通關(guān)系，電流可以互灌，而開(kāi)關(guān)閉合本身就是目前通信電源系統(tǒng)中蓄電池組在線支撐的正常工作狀態(tài)。因此，在線狀態(tài)下機(jī)械隔離實(shí)際上是起不到隔離作用的。

3．2 機(jī)械隔離存在的問(wèn)題

研究表明，引起蓄電池壽命縮短的原因除環(huán)境溫度、充電因素外，蓄電池并聯(lián)使用也是一個(gè)重要原因。因?yàn)樾铍姵亟M是由多個(gè)單體蓄電池串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)單體內(nèi)部都存在細(xì)微差異，導(dǎo)致各組蓄電池的內(nèi)阻、電壓存在一定差異，特別是不同容量、品牌的蓄電池并聯(lián)差異更大。如果進(jìn)行并聯(lián)充電，始終會(huì)有一組蓄電池不能充電到理想狀態(tài)，只要有一組蓄電池中出現(xiàn)了一個(gè)落后或損壞電池，另一組蓄電池就會(huì)反過(guò)來(lái)對(duì)其進(jìn)行不限流的充電，很容易導(dǎo)致所有蓄電池相繼損壞。

4 并聯(lián)蓄電池組隔離充電研究

4．1 單項(xiàng)交流移相隔離充電技術(shù)

在這里，先提出一種實(shí)現(xiàn)并聯(lián)蓄電池組隔離充電的方法，即利用單相交流電源的正負(fù)周波分別對(duì)并聯(lián)蓄電池組進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池組并聯(lián)充電時(shí)的隔離，再通過(guò)二極管實(shí)現(xiàn)蓄電池組的并聯(lián)放電。這種情況下放電電流是完全連續(xù)的，圖2為該方法簡(jiǎn)化電路原理。

圖2 并聯(lián)蓄電池組移相隔離充電模式

圖2中，D1、D2為大電流肖特基模塊，D3、D4為發(fā)光二極管，K1、K2為應(yīng)急旁路開(kāi)關(guān)，O1、O2為光電耦合器，T1為信號(hào)源變壓器（輸出中心抽頭），V1、V2為大電流場(chǎng)效應(yīng)（V－MOS）模塊，本方法具有以下特點(diǎn)：

（1）設(shè)置了充電、放電兩條獨(dú)立路由，利用半導(dǎo)體的單向?qū)ㄌ匦越⒏髯月酚傻奈锢硗ǖ?。圖2中，V1、V2為充電通道，相位差180°；D1、D2為同步放電通道；O1、O2分別為 V1、V2的柵極驅(qū)動(dòng)器。

（2）變壓器T1把來(lái)自主電源的交流電壓降壓成工頻信號(hào)源，由D3、D4檢波后提取相位差為180°的觸發(fā)脈沖，用于驅(qū)動(dòng)V—MOS管。

（3）市電正常時(shí)，假設(shè)交流電源工作在正半周時(shí)充電通道V1導(dǎo)通，則開(kāi)關(guān)電源只向蓄電池組Ⅰ充電；當(dāng)交流電源工作在負(fù)半周時(shí)，則充電通道V1阻斷，充電通道V2導(dǎo)通，然后開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)向蓄電池組Ⅱ充電。

（4）當(dāng)主電源中斷后，充電通道V1、V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，此時(shí)放電通道D1、D2由反向截止轉(zhuǎn)為正向?qū)?，蓄電池組通過(guò)放電通道D1、D2向通信負(fù)荷放電，從而保證通信負(fù)荷的工作電流連續(xù)穩(wěn)定。

（5）充電時(shí)，由于V1、V2是錯(cuò)時(shí)輪流導(dǎo)通，故每組蓄電池的充電總是處于“一充、一歇”的狀態(tài)，脈沖電流幅值為原充電電流的一倍。實(shí)踐已經(jīng)證明，脈沖大電流充電對(duì)延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命是非常有利的。

（6）放電時(shí)，由于放電通道D1、D2單向?qū)?，因此，各組蓄電池只能與通信負(fù)荷形成回路，這就切斷了一組蓄電池對(duì)另一組蓄電池充電的路徑，消除了蓄電池間相互充電造成的危害。

（7）此外，D1、D2的隔離功能還可以對(duì)各組蓄電池的放電起到均流保護(hù)作用，使各組蓄電池達(dá)到平衡放電；如果某組蓄電池出現(xiàn)損壞，其端電壓必定下降，由于二極管的鉗位作用，該組蓄電池將停止放電，從而達(dá)到隔離于另一組蓄電池的效果。

4．2 移相隔離方法的不足

如果兩組以上蓄電池并聯(lián)，移相式隔離充電有局限性。在移相式隔離充電方法中，驅(qū)動(dòng)脈沖由工頻交流電源檢波產(chǎn)生，只能檢出兩個(gè)脈沖序列，因?yàn)檎也ㄓ蓛蓚€(gè)半波構(gòu)成，若出現(xiàn)多組蓄電池并聯(lián)，借助市電作信號(hào)源就不適用了。

由于正弦波的上升沿較平緩，如果不對(duì)波形整形就直接驅(qū)動(dòng)V－MOS管，V－MOS管會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)工作在線性電阻區(qū)，這樣不但會(huì)增大瞬態(tài)功率損耗，而且還會(huì)擠占Ah面積，浪費(fèi)功率譜資源，降低充電效率。

4．3 時(shí)分隔離充電方法

借鑒時(shí)分通信原理，提出了并聯(lián)蓄電池組時(shí)分隔離充電方法。這種方法是采用控制芯片把上述移相式隔離充電模式中的信號(hào)耦合器和驅(qū)動(dòng)電路替換成具有多路脈沖輸出功能的DSP電路，就可以滿足兩組及以上蓄電池隔離充電需要了，見(jiàn)圖3。

脈沖驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)與開(kāi)關(guān)電源的輸入電源共系統(tǒng)，只要開(kāi)關(guān)電源掉電，脈沖序列控制電路即停止工作，充電停止，各組蓄電池則通過(guò)隔離二極管向通信負(fù)載繼續(xù)放電。由于二極管存在單向?qū)щ娦裕绻铍姵亟M之間存在電壓差異，則電壓高的一組蓄電池會(huì)先行放電，直到每組蓄電池的端電壓降到一致為止，各組蓄電池開(kāi)始均流放電；如果某組蓄電池中出現(xiàn)了落后電池，則這組蓄電池因二極管的鉗位作用無(wú)法放電，當(dāng)然也不會(huì)被其它蓄電池組反充電，從而得到隔離。

4．4 時(shí)分式隔離充電的優(yōu)點(diǎn)

圖4為傳統(tǒng)非隔離型恒流充電與時(shí)分隔離式充電的比較。如果采用時(shí)分隔離充電技術(shù)后，每組蓄電池可獲得大電流充電時(shí)隙，原因是開(kāi)關(guān)電源的充電電流在這一瞬間全部集中到了這個(gè)時(shí)隙，電流由浮充狀態(tài)的K變成脈沖狀態(tài)的NK，提高了N倍。

圖3 并聯(lián)蓄電池組時(shí)分隔離充電模型

圖4 直流恒流與脈沖序列充電波形比較圖

大電流脈沖充電對(duì)改善蓄電池的性能非常有利，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）蓄電池壽命有顯著提高。采用脈沖充電，由于存在瞬間歇息時(shí)間，蓄電池就始終保持微量出氣狀態(tài)，由此避免了因劇烈出氣造成活性物質(zhì)脫落，延長(zhǎng)了使用壽命；

（2）蓄電池容量有顯著增加。采用大電流脈沖充電時(shí)，蓄電池極板上的活性物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)比常規(guī)充電更充分，可以消除極化現(xiàn)象，加深了化學(xué)反應(yīng)深度，由此激活了蓄電池組的容量；

（3）顯著的除硫效果。大電流脈沖充電可以有效消除蓄電池極板的硫化現(xiàn)象，減小蓄電池的內(nèi)部電阻，縮短充電時(shí)間，減少電能消耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，中國(guó)移動(dòng)設(shè)計(jì)院重慶分院已采用上述技術(shù)完成了產(chǎn)品試制，并在重慶移動(dòng)、黑龍江移動(dòng)一些基站進(jìn)行了試點(diǎn)。試點(diǎn)選擇了同容量的新、舊蓄電池組并聯(lián)，不同容量的新、舊蓄電池組并聯(lián)，正常與異常蓄電池組并聯(lián)，全新蓄電池組并聯(lián)。試驗(yàn)已持續(xù)大半年，證明隔離裝置未對(duì)設(shè)備及正常蓄電池產(chǎn)生不良影響，其中更可喜的是，在一組已退網(wǎng)的200 Ah舊蓄電池與一組在網(wǎng)的500 Ah蓄電池并聯(lián)使用大半年后，已退網(wǎng)的那組舊蓄電池的容量已恢復(fù)到了很好的水平。

采用時(shí)分隔離充電技術(shù)后，對(duì)并聯(lián)蓄電池組的差異性要求降低了。在早期通信負(fù)荷較輕的情況下，實(shí)際配一組或兩組小容量蓄電池即可，以后根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)容，不必再考慮這些蓄電池組的容量及新舊程度差異問(wèn)題，避免了價(jià)值昂貴的蓄電池在沒(méi)有發(fā)揮實(shí)際價(jià)值前就老化退網(wǎng)的矛盾。如果兩組并聯(lián)蓄電池中的一組壞了，只需更換壞掉的一組蓄電池，這樣又為電信運(yùn)營(yíng)商或其它通信企業(yè)節(jié)約了大量的投資費(fèi)用。目前，很多運(yùn)營(yíng)商都在探索磷酸鐵鋰電池在通信基站中的應(yīng)用，筆者認(rèn)為成熟的鉛酸電池通過(guò)隔離器與磷酸鐵鋰電池組合使用也不妨是一種新的嘗試。

［1］ 蔡宣三．高頻功率電子學(xué)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2009．

［2］ 張占松，蔡宣三．開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

［3］ 冀常鵬．現(xiàn)代通信電源［M］．北京：國(guó)際工業(yè)出版社，2010．