通信系統蓄電池單體差異化導致充放電不均衡的危害與解決方案

鐘 彬

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000）

UPS 是保證通信系統可靠運行的保障，蓄電池作為其電源，一旦出現問題，將造成事故擴大，嚴重威脅通信系統安全運行。蓄電池組單體結構與組成對其穩定性、經濟性的影響也至關重要，進而影響其循環壽命。為保證其可靠性，目前廣州地鐵車站級UPS 電源系統均設置了2臺40 kVA 的UPS 設備并機運行，每臺UPS 各帶一組蓄電池組。單站蓄電池造價占整套設備整體價值的62%。如若蓄電池穩定性提高，實現2臺UPS 設備共用一套蓄電池設備，則可節約投資30%，即對蓄電池的優化管理對節約UPS設備的投資具有重要意義。市場調研表明，現階段蓄電池組存在不同品牌不能合用，新舊批次、容量不等不能混用的缺陷，以及蓄電池組不平衡充放電導致蓄電池組發熱嚴重的難題，已嚴重制約設備運行維護，甚至對機房消防安全構成威脅。

1 蓄電池組單體充放電不均衡的危害分析

1.1 形成結晶

目前，廣州地鐵機房采用的通信系統蓄電池大多數為閥控式全密封式鉛酸蓄電池。放電接近終了，即單節蓄電池端電壓出現明顯下降時，極板表面形成大量硫酸鉛，這就造成硫酸鉛大量堆集，同時單位時間滲透量小于極板內硫酸的消耗量，電解液密度迅速下降，還保持放電狀態，放電形成的硫酸鉛不能及時充電轉化為氧化鉛，就會形成結晶，導致蓄電池產生硫化故障，內阻大大增加，縮短蓄電池使用壽命。

1.2 形成可燃氣體

當充電過程中端電壓不再上升，且保持充電狀態超過4小時以上時，劇烈放出的氣泡會導致活性物質脫落，造成蓄電池容量降低，另外，在過充狀態下，蓄電池放出的氫氣和氧氣濃度迅速提升，當氣壓超過閥值氣壓，則氣體溢出并帶出水分導致蓄電池內失水，內平衡失調，其溢出的可燃氣體對機房消防安全造成嚴重威脅，即機房內應嚴禁明火并特別注意范圍內可燃物。

1.3 發熱升溫

為提高蓄電池的免維護性，密封鉛酸蓄電池"氧循環"原理之一就是正極板析氧以后，氧氣直接到負極板與負極板的析氫還原為水。在鉛酸蓄電池大量析氣以后，氧氣在負極板復合為水，實現氧循環能力，但是，氧循環發熱量遠遠大于充電時的發熱。而氧循環有好也有壞，好處是可以減少水損失，壞處是加劇電池發熱。而發熱是影響蓄電池容量的又一個重要因素，隨著環境溫度的升高電池容量會相應的減少。按照室溫25℃為參考依據，容量計算公式如下：

式中，t 為室溫；Ct為25℃時的容量；K 是溫度系數（10小時、3小時和1小時的容量實驗K 的取值分別為0.006/℃、0.008/℃、0.01/℃）。

實驗表明，溫度過高是導致鉛酸蓄電池實際壽命嚴重小于設計的額定壽命的重要原因。一般情況下，工作溫度升高10℃，相同電壓下的最大充電電流會增加一倍，遇到這種情況，蓄電池的壽命會因為過度充電累積電量的增加而縮短。工作溫度過高時，升高的浮充電流不僅加快了電量的累積，也加快了氣體生成析出的速度和板柵腐燭的速度，進而縮短了蓄電池的壽命。

2 蓄電池組單體差異化及其充放電的表現與影響因素

2.1 蓄電池組單節差異化與原因分析

在實際應用中，蓄電池為多個串聯成一組供電，經各場所應用顯示，蓄電池組實際使用壽命往往遠低于其出廠額定壽命，且蓄電池成組以后的壽命遠遠低于單體電池壽命。主要由于電池的大小差異，小容量的電池容易過充，而放電時，最小容量的電池又容易過放。其中容量最小的電池受損，進而導致容量變得更小，進而惡性循環，這也是導致蓄電池組不能不同品牌混用的最大制約因素。蓄電池單體差異化的產生原因主要有以下三個方面。

（1）制造因素：工藝問題和材質的不均勻，使電池極板厚度、微孔率、活性物質的活化程度等存在微小差別，這種電池內部結構和材質上的不完全一致性，同一批次同一型號電池的容量、內阻和電壓參數不完全一致。

（2）使用環境因素：各機房的溫度、通風條件有差異影響，一定程度上導致蓄電池單體電壓、內阻及容量參數不一致。

（3）充放電因素：正常情況下整組蓄電池都是采用整組電壓閥值控制，絕大多數時間為浮充狀態，每次充電或放電，因不平衡充放電，單節蓄電池過充或過放導致個體惡化加劇，進而擴大差異化。

2.2 蓄電池單體差異化充放電不均衡表現

2.2.1 蓄電池組不均衡充電表現

以一組24節額定電壓2 V 電池為例（圖1），串聯工作整組充電時，以總電壓2.3 V*24=55.2 V 作為均充電壓值。圖2所見，綠色部分多節電池遠遠沒有達到2.3 V，紅色部分多節電池已經超過2.3 V，導致過充，而這樣充電不均衡的現象會直接加速蓄電池的極板活化物質損耗，從而導致整組電池工作失效。

圖1 蓄電池組不均衡充電

2.2.2 蓄電池組不均衡放電表現

圖2 蓄電池組不均衡放電

串聯工作整組放電時，以總電壓1.8 V*24=43.2 V 作為終止電壓值放電時，如圖3所見，綠色部分多節電池未能充分放電，電壓還在1.8 V 以上，而紅色部分多節電池已經低于1.8 V，導致過放，這種放電不均衡的現象也會直接導致電池的硫化故障，大大減少單體蓄電池容量和壽命。

圖3 設計電路示意圖

3 充放電不均衡的解決方案

鑒于上述兩種充放電不均衡現象，需要對蓄電池充放電電壓實時監控，及時發現并自動調節。而現階段的UPS 并不具備自動均衡功能，需要打到預警值后，由維護人員切除再排查，此時蓄電池因故障時間過久已造成活化能力衰減。為此，筆者從理論上設計了一種具有蓄電池單體均衡功能的蓄電池狀態巡檢儀，為每一個蓄電池單體密封壓力（F1-Q）傳感器，精確反饋蓄電池內部壓力變化情況，防止蓄電池的過充，再通過外接均衡決策模塊收集壓力傳感器反饋的信號來實現蓄電池主動均衡。

本電路由串聯電池組（B1-BQ）、電阻（F1-FQ）、開關MOS管（Q1-QQ）、直流充電單元1、被動均衡單元2、主動均衡單元3、電壓檢測電路4、驅動電路5和均衡決策模塊6組成。

采用電池內阻分流方案，同時將蓄電池組B1-BQ 內的每個單體并聯接入巡檢儀，在充電過程中，若發現其中一個電池出現過充現象，通過開關MOS 管切斷輸出回路及時調整充電為對其他電池放電，若發現其中一個電池出現過放現象，通過開關MOS 管切斷輸入回路及時調整放電為其他電池對其充電，從而實現主動充放電均衡。

另外，通過UPS 網管系統與主控智能監測管理平臺相連，并將本系統經選擇的各種狀態信息通過標準的10/100 Mb/s 以太網接口應用RJ-45連接器輸出到智能監測管理平臺上，實現網絡化監控。

4 結束語

此方案設計可以緩解多個蓄電池內阻、容量不同的蓄電池共同使用的難題，大大增加蓄電池組的使用壽命，減少運營維保部門的維護檢修工作量。但此設計方案為理論設想，有待于在實踐應用中檢驗，且當前設計為考慮到UPS 系統的穩定性，獨立設置均衡測控模塊，也增加了機房使用空間。在后續應用環境中，如運行穩定可考慮把此模塊集成在UPS 中，通過UPS 并機卡實現蓄電池組#1、蓄電池組#2之間進行能量均衡，以達到2組蓄電池組各單體始終處于最佳浮充和放電狀態，實現蓄電池組相互冗余，大大增強蓄電池使用壽命，最終實現減少蓄電池配置，減少投資的目的。