一例開(kāi)關(guān)電源電池管理功能失效故障分析

高新紅 賀躍通

（1.中國(guó)電信股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng) 471300；2.河南《創(chuàng)新科技》雜志社，河南 鄭州 450003）

一例開(kāi)關(guān)電源電池管理功能失效故障分析

高新紅1賀躍通2

（1.中國(guó)電信股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng) 471300；2.河南《創(chuàng)新科技》雜志社，河南 鄭州 450003）

目前，通信開(kāi)關(guān)電源監(jiān)控單元對(duì)蓄電池的充放電管理功能已經(jīng)比較完善，但前提是蓄電池的連接關(guān)系、參數(shù)設(shè)置要滿足監(jiān)控單元對(duì)蓄電池自動(dòng)管理的要求，需充分了解監(jiān)控單元控制電池充、放電過(guò)程的原理。基于此，本文通過(guò)對(duì)一例因蓄電池與開(kāi)關(guān)電源的連接關(guān)系問(wèn)題導(dǎo)致監(jiān)控單元電池管理功能紊亂的案例進(jìn)行分析，強(qiáng)調(diào)電池電纜正確接入電源系統(tǒng)的重要性。

通信電源；電池管理；充電；放電；監(jiān)控單元

1 通信開(kāi)關(guān)電源對(duì)電池管理的原理

現(xiàn)代通信電源對(duì)電池充放電管理的過(guò)程主要包括充電過(guò)程限流、放電過(guò)程監(jiān)測(cè)、電池充放電容量計(jì)算、均充管理等。

首先，蓄電池的初始容量、放電限流值等參數(shù)由蓄電池廠家確定，并在開(kāi)關(guān)電源調(diào)試時(shí)設(shè)置于監(jiān)控單元中。電池的充放電狀態(tài)由電池分流器上的檢測(cè)線得到，通過(guò)檢測(cè)線傳送到監(jiān)控單元的信號(hào)為毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)由電池電流在分流器上產(chǎn)生的壓降產(chǎn)生（如用霍爾元件做傳感器原理也基本類(lèi)似），電壓值的大小表征了電流的大小，電壓的方向表征了電流的方向，監(jiān)控單元根據(jù)這個(gè)電壓信號(hào)來(lái)判斷電池處的充放電狀態(tài)和電流的大小［1］。如果電壓信號(hào)方向翻轉(zhuǎn)，則監(jiān)控單元認(rèn)為電池的充放電狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，即由充電狀態(tài)變成放電狀態(tài)（或反之），充電或放電的容量（安時(shí)數(shù)）也由電流和時(shí)間積分得到。

然后，如果監(jiān)控單元判斷電池處于充電狀態(tài)，且電流值大于設(shè)定的限流值時(shí)，監(jiān)控單元通過(guò)通訊線控制所有整流模塊降低輸出電壓，從而減小充電電流，通過(guò)閉環(huán)的反饋、調(diào)節(jié)過(guò)程，最終使充電電流穩(wěn)定于事先設(shè)定的充電限流值，隨著電池容量的增加，充電電流減小，監(jiān)控單元會(huì)逐漸提高整流模塊的輸出電壓以保持電流不變，直到輸出電壓達(dá)到設(shè)定的電池浮充電壓或均充電壓，這就是恒流限壓過(guò)程［2］。整個(gè)過(guò)程中監(jiān)控單元計(jì)算充入電池的電量并顯示在系統(tǒng)信息中。

再者，放電電流由負(fù)載大小確定，監(jiān)控單元只監(jiān)測(cè)放電電流的大小，計(jì)算電池放出的電量。如果監(jiān)控單元計(jì)算電池的剩余容量小于設(shè)定值（如電池初始容量的75%），則在下次充電過(guò)程中監(jiān)控單元會(huì)控制系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)均充狀態(tài)，執(zhí)行對(duì)蓄電池的均衡充電。

最后，周期性均充管理。如果市電質(zhì)量非常穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有停電，浮充狀態(tài)會(huì)一直持續(xù)，當(dāng)持續(xù)浮充超過(guò)一定時(shí)間（一般60d左右），監(jiān)控單元會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)均充程序，提高整流模塊輸出電壓到均充電壓值，對(duì)電池進(jìn)行均充，以活化電池，當(dāng)均充時(shí)間達(dá)到設(shè)定值（如12h）或充電電流持續(xù)處于較小值時(shí)，在監(jiān)控單元的作用下系統(tǒng)再次轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，以防止電池過(guò)充損壞，進(jìn)入正常的浮充狀態(tài)。如此反復(fù)［3］。

2 案例故障介紹

某通信機(jī)樓一套艾默生NetSure開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，整流柜、直流柜各2架，2架整流柜在右，2架直流柜在左，2個(gè)整流柜分別配置100A整流模塊10、8個(gè)，負(fù)載電流980A，后備電池為4組1 500Ah兩兩并聯(lián)后形成兩組3 000Ah接入系統(tǒng)。需特別指出的是，該系統(tǒng)的蓄電池與開(kāi)關(guān)電源的連接關(guān)系（如圖1所示）：每組電池的正負(fù)極引出線均為4條240mm2電纜，2組電池的正極電纜共8條，均接到開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的正極母排上（因不影響后續(xù)的分析，圖中未畫(huà)出正極排），每組電池負(fù)極的4條電纜都分成2組，每組2條分別接入2臺(tái)直流配電柜的電池Ⅱ熔絲上端，從開(kāi)關(guān)電源側(cè)來(lái)看是2組電池接入，但每個(gè)電池接入端子的4條電纜來(lái)自2組不同的電池組。環(huán)監(jiān)控后臺(tái)顯示開(kāi)關(guān)電源有電池放電的二級(jí)告警，并時(shí)常出現(xiàn)電池處于均充狀態(tài)的三級(jí)告警?，F(xiàn)場(chǎng)查看，監(jiān)控單元顯示2組電池中一組處于充電狀態(tài)，另一組處于放電狀態(tài)，電流值基本相等，約為22A左右。查看歷史告警發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)幾乎每天都會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)均充程序一次對(duì)電池進(jìn)行均充充電，持續(xù)時(shí)間約為3h，并有電池容量低的告警。監(jiān)控單元在“浮充-電池組放電-電池組容量降低-自動(dòng)均充-轉(zhuǎn)浮充-電池組放電……”各狀態(tài)之間反復(fù)。循環(huán)周期為1d左右，監(jiān)控單元顯示放電的電池組容量為700Ah左右。由于系統(tǒng)對(duì)電池頻繁均充，為保護(hù)電池，人為關(guān)閉了系統(tǒng)的自動(dòng)均充功能。

圖1 電池組與開(kāi)關(guān)電源連接關(guān)系示意圖

3 故障處理與分析

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

3.1.1 測(cè)量浮充狀態(tài)下電池總電壓、單體電壓。對(duì)該開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的4組電池單體電壓進(jìn)行測(cè)量，無(wú)論均充、浮充狀態(tài)，各單體電壓均在2.22～2.36V的正常范圍之內(nèi)。

3.1.2 測(cè)量浮充狀態(tài)下各組電池電流。用鉗表測(cè)量電池連接條中的電流，發(fā)現(xiàn)4組電池的電流幾乎都為0，與監(jiān)控單元顯示的充放電22A左右不符。

3.1.3 測(cè)量均充狀態(tài)下的電池電流。手動(dòng)均充狀態(tài)測(cè)量電池連接條中電流，各組電流之和與監(jiān)控單元顯示的充電電流大小基本一致。對(duì)電池出線電纜進(jìn)行整體測(cè)量，結(jié)果與監(jiān)控單元顯示的充電電流基本一致。

3.1.4 測(cè)量放電狀態(tài)下電池電流。降低開(kāi)關(guān)電源輸出電壓進(jìn)行電池放電試驗(yàn)，放電過(guò)程中測(cè)量?jī)山M電池的總電壓、單體電壓、電流，發(fā)現(xiàn)2組電池放電電流總和與監(jiān)控單元顯示的放電電流基本一致，且基本均衡，單體電壓均衡性也不錯(cuò)，沒(méi)有太大偏差，說(shuō)明兩組電池的性能也沒(méi)有問(wèn)題，與監(jiān)控單元顯示的一組電池容量嚴(yán)重偏小不符。

3.1.5 替換監(jiān)控單元。替換新的監(jiān)控單元，并將原設(shè)置參數(shù)復(fù)制過(guò)來(lái)，試運(yùn)行幾天，沒(méi)有任何改觀，所有現(xiàn)象依舊，排除了監(jiān)控單元故障的可能。

3.2 故障分析

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，浮充、均充、放電各狀態(tài)下各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本正常，可判斷電池性能沒(méi)有問(wèn)題，監(jiān)控單元沒(méi)有問(wèn)題。頻繁均充、電池容量低告警、同一時(shí)刻一組電池充電而另一組電池放電等現(xiàn)象應(yīng)為監(jiān)控單元的誤動(dòng)作。結(jié)合監(jiān)控單元對(duì)電池的管理機(jī)制，之所以監(jiān)控單元會(huì)有誤動(dòng)作，應(yīng)該是監(jiān)控單元接收到了錯(cuò)誤的信息造成誤判所致。

前文所述，監(jiān)控單元對(duì)蓄電池充電、放電狀態(tài)的判定是根據(jù)從分流器傳回的信號(hào)電壓的極性來(lái)判定的，2組電池充放電狀態(tài)相反，按照這種檢測(cè)邏輯反推，兩分流器檢測(cè)線的電壓極性應(yīng)相反，進(jìn)而推斷2個(gè)電池接入端子中的電流方向是相反的。用萬(wàn)用表毫伏檔對(duì)分流器兩端電壓進(jìn)行測(cè)量，并用鉗表測(cè)量浮充狀態(tài)下2組電池熔絲中的電流，猜想得到驗(yàn)證：2個(gè)分流器中的電流方向相反，進(jìn)而在電池側(cè)對(duì)來(lái)自不同的電池熔絲的2條電纜進(jìn)行電流測(cè)量，過(guò)程中特別注意了2對(duì)電纜中的電流方向，發(fā)現(xiàn)電流確實(shí)為22A左右，但方向相反，測(cè)量出的電流方向如圖2所示：每組電池負(fù)極排上的4條電纜中，去往不同直流柜上的2條電流大小相等、方向相反（為使后續(xù)描述更直觀，電流方向做了反向處理，實(shí)際方向與示意圖中相反，下同）。

為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？對(duì)電池組與開(kāi)關(guān)電源的連接關(guān)系圖進(jìn)行分析，這種連接關(guān)系下，浮充狀態(tài)時(shí)，電池電壓與系統(tǒng)輸出電壓相等，充電電流為0，原連接關(guān)系示意圖可等效轉(zhuǎn)化為圖3中右圖的效果，因2個(gè)電池組的負(fù)極排和系統(tǒng)母排電壓相等，從效果上看，可視為電池不存在，但由于電池接線端子上的4條240mm2電纜從一個(gè)電池端子出發(fā)，經(jīng)電池負(fù)極銅排連接后回到另一個(gè)電池接入端子，相當(dāng)于在2個(gè)電池接入端子間并接了一條近1 000mm2的導(dǎo)體和母排并聯(lián)，形成了一條旁路通路。從圖2可以更清晰地看出，負(fù)載電流的一部分會(huì)從這條通路經(jīng)過(guò)，在1-Ⅱ上形成流出電流，在2-Ⅱ上形成流入電流，之所以只有22A左右而不是均分總負(fù)載電流，是因?yàn)檫@個(gè)旁路通路中串聯(lián)的2個(gè)電池分流器的電阻相比母排的電阻

來(lái)說(shuō)要大很多，根據(jù)并聯(lián)電路的特點(diǎn)，這條并聯(lián)通路中的電流自然會(huì)比較?。傠娏鳛?80A，占比不到3%）。

圖2 浮充狀態(tài)下的負(fù)載電流流行示意圖

圖3 系統(tǒng)連接關(guān)系等效圖

3.3 故障處理

根據(jù)上述測(cè)量和分析，2個(gè)直流柜的電池接入端子中電流大小相等方向相反，監(jiān)控單元據(jù)此判定一組電池在充電，另一組電池在放電，從而引發(fā)后續(xù)一系列的奇怪現(xiàn)象。找到問(wèn)題根源后，對(duì)電池連接線進(jìn)行改接，改接后的連接關(guān)系示意圖如圖4所示，改接后一系列的告警沒(méi)再出現(xiàn)，印證的上述分析是正確的。

除了上述因連接關(guān)系造成的電池管理功能失常外，這個(gè)系統(tǒng)的電池連接還有一點(diǎn)問(wèn)題。艾默生電源的直流配電柜中，2組電池的分配關(guān)系為左1右2，直流柜上只接入一組電池時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)接入電池組1熔絲，監(jiān)控單元設(shè)置電池組為1，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)忽略電池組2［4］。該系統(tǒng)中每個(gè)直流柜只接一組電池，但都接在電池組2的接入端子上，為使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理電池，每個(gè)直流柜的電池組數(shù)不得不設(shè)置為2（每個(gè)直流柜單獨(dú)設(shè)置，這樣總電池組數(shù)為4），但2個(gè)直流柜的電池組1上是不接電池的，監(jiān)控單元監(jiān)測(cè)到的這兩個(gè)電池組的充放電流始終為0，這也給系統(tǒng)的電池管理功能帶來(lái)一定的影響，所以改接后電池線都接到了2個(gè)直流柜的電池組1上。

圖4 改接后的電池組與開(kāi)關(guān)電源連接關(guān)系示意圖

4 結(jié)論

這是一個(gè)因電池線連接不當(dāng)引起的電池管理混亂的典型案例。通信電源電池的均充過(guò)程是對(duì)電池化學(xué)特性的活化過(guò)程，適當(dāng)?shù)囟ㄆ诰鋵?duì)提高電池壽命有一定幫助，但頻繁均充會(huì)造成電池不正常排氣、失水加快，甚至熱失控而損壞，反而會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。

通過(guò)對(duì)本案例的分析得出，無(wú)論在新建工程還是電池更換工程中，要注意蓄電池組的接入一定要根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的要求正確連接，基本要求是：電池組與開(kāi)關(guān)電源上蓄電池接入端子是一對(duì)一或多對(duì)一的關(guān)系，多對(duì)一時(shí)的多組電池是并聯(lián)關(guān)系，多組電池中各組的品牌、容量、新舊程度需相同，各個(gè)電池接入端子下連接的電池組情況需保持一致，監(jiān)控單元中的參數(shù)設(shè)置要根據(jù)電源廠家要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配置情況正確設(shè)置。一對(duì)多（一組電池去多個(gè)電池熔絲）的電池線連接方式，在負(fù)載電流比較小、電池連接線徑較小時(shí)，沒(méi)有明顯影響，但在負(fù)載電流大、線徑大時(shí)將會(huì)出現(xiàn)上述的旁路效果，導(dǎo)致監(jiān)控單元對(duì)電池檢測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而電池管理失效，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)電池壽命會(huì)有較大影響。

［1］ 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.PS48400-2C/50智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)：E1-20020314-C-1.0［Z］.2002-03-14.

［2］ 上海中達(dá)斯米克電器電子股份有限公司.MCS-3000系列電源系統(tǒng)用戶指南［Z］.2002-10-30.

［3］ 華為技術(shù)有限公司.UPS5000-E-（360Kva-480kVA）V100R001系統(tǒng)介紹［Z］.2014-03-10.

［4］ 深圳市華為電氣技術(shù)有限公司編輯部.PS系列大容量智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)：E1-20020314-C-1.0［Z］.2002-03-14.

Failure Tree Analysis of Battery Management Function in Switching Power Supply

Gao Xinhong1He Yuetong2
（1.Luoyang Branch of China Telecom Corporation Limited，Luoyang Henan 471300；2.Henan Innovation Technology Magazine，Zhengzhou Henan 450003）

At present,the monitoring unit of the communication switching power supply has perfect function of charging and discharging of the battery,but the precondition is that the connection of the battery and the parameter setting should satisfy the requirements of the monitoring unit for the automatic management of the battery.The monitoring unit needs to fully understand the control of the charging and discharging of the battery principle.Based on this,this paper analyzed a case of battery management dysfunction caused by the connection between storage battery and switching power supply,to emphasize the importance of cor?rect access to power battery cable system.

communication power supply；battery management；charging；discharging；monitoring unit

TM912

A

1003-5168（2017）11-0146-03

2017-10-09

高新紅（1971-），男，本科，工程師，研究方向：通信動(dòng)力設(shè)備可靠性提高及節(jié)能優(yōu)化。