通信用組合電源的電池管理分析

張 健，張鐵軍

(1.南京軍事代表局駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無(wú)錫 214035；2.無(wú)錫北方湖光光電有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028)

1 通信用組合電源的電池使用現(xiàn)狀

當(dāng)前，通信用組合電源技術(shù)發(fā)展中，變頻智能開(kāi)關(guān)整流器和閥控鉛酸蓄電池代表著我國(guó)科技和電池設(shè)備的發(fā)展與創(chuàng)新。閥控鉛酸蓄電池和鋰電池是當(dāng)前通信行業(yè)中最常見(jiàn)的電池裝置。未來(lái)10年的通信行業(yè)中，會(huì)大量運(yùn)用閥控鉛酸蓄電池和鋰電池。客觀來(lái)說(shuō)，雖然鋰電池比閥控鉛酸蓄電池的造價(jià)低(因?yàn)殇囯姵乇乳y控鉛酸蓄電池降低了39%的TCO)，但是閥控鉛酸蓄電池不僅體積相對(duì)較小，而且能夠秉承當(dāng)前我國(guó)環(huán)境發(fā)展的實(shí)際要求，無(wú)污染，符合我國(guó)未來(lái)時(shí)代發(fā)展的整體趨勢(shì)[1]。閥控鉛酸蓄電池在使用過(guò)程中電壓極其穩(wěn)定，重量相對(duì)較輕，放電性能較高，已經(jīng)成為當(dāng)代以及未來(lái)通信電源系統(tǒng)中首選的電池類型。理論上，閥控鉛酸蓄電池能夠維持至少10年以上使用壽命。但是，在實(shí)際投入使用過(guò)程中，往往很難實(shí)現(xiàn)電池使用的理想狀態(tài)。據(jù)調(diào)查，當(dāng)前很多人在實(shí)際使用閥控鉛酸蓄電池的過(guò)程中，90%以上閥控鉛酸蓄電池的壽命都沒(méi)有超過(guò)10年，很多閥控鉛酸蓄電池3年左右就會(huì)產(chǎn)生故障，甚至有些通信電源系統(tǒng)中的電池使用壽命不到1年便會(huì)出現(xiàn)故障。這種現(xiàn)象的頻發(fā)給廣大電池使用者帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)損失，很難真正發(fā)揮電池資源的最大作用。

2 影響電池使用壽命的因素

同一種通信系統(tǒng)電池的使用壽命也存在著區(qū)別。例如，閥控鉛酸蓄電池中2 V系列的電池和12 V系列的電池，是閥控鉛酸蓄電池中壽命差距非常大的兩種電池[2]。2 V的電池使用壽命是12 V電池使用壽命的2.5倍左右。在傳統(tǒng)通信設(shè)備中，使用12 V電池的頻率相對(duì)較高。但是，隨著通信技術(shù)的發(fā)展和對(duì)電池使用壽命需求的提升，2 V系列的閥控鉛酸蓄電池映入了人們的視線。尤其是針對(duì)特殊場(chǎng)合和對(duì)通信技術(shù)要求極高的場(chǎng)合，2 V系列閥控鉛酸蓄電池的身影頻繁出現(xiàn)。對(duì)于蓄電池，壽命的實(shí)際長(zhǎng)短和特定環(huán)境下的外部影響有著直接關(guān)系[3]。

影響蓄電池實(shí)際壽命的因素主要包括以下幾個(gè)方面。第一，溫度與環(huán)境。在溫度相對(duì)較高的情況下，蓄電池的板柵腐蝕速度會(huì)加快腐爛，蓄電池中的水分也會(huì)不斷減少，嚴(yán)重影響了蓄電池的實(shí)際壽命。實(shí)驗(yàn)證明，溫度每增加10 ℃，蓄電池的壽命將會(huì)減少50%左右。第二，充電不足情況。若蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于一個(gè)充電不足的情況，負(fù)極板會(huì)日積月累形成晶核，導(dǎo)致蓄電池的極板會(huì)逐漸被硫酸腐蝕而出現(xiàn)故障。第三，大電流充電。若充電時(shí)的電流過(guò)大，蓄電池正極板上面的活性物質(zhì)PbSO4還原過(guò)程中，變化會(huì)過(guò)于激烈，導(dǎo)致活性物質(zhì)PbSO4在收縮過(guò)程中使電極板彎曲而損壞。第四，長(zhǎng)期充電不足。若蓄電池長(zhǎng)期充電不足，兩極板往往容易酸化，難以還原。第五，蓄電池過(guò)度放電。據(jù)調(diào)查，我國(guó)當(dāng)前很多電池的終止電壓設(shè)置缺乏準(zhǔn)確性，甚至無(wú)法設(shè)置放電終止電壓。由于蓄電池在放電過(guò)程中缺乏保護(hù)裝置，會(huì)造成蓄電池放電過(guò)度的現(xiàn)象[4]。蓄電池組深層放電會(huì)造成蓄電池組的膨脹、彎曲甚至破裂。過(guò)度放電是對(duì)蓄電池影響最大的因素。一次過(guò)度放電，便可以減少蓄電池至少一年的壽命，加快了蓄電池破損的速度。

3 通信用組合電源的電池管理途徑

3.1 均浮充控制

通信系統(tǒng)用蓄電池的充電形式主要有兩種，分別是浮充充電和均衡充電。想要有效延長(zhǎng)蓄電池的實(shí)際壽命，應(yīng)該掌握不同充電方式的實(shí)際要求和具體特點(diǎn)，并按照一定的要求和規(guī)定延長(zhǎng)蓄電池的壽命。蓄電池投入使用的生產(chǎn)日期和使用日期間隔時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致蓄電池自行放電，使蓄電池的容量遭受巨大損失[5]。此外，單純對(duì)蓄電池浮充，很難將蓄電池恢復(fù)到原來(lái)的容量。由于電池自放電的大小差異，往往會(huì)造成蓄電池的比重、端電壓等出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。在蓄電池真正投入使用過(guò)程中，必須通過(guò)均充電壓充電，否則會(huì)進(jìn)一步造成電池不可用的現(xiàn)象。所以，蓄電池至少要每隔三個(gè)月開(kāi)展一次充電。

在浮充狀態(tài)下，應(yīng)該保障蓄電池內(nèi)的氧氣循環(huán)。充電電流與電池的浮充電壓有著密切聯(lián)系。蓄電池維護(hù)過(guò)程中，必須結(jié)合蓄電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)充分進(jìn)行維護(hù)。浮充電壓設(shè)置過(guò)低，電池長(zhǎng)期處于一個(gè)充電不足的狀態(tài)，會(huì)造成電池極板內(nèi)部產(chǎn)生硫酸鹽，使蓄電池容量下降[6]。若浮充電壓設(shè)置過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部水分流失，加速蓄電池的腐爛。所以，在進(jìn)行組合蓄電池電源維護(hù)時(shí)，必須要嚴(yán)格按照電池廠家提供的信息資料進(jìn)行浮充電壓設(shè)置。若廠家推薦浮充電為2.25 V時(shí)，必須嚴(yán)格按照浮充電壓的實(shí)際推算，將浮充電壓設(shè)置為54 V，并將浮充限流值規(guī)范在0.05～0.25 C。

3.2 二次下電

電池過(guò)度放電對(duì)電池使用壽命損害極大，必須嚴(yán)格把控電池過(guò)度放電的問(wèn)題。二次下電能有效保護(hù)電池的放電功能。當(dāng)交流停電后，電池放電。當(dāng)電池電壓低于一次下點(diǎn)電壓后，切斷耗電量較大的次要負(fù)載，切實(shí)維持必要的工作時(shí)間和工作效率。此外，當(dāng)電池電壓低于二次下電電壓后切斷所有負(fù)載，能夠有效保護(hù)電池，且二次下電還能對(duì)電池進(jìn)行二次保護(hù)，增強(qiáng)了蓄電池使用的可靠性。

蓄電池的終止電壓存在不同，存在一定的極化現(xiàn)象。不同放電電流對(duì)終止電壓的影響相對(duì)較大。無(wú)論是大電流放電還是小電流放電，都會(huì)對(duì)蓄電池的使用壽命帶來(lái)影響。例如，一個(gè)300 A的組合電池，后備電池組為200 Ah。當(dāng)負(fù)載為40 A時(shí)，放電終止電壓為42 V；當(dāng)負(fù)載為10 A時(shí)，放電終止電壓為45.6 V。由于放電電流存在很大差異，會(huì)出現(xiàn)小馬拉大車的現(xiàn)象，將縮短蓄電池的壽命。為了切實(shí)避免這種現(xiàn)象，必須組合電源，將放電終止電壓設(shè)置在單體電壓1.9 V左右，系統(tǒng)電壓設(shè)置為45.6 V左右。結(jié)合蓄電池的實(shí)際負(fù)載情況，調(diào)解蓄電池實(shí)際的電壓功能，保障供電時(shí)間，為廣大用戶帶來(lái)最大的電池使用效率。

3.3 溫度補(bǔ)償

由于電池使用過(guò)程中存在放熱現(xiàn)象，而不是所有的通信站點(diǎn)都配備空調(diào)設(shè)備，所以對(duì)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度帶來(lái)了較大影響。電池靜置時(shí)的氣候溫度條件在40 ℃以下。若溫度過(guò)高，會(huì)嚴(yán)重危害電池的使用壽命，造成Pb+2H2O→PbO2+4H++4e-電池內(nèi)部反應(yīng)加劇，加速電池內(nèi)部的腐蝕。

為了避免蓄電池在使用過(guò)程中溫度過(guò)高，避免電池內(nèi)部反應(yīng)劇烈造成腐蝕，可以在蓄電池組合中安裝組合電源溫度監(jiān)控設(shè)備[7]。其中，電池溫度過(guò)高警報(bào)可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)。當(dāng)通信系統(tǒng)電池在使用中溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)第一時(shí)間發(fā)出溫度警告。此外，當(dāng)電池實(shí)際工作溫度超過(guò)最佳溫度時(shí)，電池電壓便會(huì)自主進(jìn)行調(diào)整。溫度越高，充電電壓越低，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在組合電源溫度監(jiān)控設(shè)備中，溫度補(bǔ)償電壓調(diào)整值為：

△V=-溫度補(bǔ)償系數(shù)(mV/℃)×(電池溫度-基準(zhǔn)溫度)×N

(1)

其中，N是通信用組合電源的電池節(jié)數(shù)。電池中的基準(zhǔn)溫度一般在20～25 ℃。但是，由于不同材質(zhì)的電池和不同廠家給出的電池溫度的參數(shù)不同，還需要結(jié)合廠家給出的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 論

排除通信電源系統(tǒng)用電池自身的質(zhì)量問(wèn)題，很多電池使用者在使用電池過(guò)程中，對(duì)電池充放電控制和管理缺乏科學(xué)使用和管理。電池早期容量損失、不可逆硫酸鹽化、熱失控和電解液干涸等，都嚴(yán)重影響電池的實(shí)際使用壽命。通信用組合電源系統(tǒng)電池的后期維護(hù)和管理工作，是延長(zhǎng)通信電源系統(tǒng)電池使用壽命的主要途徑。電池管理性能的優(yōu)化和創(chuàng)新，已經(jīng)成為當(dāng)前各個(gè)電源生產(chǎn)廠家最重要的競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)容。在日后的電池使用和管理過(guò)程中，還需要大力倡導(dǎo)電池的管理和維護(hù)，最大化資源利用，以提升我國(guó)通信用組合電源系統(tǒng)電池的整體使用效率。