閥控式密封鉛酸蓄電池均衡技術在通信局站的應用分析

楊 超

（中國電信股份有限公司徐州分公司，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

閥控鉛酸蓄電池是通信局站使用的主要電池類型，具有維護工作量小、安全可靠、放電性能優良、使用壽命長、安裝靈活等優點。但是，它對充電電壓精度和運行環境溫度要求較高。過高的充電電壓和使用溫度將引發電池失水造成容量下降，縮短壽命甚至發生熱失控。

小型通信局站設備運行環境復雜，蓄電池運行溫度經常超出安全范圍，電池均衡性遭到破環。單體電池容量差異增大，落后電池出現幾率增加，導致后備放電時間不足和突然放電終止情況經常發生，且大幅縮短了電池組使用壽命，給運營商造成了嚴重損失。

提高蓄電池組運行質量，延長使用壽命，提升通信局站供電安全，是運營商迫切需要解決的問題，而電池均衡技術的不斷進步為解決上述問題提供了可能。

1 通信局站蓄電池不均衡的原因和危害

通信局站通常采用24只2 V單體電池串聯組成蓄電池組。開關電源輸出端與蓄電池組和通信設備并聯，且始終保持蓄電池組的充電總電壓恒定，或者根據環境溫度在一定范圍內對蓄電池組總電壓進行調節。由于單體電池在生產過程中不可能做到端電壓、容量、內阻的完全一致，因此不可避免會產生輕微不均衡情況。如果某只單體電池浮充電壓偏低，則其他電池單體浮充電壓會升高，以保持蓄電池組的總電壓不變。長時間電壓不均衡，將造成浮充電壓低的單體長期充不滿，其他單體電壓長期過高而過充電，致使蓄電池加速水的電解造成嚴重失水，極板氧化加速，引起壽命縮短、容量下降、熱失控等問題。

放電過程中，單體電壓較低的電池由于過放而引起不可逆的活性物質快速脫落和容量損失，并在充電過程中加劇不平衡的擴大，是落后電池產生的主要原因。部分落后單體電池經歷多次欠充和過放循環后導致容量嚴重不足，甚至在放電時出現反極現象和單體失效，造成不可預測的突然放電終止而引起通信局站的通信阻斷，從而帶來難以估計的損失。

由單體電池串聯組成的蓄電池組能夠放出的容量取決于容量最低的單體電池。使用過程中經常存在蓄電池組總電壓降至放電終止電壓但仍有大量單體電池容量沒有放出的情況。由于串聯單體電池數量較多，不均衡情況也會更容易產生。因此，提高充放電循環中單體電池均衡性，最大限度輸出電池組容量，使每只單體都能夠得到充分放電和充電，是有效提高電池組后備放電時間、延長使用壽命和提高通信局站供電保障能力的重要手段。

2 電池均衡技術概述

2.1 蓄電池均衡技術概念和策略

蓄電池的均衡是指在由多只單體電池組成的電池組中，對各單體電池在充放電方法上采取措施，使各蓄電池在充電時能夠同時達到充電終止電壓或者在放電時同時到達放電終止電壓。

它的能量轉移均衡策略可理解為，通過比較兩只單體電池的電壓，啟動相應控制電路做電壓均衡，最終達到相鄰兩電池的電壓均衡，從而達到各單體之間的均衡。能量的傳遞途徑通過對單體的補流與釋放能量實現。

2.2 均衡電路種類

常用的均衡電路主要包括電阻型均衡電路、電容型均衡電路、電感型均衡電路、變壓器型均衡電路和變換器型均衡電路。其中，電阻性均衡電路屬被動均衡，其他電路屬主動均衡。

電阻型均衡電路將每只單體電池與開關器件和電阻相連，通過控制開關器件的通斷釋放高于其他單體的能量通過電阻，以達到各單體的均衡。它的電路元器件少，控制簡單，成本低，可靠性高，但消耗能量多，運行效率低，存在熱管理問題，只能實現充電均衡。

開關電容型均衡電路在每兩個相鄰的單體之間將開關器件與電容連接，通過控制開關器件的切換實現相鄰單體的均衡。此方法控制較簡單，運行效率高，充電和放電時都能實現均衡，但是均衡速度慢。

變壓器型均衡電路可分為單獨變壓器型均衡和多繞組變壓器型均衡。單獨變壓器型均衡即每只單體電池均并聯一個獨立變換器；多繞組變壓器型均衡即一個變壓器有多個副邊，每個副邊連接一只單體電池，通過控制變壓器副邊輸出電壓，將整個電池組的能量轉移到電壓較低單體電池中。該方式具有均衡速度較塊、控制簡單的特點，可實現充放電均衡。但是，它對變壓器的要求較高，價格昂貴。變壓器副邊數量需與電池單體數量匹配，靈活性不高。

變換器型均衡電路包括Buck-Boost變換器型均衡電路和Cuk變換器型均衡電路。Buck-Boost變換器型均衡電路控制簡單，均衡速度快，運行效率高，靈活性好，但是當兩只電池相距較遠時均衡速度慢，效率低。Cuk變換器型均衡電路將每兩只單體電池組成一個均衡單元，由儲能電容、儲能電感和開關器件組成。當相鄰兩只單體產生不平衡時，均衡電路驅動開關器件交替通斷，電壓高的單體電池向電壓低的單體遷移能量，直到兩個單體平衡。它的控制較簡單，均衡速度較快，能量損失小，運行效率高，可以實現充放電均衡，但生產成本較高。

3 應用測試分析

將一種Cuk變換器型均衡設備安裝于通信局站進行在線測試，分析其充放電均衡效果。

3.1 測試環境

為驗證電池均衡技術實際應用效果，選取通信局站在網運行的48 V系統進行在線測試實驗，并分析比較實驗結果。

被測試系統為某品牌VRLA蓄電池兩組共48只，每組24只，單體額定容量500 Ah，單體額定電壓2 V，在網使用8年，負載電流48 A，存在多只單體電池落后、整組容量不足的情況。

均衡設備與蓄電池組的電路連接如圖1所示。

圖1 蓄電池能量均衡實驗接線圖

3.2 測試方案

開展3項實驗，分別在均衡系統開啟和關閉狀態驗證充、放電過程中的均衡效果，重點測試放電狀態對電池組容量、電壓、后備時間的影響。放電終止條件選擇系統輸出總電壓降至46 V時終止，單體電池電壓過低不作為終止條件。因這不是整組電池實際支撐時間的真實表現，通信局實際停電時也不會因單體電池過低即終止放電。

3.2.1 實驗一

實驗一是分別在均衡功能關閉和開啟狀態測量各單體電壓，期間分別充電12 h，實驗時間間隔48 h。

1號電池組實驗數據如圖2所示。關閉均衡功能時，單體電池浮充電壓最高2.244 V，最低2.210 V，單體最大壓差34 mV。開啟均衡功能時，單體電池浮充電壓最高2.238 V，最低2.219 V，單體最大壓差19 mV。可見，使用均衡功能前后單體最大壓差減小15 mV。

圖2 一號電池組浮電電壓比較

2號電池組實驗數據如圖3所示。關閉均衡功能，電池單體浮充電壓最高2.254 V，最低2.210 V，單體最大壓差44 mV。開啟均衡功能，電池單體浮充電壓最高2.248 V，最低2.219 V，單體最大壓差29 mV。可見，使用均衡功能前后單體最大壓差減小15 mV。

圖3 二號電池組浮充電壓比較

3.2.2 實驗二

實驗二是將蓄電池組充滿電狀態，在均衡功能不開啟時根據實際負載在線放電，系統輸出總電壓下降至46 V時開啟均衡功能，繼續放電至46 V時終止放電，記錄單體電壓、總電壓、放電電流和放電時間。

1號電池組單體放電電壓測試數據如圖4所示。從開始放電至開啟均衡功能前，部分落后電池單體電壓快速降低，最低單體電壓降至0.805 V。當輸出總電壓降至46 V時開啟均衡功能，落后電池單體電壓均有明顯回升，單體電壓放電曲線明顯收攏，單體電壓均衡性好轉，其中最低單體電壓回升至1.838 V，回升1.033 V，其他質態較好電池單體電壓略有降低，放電終止前單體最低電壓1.814 V，較開啟均衡功能前高1.009 V，未出現單體電壓嚴重劣化情況。

圖4 一號電池組單體電池放電電壓（中途開啟均衡設備）

2號電池組單體放電電壓測試數據如圖5所示。從開始放電至開啟均衡功能前，部分落后電池單體電壓快速降低，最低單體電壓1.805 V。當輸出總電壓降至46 V時開啟均衡功能，落后電池單體電壓均回升明顯，單體電壓曲線收攏，單體電壓均衡性好轉，其中最低單體電壓回升至1.841 V，回升36 mV，其他質態較好電池單體電壓略有下降，放電終止前單體最低電壓1.788 V，未出現單體電壓嚴重劣化情況。

圖5 二號電池組單體電池放電電壓（中途開啟均衡設備）

總電壓測試數據如圖6所示。從開始放電至開啟均衡功能前，共持續放電330 min，系統輸出總電壓降至46.2 V，1號電池組總電壓降至44.863 V，2號電池組總電壓降至47.653 V。此時開啟均衡功能，系統輸出總電壓回升至47.27 V，回升1.07 V；1號電池組總電壓回升至47.13 V，回升2.267 V；2號電池組總電壓從47.653降至47.533 V，3個總電壓值趨于一致，總電壓曲線明顯收攏。繼續放電140 min，系統輸出總電壓再次降至46.2 V，1號電池組總電壓降至46.083 V，2號電池組總電壓降至46.5 V，終止放電。

圖6 電池組放電總電壓比較（中途開啟均衡設備）

3.2.3 實驗三

在蓄電池組充滿電的狀態下，全程開啟均衡功能開始放電，系統輸出電壓至46 V時終止放電，記錄單體電壓、總電壓、放電電流和放電時間。

1號電池組單體放電電壓測試數據如圖7所示。放電過程電池單體電壓穩步降低，單體電壓一致性較好，已知落后電池單體并未出現嚴重劣化情況，放電終止時單體最低電壓1.779 V。

圖7 一號電池組單體電池放電電壓（持續開啟均衡設備）

2號電池組單體放電電壓測試數據如圖8所示。放電過程電池單體電壓穩步降低，有2只單體電壓較低，放電終止時單體最低電壓1.703 V。

圖8 二號電池組單體電池放電電壓（持續開啟均衡設備）

總電壓實驗數據如圖9所示。放電過程總電壓下降平緩，1號電池組總電壓、2號電池組總電壓以及系統輸出總電壓的電壓曲線基本一致，未出現斜率嚴重突變。

圖9 電池組放電總電壓比較（持續開啟均衡設備）

3.3 測試結果分析

（1）根據實驗一測試數據，開啟電池均衡功能充電后，第1組蓄電池最大單體電壓差從34 mV縮小到19 mV，第2組蓄電池最大單體電壓差從44 mV縮小到29 mV，單體電壓更加趨于一致，均衡性更好。

（2）根據實驗二測試數據，放電過程中電池均衡功能可對電壓較低的電池單體進行能量補充，提升其放電電壓。其中，一只嚴重落后電池單體電壓從0.805 V提升至1.838 V，可避免單體電池發生嚴重落后、電壓開路或反極等故障，從而提高了蓄電池組的放電可靠性。同時，電池組總電壓因單體電壓均衡度提高也得到了一定提升，特別是存在落后電池的電池組總電壓回升明顯，質態較好的電池組輸出更多能量補充較差電池，總電壓有所下降。未開啟均衡功能時電池組放電330 min后達到終止電壓，開啟均衡設備后電池組總電壓回升到終止電壓之上，然后又繼續放電140 min再次降至終止電壓，電池組放電后備時間延長。

（3）將實驗二與實驗三測試數據比較可以看出，使用均衡功能時蓄電池單體放電電壓更加均衡，落后電池的放電電壓得到較好控制，未出現因單體故障而引發的放電終止。實驗三實測電池組后備時間為415 min，實驗二實測未使用均衡功能時的后備時間為330 min。同一終止電壓時，使用均衡功能比不使用均衡功能延長放電85 min，具有延長蓄電池放電時長的作用。

（4）實驗二部分時段開啟均衡功能放電至放電結束總計持續470 min，實驗三全程開啟均衡功能至放電結束總計持續415 min，實驗三全程開啟均衡放電比實驗二部分時段開啟均衡功能放電的后備時間短。究其原因，在于電池組放電過程中均衡設備頻繁調動各單體電池容量為落后電池補流，設備本身功率器件需要消耗一定的電池能量。

（5）根據放電測試數據，開啟電池均衡系統時單體電壓一致性較未開啟均衡功能時更好，落后單體電池在放電時能夠得到補充電，避免單體電池過放電，保證了蓄電池組的持續供電。

4 結 論

綜上所述，閥控式密封鉛酸蓄電池的均衡對提高電池組放電性能具有重要作用。采用均衡設備充電可以提高單體電池浮充電壓一致性，避免長期欠充。同時，在放電過程中能夠有效穩定輸出總電壓并保持單體電壓一致，對于落后電池能夠有效補充電，避免發生過放和反極，防止發生突然放電終止情況，能夠大幅提升電池組后備放電時間，充分利用電池組能量，顯著提高通信局站供電安全性。