一例開關電源電池管理功能失效故障分析

高新紅 賀躍通

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

一例開關電源電池管理功能失效故障分析

高新紅1賀躍通2

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

目前，通信開關電源監控單元對蓄電池的充放電管理功能已經比較完善，但前提是蓄電池的連接關系、參數設置要滿足監控單元對蓄電池自動管理的要求，需充分了解監控單元控制電池充、放電過程的原理。基于此，本文通過對一例因蓄電池與開關電源的連接關系問題導致監控單元電池管理功能紊亂的案例進行分析，強調電池電纜正確接入電源系統的重要性。

通信電源；電池管理；充電；放電；監控單元

1 通信開關電源對電池管理的原理

現代通信電源對電池充放電管理的過程主要包括充電過程限流、放電過程監測、電池充放電容量計算、均充管理等。

首先，蓄電池的初始容量、放電限流值等參數由蓄電池廠家確定，并在開關電源調試時設置于監控單元中。電池的充放電狀態由電池分流器上的檢測線得到，通過檢測線傳送到監控單元的信號為毫伏級的電壓信號，電壓信號由電池電流在分流器上產生的壓降產生（如用霍爾元件做傳感器原理也基本類似），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，監控單元根據這個電壓信號來判斷電池處的充放電狀態和電流的大小［1］。如果電壓信號方向翻轉，則監控單元認為電池的充放電狀態翻轉，即由充電狀態變成放電狀態（或反之），充電或放電的容量（安時數）也由電流和時間積分得到。

然后，如果監控單元判斷電池處于充電狀態，且電流值大于設定的限流值時，監控單元通過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，通過閉環的反饋、調節過程，最終使充電電流穩定于事先設定的充電限流值，隨著電池容量的增加，充電電流減小，監控單元會逐漸提高整流模塊的輸出電壓以保持電流不變，直到輸出電壓達到設定的電池浮充電壓或均充電壓，這就是恒流限壓過程［2］。整個過程中監控單元計算充入電池的電量并顯示在系統信息中。

再者，放電電流由負載大小確定，監控單元只監測放電電流的大小，計算電池放出的電量。如果監控單元計算電池的剩余容量小于設定值（如電池初始容量的75%），則在下次充電過程中監控單元會控制系統進入自動均充狀態，執行對蓄電池的均衡充電。

最后，周期性均充管理。如果市電質量非常穩定，長時間沒有停電，浮充狀態會一直持續，當持續浮充超過一定時間（一般60d左右），監控單元會自動啟動均充程序，提高整流模塊輸出電壓到均充電壓值，對電池進行均充，以活化電池，當均充時間達到設定值（如12h）或充電電流持續處于較小值時，在監控單元的作用下系統再次轉入浮充狀態，以防止電池過充損壞，進入正常的浮充狀態。如此反復［3］。

2 案例故障介紹

某通信機樓一套艾默生NetSure開關電源系統，整流柜、直流柜各2架，2架整流柜在右，2架直流柜在左，2個整流柜分別配置100A整流模塊10、8個，負載電流980A，后備電池為4組1 500Ah兩兩并聯后形成兩組3 000Ah接入系統。需特別指出的是，該系統的蓄電池與開關電源的連接關系（如圖1所示）：每組電池的正負極引出線均為4條240mm2電纜，2組電池的正極電纜共8條，均接到開關電源系統的正極母排上（因不影響后續的分析，圖中未畫出正極排），每組電池負極的4條電纜都分成2組，每組2條分別接入2臺直流配電柜的電池Ⅱ熔絲上端，從開關電源側來看是2組電池接入，但每個電池接入端子的4條電纜來自2組不同的電池組。環監控后臺顯示開關電源有電池放電的二級告警，并時常出現電池處于均充狀態的三級告警。現場查看，監控單元顯示2組電池中一組處于充電狀態，另一組處于放電狀態，電流值基本相等，約為22A左右。查看歷史告警發現，系統幾乎每天都會啟動自動均充程序一次對電池進行均充充電，持續時間約為3h，并有電池容量低的告警。監控單元在“浮充-電池組放電-電池組容量降低-自動均充-轉浮充-電池組放電……”各狀態之間反復。循環周期為1d左右，監控單元顯示放電的電池組容量為700Ah左右。由于系統對電池頻繁均充，為保護電池，人為關閉了系統的自動均充功能。

圖1 電池組與開關電源連接關系示意圖

3 故障處理與分析

3.1 測量數據

3.1.1 測量浮充狀態下電池總電壓、單體電壓。對該開關電源系統的4組電池單體電壓進行測量，無論均充、浮充狀態，各單體電壓均在2.22～2.36V的正常范圍之內。

3.1.2 測量浮充狀態下各組電池電流。用鉗表測量電池連接條中的電流，發現4組電池的電流幾乎都為0，與監控單元顯示的充放電22A左右不符。

3.1.3 測量均充狀態下的電池電流。手動均充狀態測量電池連接條中電流，各組電流之和與監控單元顯示的充電電流大小基本一致。對電池出線電纜進行整體測量，結果與監控單元顯示的充電電流基本一致。

3.1.4 測量放電狀態下電池電流。降低開關電源輸出電壓進行電池放電試驗，放電過程中測量兩組電池的總電壓、單體電壓、電流，發現2組電池放電電流總和與監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，沒有太大偏差，說明兩組電池的性能也沒有問題，與監控單元顯示的一組電池容量嚴重偏小不符。

3.1.5 替換監控單元。替換新的監控單元，并將原設置參數復制過來，試運行幾天，沒有任何改觀，所有現象依舊，排除了監控單元故障的可能。

3.2 故障分析

根據上述測量結果，浮充、均充、放電各狀態下各項數據基本正常，可判斷電池性能沒有問題，監控單元沒有問題。頻繁均充、電池容量低告警、同一時刻一組電池充電而另一組電池放電等現象應為監控單元的誤動作。結合監控單元對電池的管理機制，之所以監控單元會有誤動作，應該是監控單元接收到了錯誤的信息造成誤判所致。

前文所述，監控單元對蓄電池充電、放電狀態的判定是根據從分流器傳回的信號電壓的極性來判定的，2組電池充放電狀態相反，按照這種檢測邏輯反推，兩分流器檢測線的電壓極性應相反，進而推斷2個電池接入端子中的電流方向是相反的。用萬用表毫伏檔對分流器兩端電壓進行測量，并用鉗表測量浮充狀態下2組電池熔絲中的電流，猜想得到驗證：2個分流器中的電流方向相反，進而在電池側對來自不同的電池熔絲的2條電纜進行電流測量，過程中特別注意了2對電纜中的電流方向，發現電流確實為22A左右，但方向相反，測量出的電流方向如圖2所示：每組電池負極排上的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（為使后續描述更直觀，電流方向做了反向處理，實際方向與示意圖中相反，下同）。

為什么會出現這種情況？對電池組與開關電源的連接關系圖進行分析，這種連接關系下，浮充狀態時，電池電壓與系統輸出電壓相等，充電電流為0，原連接關系示意圖可等效轉化為圖3中右圖的效果，因2個電池組的負極排和系統母排電壓相等，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電纜從一個電池端子出發，經電池負極銅排連接后回到另一個電池接入端子，相當于在2個電池接入端子間并接了一條近1 000mm2的導體和母排并聯，形成了一條旁路通路。從圖2可以更清晰地看出，負載電流的一部分會從這條通路經過，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載電流，是因為這個旁路通路中串聯的2個電池分流器的電阻相比母排的電阻

來說要大很多，根據并聯電路的特點，這條并聯通路中的電流自然會比較小（總電流為980A，占比不到3%）。

圖2 浮充狀態下的負載電流流行示意圖

圖3 系統連接關系等效圖

3.3 故障處理

根據上述測量和分析，2個直流柜的電池接入端子中電流大小相等方向相反，監控單元據此判定一組電池在充電，另一組電池在放電，從而引發后續一系列的奇怪現象。找到問題根源后，對電池連接線進行改接，改接后的連接關系示意圖如圖4所示，改接后一系列的告警沒再出現，印證的上述分析是正確的。

除了上述因連接關系造成的電池管理功能失常外，這個系統的電池連接還有一點問題。艾默生電源的直流配電柜中，2組電池的分配關系為左1右2，直流柜上只接入一組電池時系統默認接入電池組1熔絲，監控單元設置電池組為1，此時系統會忽略電池組2［4］。該系統中每個直流柜只接一組電池，但都接在電池組2的接入端子上，為使系統實現自動管理電池，每個直流柜的電池組數不得不設置為2（每個直流柜單獨設置，這樣總電池組數為4），但2個直流柜的電池組1上是不接電池的，監控單元監測到的這兩個電池組的充放電流始終為0，這也給系統的電池管理功能帶來一定的影響，所以改接后電池線都接到了2個直流柜的電池組1上。

圖4 改接后的電池組與開關電源連接關系示意圖

4 結論

這是一個因電池線連接不當引起的電池管理混亂的典型案例。通信電源電池的均充過程是對電池化學特性的活化過程，適當地定期均充對提高電池壽命有一定幫助，但頻繁均充會造成電池不正常排氣、失水加快，甚至熱失控而損壞，反而會縮短蓄電池的使用壽命。

通過對本案例的分析得出，無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開關電源的要求正確連接，基本要求是：電池組與開關電源上蓄電池接入端子是一對一或多對一的關系，多對一時的多組電池是并聯關系，多組電池中各組的品牌、容量、新舊程度需相同，各個電池接入端子下連接的電池組情況需保持一致，監控單元中的參數設置要根據電源廠家要求和現場實際配置情況正確設置。一對多（一組電池去多個電池熔絲）的電池線連接方式，在負載電流比較小、電池連接線徑較小時，沒有明顯影響，但在負載電流大、線徑大時將會出現上述的旁路效果，導致監控單元對電池檢測出現問題，進而電池管理失效，長時間運行對電池壽命會有較大影響。

［1］ 艾默生網絡能源有限公司.PS48400-2C/50智能高頻開關電源系統：E1-20020314-C-1.0［Z］.2002-03-14.

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

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

［4］ 深圳市華為電氣技術有限公司編輯部.PS系列大容量智能高頻開關電源系統：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：通信動力設備可靠性提高及節能優化。