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          通信用組合電源的電池管理

          作者: 時(shí)間:2011-02-21 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:從組合電源電池管理的角度出發(fā),對(duì)如何提高電池使用壽命進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:閥控式密封鉛酸蓄電池;二次下電;溫度補(bǔ)償

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/156682.htm

          1引言

          隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,為滿足通信技術(shù)發(fā)展的需要,研制出了以高頻開(kāi)關(guān)整流器和閥控鉛酸蓄電池為代表的新的電源設(shè)備。閥控式密封蓄電池以其體積小、電壓穩(wěn)定、無(wú)污染、重量輕、放電性能高、維護(hù)量小等特點(diǎn),而成為通信電源系統(tǒng)的首選電池。但在實(shí)際使用中,達(dá)不到理論預(yù)期壽命的比比皆是。本來(lái)應(yīng)工作10~15年的電池,大都在2~3年內(nèi)損壞,有的甚至連1年的壽命也達(dá)不到,從而造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。除去電池本身質(zhì)量因素外,由于充放電控制不合理而造成電池提前報(bào)廢的案例占了較大的比例。對(duì)電池的充放電控制不合理產(chǎn)生的影響是巨大的,如電池早期容量損失、不可逆硫酸鹽化、熱失控、電解液干涸等都與充放電控制的不合理有關(guān)。合理可靠地對(duì)電池進(jìn)行管理和維護(hù),能夠保證電池有較長(zhǎng)的使用壽命,以維護(hù)投資者的利益。因此,在通信用組合電源系統(tǒng)中,電池管理是其重要的功能之一;電池管理的可靠性和完善性也成了各個(gè)電源廠家之間競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)之一。

          2影響電池壽命的因素

          目前閥控鉛酸蓄電池使用較多的是2V系列和12V系列。這兩種電池的壽命差別較大,一般2V系列的設(shè)計(jì)壽命是8~15年,12V系列的設(shè)計(jì)壽命是3~6年。由于12V系列的電池價(jià)格較便宜,目前在通信系統(tǒng)中使用12V系列的電池比例較高,但2V系列電池的應(yīng)用范圍也在逐漸增加,特別是在一些重要的場(chǎng)所基本上都使用2V系列的電池。

          蓄電池制造商提供的蓄電池設(shè)計(jì)壽命為特定環(huán)境下的理論值,實(shí)際使用壽命與外部應(yīng)用環(huán)境關(guān)系較大,它包括

          1)環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的升高,將加速電池板柵的腐蝕和增加電池中水分的損失,從而使電池壽命大大縮短,一般情況下,溫度每升高10℃,電池使用壽命將減少50%,溫度越高影響越大。在通信用閥控密封鉛酸?電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T799-2002中規(guī)定,高溫加速浮充壽命試驗(yàn)是以環(huán)境溫度55℃下42天的一個(gè)充放電試驗(yàn)折合一年的正常使用壽命,由此可見(jiàn)高溫對(duì)電池壽命的影響。

          2)充電不足長(zhǎng)期充電不足使得負(fù)極板形成晶核,極板硫酸化,電池難以還原。

          3)大電流充電充電電流過(guò)大,正極板上的活性物質(zhì)PbSO4還原成PbO2時(shí)變化過(guò)于激烈,收縮太快且不均,導(dǎo)致電池正極板彎曲膨脹,變形損壞。

          4)過(guò)放電大部分電池放電終止電壓設(shè)置不準(zhǔn)或無(wú)法設(shè)置,有的根本沒(méi)有過(guò)放電保護(hù)裝置,造成蓄電池組的深放電,體積增大,變形,甚至破裂。電池的過(guò)放電會(huì)對(duì)電池的使用壽命造成的影響很大,一次深度的過(guò)放電可能會(huì)使電池的使用壽命減少1~2年,甚至造成電池的報(bào)廢。

          5)電池長(zhǎng)期存放沒(méi)有初充電或補(bǔ)充電。

          因此,為了延長(zhǎng)閥控鉛酸蓄電池的使用壽命,應(yīng)高度重視組合電源系統(tǒng)的充放電控制。

          3均浮充控制

          通信用蓄電池的充電方式主要是浮充電和均衡充電兩種。為了延長(zhǎng)閥控電池的使用壽命,必須了解不同充電方式的充電特點(diǎn)和充電要求,嚴(yán)格按照要求對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

          一般密封鉛酸蓄電池投入使用的日期距出廠日期時(shí)間較長(zhǎng),電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自放電,容量必然大量損失,并且由于單體電池自放電大小的差異,致使電池的比重、端電壓等出現(xiàn)不均衡,投入使用前應(yīng)用均充電壓進(jìn)行初充電,否則,個(gè)別電池會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展成落后電池并會(huì)導(dǎo)致整組電池不可用。另外,如果蓄電池長(zhǎng)期不投入使用,閑置時(shí)間超過(guò)3個(gè)月后,應(yīng)該對(duì)電池進(jìn)行一次補(bǔ)充電。

          在浮充狀態(tài)下,充電電流除維持電池的自放電以外,還維持電池內(nèi)的氧循環(huán),但是浮充狀態(tài)下充電電流又是與電池的浮充電壓密切相關(guān)的。因此,為了使閥控鉛酸蓄電池有較長(zhǎng)的使用壽命,在電池使用過(guò)程中,要充分結(jié)合電池制造的原材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和環(huán)境溫度等幾方面的情況,制定電池合理的使用條件,尤其是浮充電壓的設(shè)定。根據(jù)通信用閥控密封鉛酸蓄電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T799-2002的規(guī)定,在環(huán)境溫度25℃時(shí)浮充電壓允許變化范圍為2.20~2.27V。浮充電壓設(shè)置過(guò)低,電池長(zhǎng)期處于欠充電狀態(tài),不僅會(huì)在電池極板內(nèi)部形成不可逆的硫酸鹽化,而且還會(huì)在活性物質(zhì)和板柵之間形成高電阻阻擋層,使電池的內(nèi)阻增加、容量下降。浮充電壓設(shè)置過(guò)高,電池長(zhǎng)期處于過(guò)充電狀態(tài),會(huì)使電池充電電流增大,電池負(fù)極析出的H2和正極析出的O2氣體難以全部再化合成H2O,造成電池失水,板柵腐蝕加速,使用壽命提前終止。因此,在組合電源的運(yùn)行與維護(hù)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)電池廠家提供的資料進(jìn)行浮充電壓設(shè)置,如電池廠家推薦的單體電池浮充電壓為2.25V,此時(shí)應(yīng)設(shè)置組合電源的浮充電壓為54V(2.25×24)。

          根據(jù)《電信電源維護(hù)規(guī)程》規(guī)定,閥控鉛酸蓄電池遇到下列情況之一時(shí),應(yīng)進(jìn)行均衡充電:

          1)2只以上單體電池的浮充電壓低于2.18V;

          2)放電深度超過(guò)20%;

          3)閑置不用的時(shí)間超過(guò)3個(gè)月;

          4)全浮充時(shí)間超過(guò)3個(gè)月。

          因此,為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,組合電源系統(tǒng)要檢測(cè)電池放電情況,根據(jù)放電時(shí)間和放電電流積分計(jì)算放電容量,放電容量達(dá)到20%要能在監(jiān)控設(shè)備上記錄下來(lái),在市電正常后要進(jìn)行均充。同時(shí)在組合電源系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備上可以設(shè)置定期均充周期,一般推薦是3個(gè)月。

          正常浮充的情況下,充電電流極小,電池負(fù)極析出的H2和正極析出的O2幾乎完全化合成H2O;在均充時(shí)如果電流過(guò)大,氣體難以再化合,導(dǎo)致電池內(nèi)部氣壓增大,引起排氣閥門(mén)開(kāi)啟,造成電池失水。因此,在電池均充或浮充時(shí)候要限制電池的充電電流,稱為“限流值”。在大多數(shù)情況下,限流值在0.05C~0.25C之間。

          對(duì)于通信用組合電源系統(tǒng),從整流器控制限流點(diǎn)的方法可以分為調(diào)壓型和調(diào)限流點(diǎn)型兩種。

          調(diào)限流點(diǎn)型組合電源系統(tǒng)監(jiān)控器首先根據(jù)電池限流值和負(fù)載電流的大小,計(jì)算出系統(tǒng)限流值以及分配到每個(gè)整流機(jī)組的限流值,然后把此參數(shù)下發(fā)給各個(gè)整流器即可。同時(shí)每隔一段時(shí)間,監(jiān)控器根據(jù)負(fù)載電流的變化和檢測(cè)到的電池電流值,重新計(jì)算調(diào)整限流值并且下發(fā)。監(jiān)控器不需調(diào)壓,只把溫度補(bǔ)償后的浮充,均充電壓值下發(fā)即可。此種方式,電池可以獲得恒定的充電電流。計(jì)算公式如下:

          整流機(jī)組限流點(diǎn)=(負(fù)載總電流+充電電流比率×電池總?cè)萘浚鳈C(jī)組個(gè)數(shù)

          調(diào)壓型組合電源系統(tǒng)監(jiān)控器通過(guò)閉環(huán)調(diào)整整流器電壓來(lái)達(dá)到限流。當(dāng)電池充電電流>1.1倍限流值時(shí),降低整流器電壓;當(dāng)電池充電電流0.9倍限流值時(shí),提高整流器電壓,直至到達(dá)預(yù)設(shè)定電壓點(diǎn)為止;其它情況則維持整流器輸出電壓不變。

          4二次下電

          如前所述,電池的過(guò)放電會(huì)對(duì)電池的使用壽命造成很大的影響,所以,組合電源的過(guò)放電保護(hù)功能也是其一項(xiàng)重要的指標(biāo)。

          組合電源的二次下電功能可以對(duì)電池進(jìn)行過(guò)放電保護(hù)。即當(dāng)交流電源停電后電池放電,在電池電壓低于一次下電電壓后,切斷耗電量較大的次要負(fù)載,以維持重要負(fù)載較長(zhǎng)的工作時(shí)間;在低于二次下電電壓后切斷所有負(fù)載,保護(hù)電池防止過(guò)放電。為了提高系統(tǒng)的可靠性,一般要求下電電路具備軟硬件雙重保護(hù)。硬件保護(hù)一般指電池電壓在低于39V時(shí)必然下電,高于47V時(shí)不允許下電,下電電壓點(diǎn)一般不可任意設(shè)置。軟件下電保護(hù)電壓點(diǎn)一般可以根據(jù)電池容量和放電電流進(jìn)行設(shè)置或組合電源系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)。

          對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō),二次下電的保護(hù)電壓應(yīng)該是電池放電終止電壓,而在通信電源系統(tǒng)中,一般都將蓄電池組的下電電壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)置在43V,單體電池的終止電壓約為1.80V。但是蓄電池的終止電壓是與電池正負(fù)極的三種極化密切相關(guān)的,終止1.80V/Cell的設(shè)置是針對(duì)大約0.1C左右的放電速率而定的。由于極化的存在,電池在不同的放電電流情況下,終止電壓是不同的。大電流放電時(shí),終止電壓較低;小電流放電時(shí),終止電壓較高。如果負(fù)載在某一個(gè)固定的下電電壓點(diǎn)下電,大電流放電可能造成放電不足,不能有效延長(zhǎng)負(fù)載工作時(shí)間;小電流放電可能造成過(guò)放電,影響電池使用壽命。例如一個(gè)300A的組合電源的后備電池組為200Ah,負(fù)載為40A(0.2C)時(shí)放電終止電壓約42V,而負(fù)載為10A(0.05C)時(shí),放電終止電壓大約為45.6V,如果將下電電壓設(shè)置為43V,對(duì)于40A負(fù)載,電池放電不足,而對(duì)于10A負(fù)載則是過(guò)放電。這樣,在用戶負(fù)載較輕的情況下,如果下電電壓設(shè)置值還是和用戶負(fù)載較重情況下的一樣,就會(huì)使得電池長(zhǎng)年工作在深度放電狀態(tài)下,這將使電池的實(shí)際使用壽命大為縮短。

          在通信領(lǐng)域中,為了在交流停電后電池能維持較長(zhǎng)的時(shí)間,一般配置電池的容量較大,蓄電池的放電速率大部分都在0.02~0.05C這個(gè)范圍內(nèi),這就要求組合電源將放電的終止電壓設(shè)置在單體電壓1.90V左右,即系統(tǒng)下電電壓為45.6V左右。否則,蓄電池將會(huì)出現(xiàn)不可逆硫酸鹽化,壽命提前終止等災(zāi)難性事故。組合電源系統(tǒng)最好能具備根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)下電電壓的功能,這樣可以最大限度地延長(zhǎng)供電時(shí)間,為用戶帶來(lái)最高投資回報(bào),同時(shí)避免了過(guò)放電的情況,延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命,節(jié)省了用戶的設(shè)備投資。

          5溫度補(bǔ)償

          在一些比較偏僻的通信站點(diǎn),由于很少配有空調(diào),所以環(huán)境溫度變化較大,這對(duì)電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度有很大的影響。電池靜置時(shí),通常要求在0~40℃的條件下。溫度太高將會(huì)使得電池的自放電加劇。而電池在使用時(shí)條件更苛刻,通常要求在20~25℃之間。在這種條件下,電池性能最佳,壽命最長(zhǎng)。低溫,會(huì)使得電池容量降低,充電接收能力下降,充放電循環(huán)壽命下降;高溫,會(huì)使得Pb+2H2O→PbO2+4H++4e-反應(yīng)加劇,導(dǎo)致失水,板柵腐蝕增加。因此,組合電源監(jiān)控設(shè)備上應(yīng)有“電池過(guò)溫告警”的設(shè)置,一旦電池溫度過(guò)高,系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出告警。當(dāng)電池不是工作在電池廠家推薦的最佳溫度下時(shí),電池的充電電壓應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。溫度越高,充電電壓越低,稱為“溫度補(bǔ)償”。組合電源的監(jiān)控設(shè)備通過(guò)“溫度補(bǔ)償系數(shù)”這項(xiàng)參數(shù)來(lái)對(duì)充電電壓進(jìn)行調(diào)整,電壓調(diào)整值為:

          ΔV=-溫度補(bǔ)償系數(shù)(mV/℃)×(電池溫度-基準(zhǔn)溫度)×N

          這里,基準(zhǔn)溫度通常是20℃或者25℃;N為組內(nèi)電池節(jié)數(shù),通常為24或12。由于各種電池采用的工藝和材料不同,實(shí)際應(yīng)用中的溫度補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)根據(jù)電池廠家給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

          組合電源的溫度補(bǔ)償功能就是要將溫度對(duì)電池的影響減至最小,但絕不是說(shuō)有了充電電壓的調(diào)節(jié)系數(shù),電池就可以在任意環(huán)境溫度下使用。要知道,溫度低時(shí),由于浮充電壓增大,同樣會(huì)引起浮充電流增大,板柵腐蝕加速等一系列的問(wèn)題;而溫度高時(shí),浮充電壓減小,也會(huì)形成電池充電不足等一系列問(wèn)題。

          6測(cè)試和小電流放電

          為了保持電池化學(xué)活性,特別對(duì)于長(zhǎng)期不停電的應(yīng)用場(chǎng)所,有時(shí)需要對(duì)電池進(jìn)行放電,“測(cè)試”就是一個(gè)比較好的在線放電方法。測(cè)試需要由用戶人工啟動(dòng),測(cè)試電壓用戶可以自由設(shè)置。為了防止用戶一時(shí)疏忽,在測(cè)試持續(xù)8h以后,組合電源的監(jiān)控設(shè)備應(yīng)退出測(cè)試狀態(tài),并且自動(dòng)進(jìn)行一次均充。

          小電流放電同“測(cè)試”一樣,也是一種在線放電方法,但它是自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行的。組合電源的監(jiān)控設(shè)備中可以設(shè)置一個(gè)“小電流放電允許開(kāi)關(guān)”,當(dāng)此開(kāi)關(guān)允許,并且自動(dòng)均充周期時(shí)間到達(dá)時(shí),監(jiān)控器首先降低整流器限流值或者調(diào)低整流器輸出電壓來(lái)使得電池以較小的電流放電,并且持續(xù)6h,然后再進(jìn)行完整的均充。換言之,在自動(dòng)均充前面可以有6h的放電過(guò)程。

          需要注意的是,測(cè)試是人工啟動(dòng),小電流放電是自動(dòng)啟動(dòng),啟動(dòng)成功還必須滿足一個(gè)條件,即任何一組電池的剩余容量要大于80%。



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