蓄電池在線維護驗收技術研究及應用

郭 濤，陳 郁，潘江林，江 陵，李 宇

（1.中國聯通蘇州分公司，江蘇 蘇州 215000；2.中國聯通 江蘇省分公司，江蘇 南京 210029）

0 引 言

隨著社會經濟和電子信息技術的飛速發展，蓄電池已被廣泛應用于醫療、通信、汽車以及電力等諸多領域。醫療方面，各種精密醫療設備的不間斷供電十分重要，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）需要大量蓄電池作為后備電源；通信方面，在自然災害等特殊情況下保證通信暢通是重要的任務，而蓄電池是電源系統的后備保障；電力方面，用電需求越來越大，削峰填谷離不開儲能，而蓄電池是目前重要的儲能介質。

對于通信行業來說，目前基站內蓄電池主要以鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池為主。鉛酸蓄電池的使用壽命一般為8～12年，對工作環境、市電都有著嚴格的要求，不同等級的鉛酸電池只有在滿足相應環境、市電要求的情況下才能達到正常的使用壽命[1]。受蓄電池自身特性、基站現有環境條件及維護手段的限制，一般的蓄電池實際使用壽命往往只有6～8年。性能劣化、容量不足的蓄電池是通信系統的重大安全隱患，當遇到停電等故障情況時，不僅不能提供保障，還會造成經濟、業務上不同程度的損失[2]。每年運營商有大量的蓄電池因性能劣化提前報廢，不僅造成運營商資金、資源的浪費，而且蓄電池內所含的鉛、鋰等重金屬也對環境造成不可恢復的影響。蓄電池往往采用多節并聯成組的方式作為后備電源給電源系統供電，根據不完全統計，容量不足、性能劣化的蓄電池組是由于整組電池中存在單體故障，而造成蓄電池實際使用壽命縮減、容量損失的原因是多方面的，包括廠家在設計階段的問題、生產原材料的問題、生產環節的質量問題，但影響最大的還是蓄電池維護管理缺失、電源管理粗放以及糟糕的工作環境。維護管理缺失主要集中在未定期進行日常巡檢，不能及時發現蓄電池問題[3]。電源管理主要集中在充、放電管理不到位，充電參數設置不當造成蓄電池過充、欠充，放電電流過大造成蓄電池過放，放電電流過小且長時間放電造成涓流放電，最終導致蓄電池整組容量損失、單節故障。

以某省級運營商在網運行蓄電池情況為例，全省蓄電池組達8 951組，其中普通匯聚及接入機房蓄電池數量占82.56%。每年隱患改造投資有限，普通匯聚及接入機房的蓄電池得不到及時替換，目前該類機房的蓄電池大多都已經超期。隨著時間的推移，每年都會積累大量超期服役的蓄電池組，存量隱患逐年遞增[4]。

蓄電池是后備電源的保障，突發故障時保證蓄電池能夠及時、保質保量充分發揮后備電源的作用是運維管理人員的重要任務。按照已有的管理規程，每年進行固定幾次的常規檢測很難及時準確地發現蓄電池的實際問題。目前，蓄電池監控常用的手段是增加每節蓄電池的內阻、電壓監測單元，但成本高、覆蓋率不高，只能實現蓄電池單體電壓、內阻的實時數據監控，不能實現充放電管理，無法從根本上解決蓄電池長期存在的容量損失、單節故障等問題。性能劣化或超期服役的蓄電池得不到有效更換或維護將影響蓄電池的使用性能，導致整組電池放電時長不滿足設計要求。在遇到停電等緊急情況時，可能會導致機房斷電、失火等嚴重事故。

1 蓄電池維護管理新需求

鉛酸蓄電池的主要組成有正負極極板、電解液、池槽、電槽、隔板、端子以及上蓋/頂蓋等，如圖1所示。

圖1 鉛酸蓄電池主要組成

造成每節單體電池存在差異的因素有很多，例如極板的厚度、電解液的濃度、極板材料、極板的清潔度、組件之間的熔接以及單格之間的連接等都造成了電池電壓、內阻與容量的不一致，影響電池的質量。

蓄電池不管是搭配開關電源組成直流電源系統，還是搭配UPS組成交流不間斷電源系統，UPS及開關電源都采用傳統的直接控制整組電池電壓充放電方式。以鉛酸蓄電池搭配開關電源為例，浮充電壓通常設置為54 V，均充電壓設置為56.4 V，終止電壓設置為43.2 V，整組電池長時間運行導致蓄電池單體間的差異性逐步增加。同時單節蓄電池成組投入使用后，每節電池的溫度、自放電程度、通風情況的不同也會導致每節電池的性能差異。

目前，影響蓄電池壽命的主要原因包括過充、欠充、過放以及環境溫度變化等。蓄電池在浮充、均充、放電狀態下均會造成極板腐蝕，如果長期處于過充電狀態，會導致電池極板腐蝕加劇，極板變薄的同時產生變形，使蓄電池失水甚至干枯，并使電池熱失控，從而降低電池性能和壽命。更嚴重的是，過度腐蝕造成個別極板斷裂，最終導致整個電池的損壞。研究表明，過充5%持續工作4個月，鉛酸蓄電池使用壽命將減少一半。蓄電池在正常工作中，負極板上的硫酸鉛少且小，充電時很容易還原成海綿狀鉛。如果蓄電池長期處于欠充和過放，會導致硫酸鉛無法還原，形成大顆粒硫酸鉛附著在負極板上，造成負極板硫酸鹽化，導致蓄電池組的使用壽命嚴重縮減。高溫會導致電池內部熱失控，極板腐蝕和內部失水加劇，縮短使用壽命，容量下降。以鉛酸閥控式蓄電池為例，標準工作環境溫度為25 ℃，蓄電池使用壽命能達到12年。隨著溫度升高，使用壽命會急劇縮減，環境溫度升高10 ℃，則電池使用壽命縮短一半。

綜合考慮各項影響因素，蓄電池在線數字化管理需求主要包括輸入異常告警、輸出異常告警、定期核容、定期均充、定期切換檢測、壽命預測以及數據應用分析。

2 主動均衡能量管理系統功能

2.1 蓄電池在線監測

目前，普通匯聚及接入機房蓄電池監控管理功能比較單一，僅能監控蓄電池整組電壓、充電電流、放電電流，無法監測蓄電池使用中的重要參數，例如單體電壓、單體內阻、單體溫度等。如果日常僅依靠運維人員現場抽查并測量核容來判斷蓄電池性能優劣，無法實時、全量審查蓄電池健康狀況。

主動均衡能量管理系統能夠實時監測單體蓄電池的實時電壓、電流、溫度等數據，并且具備蓄電池單節過充電告警、過放電告警、單節開路告警功能，能夠確保每個單體蓄電池不出現過充、欠充、過放、欠放。除此之外，將告警數據與歷史數據上傳至服務器并保存1年，運維人員可根據站點名稱、日期等關鍵信息進行歷史數據查詢，實現蓄電池數據在線實時查詢。

2.2 蓄電池鏡像技術

當蓄電池組內某一節單體電池開路的瞬間，在實時告警記錄推送的基礎上利用主動均衡能量管理系統獨有的電池鏡像技術對突然出現問題的單體電池采取鏡像處理，實時虛擬出一節或數節電池電壓，保證電池組工作電壓穩定，實現電池組持續供電。通過鏡像處理等功能實現系統自動調整蓄電池組電壓，持續支撐負載運行，為代維上站處理提供充足時間[5]。同時通過電池脈沖修復，對蓄電池采用24 h不間斷且頻率高達8 kHz的小電流脈沖，利用大結晶諧振的方法來溶解鹽化結晶，消除電池的硫化現象，保證蓄電池組長期處于活化狀態，起到主動修復的作用。

2.3 蓄電池充放電均衡管理

整組蓄電池在放電過程中存在木桶效應，蓄電池組投產后，電池間的差異性會隨著充放電循環、環境、生產工藝等因素的影響而逐步增大。如果不能及時發現并更換，放電過程中落后電池會直接失效，導致整組電池備電不足甚至失效，使用壽命遠遠低于正常電池壽命。

主動均衡能量管理系統改變以往蓄電池整組充電的落后形式而采取差異化充電，對不同狀態的電池施加最適合的充電電壓、電流，避免整組充電帶來的欠充、過充問題，實現高效率的個性化充電。改變整組放電的模式，在放電過程中用部分電池的電能對落后電池進行額外的能量補充，有效利用各電池單體的放電容量和備用時間。

優化電池組內各單體電池的均衡充放電能力，采用N+1的連線方式，充電過程中實時監測單節蓄電池的電壓、電流、總電壓等數據，并實時對單節蓄電池充電進行管理，避免單節蓄電池過充電、欠充電。鉛酸蓄電池組放電過程中實時提供單節蓄電池的電壓、電流、總電壓等數據，并對蓄電池組放電進行管理，保證電池組的一致性，提高放電效率。當蓄電池組內單體電壓快速下降或電池急劇升溫時，系統能夠自動對此節電池進行隔離，保持電池組內均衡。

2.4 蓄電池在線自動核容

根據計劃或運營需要，利用主動均衡能量管理系統對蓄電池進行在線容量核對，實現蓄電池組遠程無人在線容量核實功能，無需外接放電負載設備，節約運維成本，實現蓄電池數字化運維。設定在線自動核容起始時間，自動完成在線核容數據記錄，對剩余容量、放電時長自動核定、根據需求定期提供核容報告。蓄電池核容測試完成后，生成電池組容量報告。

2.5 數字化管理平臺

主動均衡能量管理系統設備內置物聯網卡，平臺實時數據可以通過物聯網卡以4G網絡制式上傳至服務器儲存。此外，系統設備配置遠程本地通信http接口，相關設備具有開放監控接口，可以將參數設置、監測信息、告警信息實時上傳至服務平臺或動環監控單元（Field Supervision Unit，FSU），同時可以按照客戶要求定制開發相應接口[6]。

平臺具備對電池的過充告警、過放告警、高溫告警、更換告警以及開路告警等告警信號的檢測和推送能力，并且可以將告警記錄上傳記錄至服務器內，維護人員可以隨時進行告警記錄的查詢處理。根據運營需要，平臺還具備對需充電電池的充電提醒推送功能，能夠對均充電壓、浮充電壓、電池告警閾值進行查看和調整，可以遠程設置在線核容相關參數，自動生成并記錄蓄電池剩余容量數據報告和蓄電池健康狀況數據報告。此外，管理平臺可以按不同功能要求設置系統管理級別與操作權限，支持App在線維護、在線升級。

3 蓄電池在線維護驗收技術試點成效

中國聯通某分公司選取了4個站點進行試點安裝，利用主動式能量管理系統實現站點電池的在線維護。主動均衡能量管理系統應用前后核容測試情況對比如表1所示。

表1 主動均衡能量管理系統應用前后核容測試情況對比

從性能改進上來看，以截止電壓47 V對比，4個站點蓄電池后備時長顯著延長。通過后臺數字化平臺顯示界面可以清楚地看到站點內每節單體電池的電壓、電流、溫度等，如圖2、圖3所示。

圖2 后臺單體電池電壓、溫度數據

圖3 后臺放電電流數據

與此同時，歷史數據可以存儲至服務器，歷史數據查詢界面如圖4所示。

圖4 后臺歷史數據查詢

通過加裝主動均衡能量管理系統，可以循環使用，在節約蓄電池改造投資的同時，還可以實現蓄電池遠程核容、在線監測、在線維護、在線驗收等功能，節約維護成本。

4 結 論

在通信系統中，電源影響著整個系統的健康狀態，一旦電源出現故障，將會造成重大損失。蓄電池是電源系統的重要防線，根據通信系統事故統計，高壓切換導致的事故約占20%，電源設備導致的事故約占10%，蓄電池故障導致的事故約占70%。基于蓄電池自身的一些特性，人們對日常的電池維護管理提出了更高的要求。利用主動均衡能量管理系統的一系列優勢重點解決目前行業內蓄電池維護困難、改造投資投入較大等問題，減少維護上站次數，實現電池免維護，達到數字化運維管理、節能減排、降本增效的目標。

該系統投入使用后，試點站點在不更換蓄電池的情況下采用蓄電池主動均衡能量管理系統對單只電池進行差異化管理，解決了單體電池的一致性問題，提升了整組蓄電池的性能。運維人員可以通過數字化管理平臺輕松實現蓄電池日常維護，實時監控每個站點的電池健康狀態，按季度形成容量測試報告，實現蓄電池在線維護驗收，節省運維成本。在停電、單節故障的情況下，通過該系統保障基站通信設備穩定運行，具有廣闊的市場應用前景。