基站（房）并聯蓄電池組時分隔離技術研究

劉立新，魏 弢

（中國移動通信集團設計院重慶分院，重慶400030）

1 概 述

統計數據顯示，通信電源系統中蓄電池的配置成本與電源設備的配置成本基本相當甚至更高一些，而蓄電池的使用壽命卻遠低于電源設備的使用壽命，特別是基站蓄電池，平均使用壽命只有3年左右，而電源設備的平均壽命都在10年以上。影響電池壽命的一個重要因素是蓄電池使用情況，比如選擇的充電模式、環境溫度以及蓄電池組之間的連接關系等。

多組蓄電池并聯就存在連接關系問題，而且在配置蓄電池組時會提出蓄電池組的容量一致，新舊程度一致，生產廠家及型號、生產時間及批號盡量一致等苛刻要求，這是為了防止因單只蓄電池的個體差異給整個蓄電池系統帶來不良影響。如果蓄電池的個體差異過大，蓄電池組之間的差異就會增大，充電時間一長就會造成蓄電池組的損壞，從而引出了并聯蓄電池組如何實現隔離的問題。

2 蓄電池并聯技術現狀

2．1 蓄電池組的并聯

通信電源系統所使用的蓄電池大致可分兩類應用場景，一類是在中心機房，另一類是在通信基站。眾所周知，蓄電池的作用就是在主電源中斷后臨時接替電力供應，直到后備電源接入或主電源重新恢復為止。在目前的技術方案中，每個獨立的通信電源系統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，防止因單組蓄電池損壞造成通信中斷，所以增加蓄電池組的并聯數量是目前一種普遍的做法。

2．2 并聯蓄電池組的隔離

在現實中，不論是UPS系統配備的并聯蓄電池，還是開關電源系統配備的并聯蓄電池，蓄電池組之間的隔離通常只是通過熔斷器、開關等裝置進行的機械隔離，并沒有真正實現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了問題，那也只能等到被發現后通過人工方式切斷連接來規避危害，但很可能為時晚矣。

圖1 并聯蓄電池組的隔離技術現狀

3 并聯蓄電池組的隔離問題

3．1 簡單的機械隔離

從圖1中可以看出，蓄電池組之間的隔離只是簡單的機械隔離。只要隔離開關一閉合，各組蓄電池之間的電氣關系為直通關系，電流可以互灌，而開關閉合本身就是目前通信電源系統中蓄電池組在線支撐的正常工作狀態。因此，在線狀態下機械隔離實際上是起不到隔離作用的。

3．2 機械隔離存在的問題

研究表明，引起蓄電池壽命縮短的原因除環境溫度、充電因素外，蓄電池并聯使用也是一個重要原因。因為蓄電池組是由多個單體蓄電池串聯構成，每個單體內部都存在細微差異，導致各組蓄電池的內阻、電壓存在一定差異，特別是不同容量、品牌的蓄電池并聯差異更大。如果進行并聯充電，始終會有一組蓄電池不能充電到理想狀態，只要有一組蓄電池中出現了一個落后或損壞電池，另一組蓄電池就會反過來對其進行不限流的充電，很容易導致所有蓄電池相繼損壞。

4 并聯蓄電池組隔離充電研究

4．1 單項交流移相隔離充電技術

在這里，先提出一種實現并聯蓄電池組隔離充電的方法，即利用單相交流電源的正負周波分別對并聯蓄電池組進行充電，從而實現蓄電池組并聯充電時的隔離，再通過二極管實現蓄電池組的并聯放電。這種情況下放電電流是完全連續的，圖2為該方法簡化電路原理。

圖2 并聯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為發光二極管，K1、K2為應急旁路開關，O1、O2為光電耦合器，T1為信號源變壓器（輸出中心抽頭），V1、V2為大電流場效應（V－MOS）模塊，本方法具有以下特點：

（1）設置了充電、放電兩條獨立路由，利用半導體的單向導通特性建立各自路由的物理通道。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的柵極驅動器。

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

（3）市電正常時，假設交流電源工作在正半周時充電通道V1導通，則開關電源只向蓄電池組Ⅰ充電；當交流電源工作在負半周時，則充電通道V1阻斷，充電通道V2導通，然后開關電源轉向蓄電池組Ⅱ充電。

（4）當主電源中斷后，充電通道V1、V2由導通轉為截止，此時放電通道D1、D2由反向截止轉為正向導通，蓄電池組通過放電通道D1、D2向通信負荷放電，從而保證通信負荷的工作電流連續穩定。

（5）充電時，由于V1、V2是錯時輪流導通，故每組蓄電池的充電總是處于“一充、一歇”的狀態，脈沖電流幅值為原充電電流的一倍。實踐已經證明，脈沖大電流充電對延長蓄電池的使用壽命是非常有利的。

（6）放電時，由于放電通道D1、D2單向導通，因此，各組蓄電池只能與通信負荷形成回路，這就切斷了一組蓄電池對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各組蓄電池的放電起到均流保護作用，使各組蓄電池達到平衡放電；如果某組蓄電池出現損壞，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，移相式隔離充電有局限性。在移相式隔離充電方法中，驅動脈沖由工頻交流電源檢波產生，只能檢出兩個脈沖序列，因為正弦波由兩個半波構成，若出現多組蓄電池并聯，借助市電作信號源就不適用了。

由于正弦波的上升沿較平緩，如果不對波形整形就直接驅動V－MOS管，V－MOS管會在一段時間內工作在線性電阻區，這樣不但會增大瞬態功率損耗，而且還會擠占Ah面積，浪費功率譜資源，降低充電效率。

4．3 時分隔離充電方法

借鑒時分通信原理，提出了并聯蓄電池組時分隔離充電方法。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耦合器和驅動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，見圖3。

脈沖驅動電源應與開關電源的輸入電源共系統，只要開關電源掉電，脈沖序列控制電路即停止工作，充電停止，各組蓄電池則通過隔離二極管向通信負載繼續放電。由于二極管存在單向導電性，如果蓄電池組之間存在電壓差異，則電壓高的一組蓄電池會先行放電，直到每組蓄電池的端電壓降到一致為止，各組蓄電池開始均流放電；如果某組蓄電池中出現了落后電池，則這組蓄電池因二極管的鉗位作用無法放電，當然也不會被其它蓄電池組反充電，從而得到隔離。

4．4 時分式隔離充電的優點

圖4為傳統非隔離型恒流充電與時分隔離式充電的比較。如果采用時分隔離充電技術后，每組蓄電池可獲得大電流充電時隙，原因是開關電源的充電電流在這一瞬間全部集中到了這個時隙，電流由浮充狀態的K變成脈沖狀態的NK，提高了N倍。

圖3 并聯蓄電池組時分隔離充電模型

圖4 直流恒流與脈沖序列充電波形比較圖

大電流脈沖充電對改善蓄電池的性能非常有利，體現在以下幾個方面：

（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間，蓄電池就始終保持微量出氣狀態，由此避免了因劇烈出氣造成活性物質脫落，延長了使用壽命；

（2）蓄電池容量有顯著增加。采用大電流脈沖充電時，蓄電池極板上的活性物質發生的化學反應會比常規充電更充分，可以消除極化現象，加深了化學反應深度，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象，減小蓄電池的內部電阻，縮短充電時間，減少電能消耗。

5 結束語

目前，中國移動設計院重慶分院已采用上述技術完成了產品試制，并在重慶移動、黑龍江移動一些基站進行了試點。試點選擇了同容量的新、舊蓄電池組并聯，不同容量的新、舊蓄電池組并聯，正常與異常蓄電池組并聯，全新蓄電池組并聯。試驗已持續大半年，證明隔離裝置未對設備及正常蓄電池產生不良影響，其中更可喜的是，在一組已退網的200 Ah舊蓄電池與一組在網的500 Ah蓄電池并聯使用大半年后，已退網的那組舊蓄電池的容量已恢復到了很好的水平。

采用時分隔離充電技術后，對并聯蓄電池組的差異性要求降低了。在早期通信負荷較輕的情況下，實際配一組或兩組小容量蓄電池即可，以后根據實際需要擴容，不必再考慮這些蓄電池組的容量及新舊程度差異問題，避免了價值昂貴的蓄電池在沒有發揮實際價值前就老化退網的矛盾。如果兩組并聯蓄電池中的一組壞了，只需更換壞掉的一組蓄電池，這樣又為電信運營商或其它通信企業節約了大量的投資費用。目前，很多運營商都在探索磷酸鐵鋰電池在通信基站中的應用，筆者認為成熟的鉛酸電池通過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［M］．北京：中國水利水電出版社，2009．

［2］ 張占松，蔡宣三．開關電源的原理與設計［M］．北京：電子工業出版社，2004．

［3］ 冀常鵬．現代通信電源［M］．北京：國際工業出版社，2010．