阀控式密封铅酸蓄电池均衡技术在通信局站的应用分析

杨 超

（中国电信股份有限公司徐州分公司，江苏 徐州 221000）

0 引 言

阀控铅酸蓄电池是通信局站使用的主要电池类型，具有维护工作量小、安全可靠、放电性能优良、使用寿命长、安装灵活等优点。但是，它对充电电压精度和运行环境温度要求较高。过高的充电电压和使用温度将引发电池失水造成容量下降，缩短寿命甚至发生热失控。

小型通信局站设备运行环境复杂，蓄电池运行温度经常超出安全范围，电池均衡性遭到破环。单体电池容量差异增大，落后电池出现几率增加，导致后备放电时间不足和突然放电终止情况经常发生，且大幅缩短了电池组使用寿命，给运营商造成了严重损失。

提高蓄电池组运行质量，延长使用寿命，提升通信局站供电安全，是运营商迫切需要解决的问题，而电池均衡技术的不断进步为解决上述问题提供了可能。

1 通信局站蓄电池不均衡的原因和危害

通信局站通常采用24只2 V单体电池串联组成蓄电池组。开关电源输出端与蓄电池组和通信设备并联，且始终保持蓄电池组的充电总电压恒定，或者根据环境温度在一定范围内对蓄电池组总电压进行调节。由于单体电池在生产过程中不可能做到端电压、容量、内阻的完全一致，因此不可避免会产生轻微不均衡情况。如果某只单体电池浮充电压偏低，则其他电池单体浮充电压会升高，以保持蓄电池组的总电压不变。长时间电压不均衡，将造成浮充电压低的单体长期充不满，其他单体电压长期过高而过充电，致使蓄电池加速水的电解造成严重失水，极板氧化加速，引起寿命缩短、容量下降、热失控等问题。

放电过程中，单体电压较低的电池由于过放而引起不可逆的活性物质快速脱落和容量损失，并在充电过程中加剧不平衡的扩大，是落后电池产生的主要原因。部分落后单体电池经历多次欠充和过放循环后导致容量严重不足，甚至在放电时出现反极现象和单体失效，造成不可预测的突然放电终止而引起通信局站的通信阻断，从而带来难以估计的损失。

由单体电池串联组成的蓄电池组能够放出的容量取决于容量最低的单体电池。使用过程中经常存在蓄电池组总电压降至放电终止电压但仍有大量单体电池容量没有放出的情况。由于串联单体电池数量较多，不均衡情况也会更容易产生。因此，提高充放电循环中单体电池均衡性，最大限度输出电池组容量，使每只单体都能够得到充分放电和充电，是有效提高电池组后备放电时间、延长使用寿命和提高通信局站供电保障能力的重要手段。

2 电池均衡技术概述

2.1 蓄电池均衡技术概念和策略

蓄电池的均衡是指在由多只单体电池组成的电池组中，对各单体电池在充放电方法上采取措施，使各蓄电池在充电时能够同时达到充电终止电压或者在放电时同时到达放电终止电压。

它的能量转移均衡策略可理解为，通过比较两只单体电池的电压，启动相应控制电路做电压均衡，最终达到相邻两电池的电压均衡，从而达到各单体之间的均衡。能量的传递途径通过对单体的补流与释放能量实现。

2.2 均衡电路种类

常用的均衡电路主要包括电阻型均衡电路、电容型均衡电路、电感型均衡电路、变压器型均衡电路和变换器型均衡电路。其中，电阻性均衡电路属被动均衡，其他电路属主动均衡。

电阻型均衡电路将每只单体电池与开关器件和电阻相连，通过控制开关器件的通断释放高于其他单体的能量通过电阻，以达到各单体的均衡。它的电路元器件少，控制简单，成本低，可靠性高，但消耗能量多，运行效率低，存在热管理问题，只能实现充电均衡。

开关电容型均衡电路在每两个相邻的单体之间将开关器件与电容连接，通过控制开关器件的切换实现相邻单体的均衡。此方法控制较简单，运行效率高，充电和放电时都能实现均衡，但是均衡速度慢。

变压器型均衡电路可分为单独变压器型均衡和多绕组变压器型均衡。单独变压器型均衡即每只单体电池均并联一个独立变换器；多绕组变压器型均衡即一个变压器有多个副边，每个副边连接一只单体电池，通过控制变压器副边输出电压，将整个电池组的能量转移到电压较低单体电池中。该方式具有均衡速度较块、控制简单的特点，可实现充放电均衡。但是，它对变压器的要求较高，价格昂贵。变压器副边数量需与电池单体数量匹配，灵活性不高。

变换器型均衡电路包括Buck-Boost变换器型均衡电路和Cuk变换器型均衡电路。Buck-Boost变换器型均衡电路控制简单，均衡速度快，运行效率高，灵活性好，但是当两只电池相距较远时均衡速度慢，效率低。Cuk变换器型均衡电路将每两只单体电池组成一个均衡单元，由储能电容、储能电感和开关器件组成。当相邻两只单体产生不平衡时，均衡电路驱动开关器件交替通断，电压高的单体电池向电压低的单体迁移能量，直到两个单体平衡。它的控制较简单，均衡速度较快，能量损失小，运行效率高，可以实现充放电均衡，但生产成本较高。

3 应用测试分析

将一种Cuk变换器型均衡设备安装于通信局站进行在线测试，分析其充放电均衡效果。

3.1 测试环境

为验证电池均衡技术实际应用效果，选取通信局站在网运行的48 V系统进行在线测试实验，并分析比较实验结果。

被测试系统为某品牌VRLA蓄电池两组共48只，每组24只，单体额定容量500 Ah，单体额定电压2 V，在网使用8年，负载电流48 A，存在多只单体电池落后、整组容量不足的情况。

均衡设备与蓄电池组的电路连接如图1所示。

图1 蓄电池能量均衡实验接线图

3.2 测试方案

开展3项实验，分别在均衡系统开启和关闭状态验证充、放电过程中的均衡效果，重点测试放电状态对电池组容量、电压、后备时间的影响。放电终止条件选择系统输出总电压降至46 V时终止，单体电池电压过低不作为终止条件。因这不是整组电池实际支撑时间的真实表现，通信局实际停电时也不会因单体电池过低即终止放电。

3.2.1 实验一

实验一是分别在均衡功能关闭和开启状态测量各单体电压，期间分别充电12 h，实验时间间隔48 h。

1号电池组实验数据如图2所示。关闭均衡功能时，单体电池浮充电压最高2.244 V，最低2.210 V，单体最大压差34 mV。开启均衡功能时，单体电池浮充电压最高2.238 V，最低2.219 V，单体最大压差19 mV。可见，使用均衡功能前后单体最大压差减小15 mV。

图2 一号电池组浮电电压比较

2号电池组实验数据如图3所示。关闭均衡功能，电池单体浮充电压最高2.254 V，最低2.210 V，单体最大压差44 mV。开启均衡功能，电池单体浮充电压最高2.248 V，最低2.219 V，单体最大压差29 mV。可见，使用均衡功能前后单体最大压差减小15 mV。

图3 二号电池组浮充电压比较

3.2.2 实验二

实验二是将蓄电池组充满电状态，在均衡功能不开启时根据实际负载在线放电，系统输出总电压下降至46 V时开启均衡功能，继续放电至46 V时终止放电，记录单体电压、总电压、放电电流和放电时间。

1号电池组单体放电电压测试数据如图4所示。从开始放电至开启均衡功能前，部分落后电池单体电压快速降低，最低单体电压降至0.805 V。当输出总电压降至46 V时开启均衡功能，落后电池单体电压均有明显回升，单体电压放电曲线明显收拢，单体电压均衡性好转，其中最低单体电压回升至1.838 V，回升1.033 V，其他质态较好电池单体电压略有降低，放电终止前单体最低电压1.814 V，较开启均衡功能前高1.009 V，未出现单体电压严重劣化情况。

图4 一号电池组单体电池放电电压（中途开启均衡设备）

2号电池组单体放电电压测试数据如图5所示。从开始放电至开启均衡功能前，部分落后电池单体电压快速降低，最低单体电压1.805 V。当输出总电压降至46 V时开启均衡功能，落后电池单体电压均回升明显，单体电压曲线收拢，单体电压均衡性好转，其中最低单体电压回升至1.841 V，回升36 mV，其他质态较好电池单体电压略有下降，放电终止前单体最低电压1.788 V，未出现单体电压严重劣化情况。

图5 二号电池组单体电池放电电压（中途开启均衡设备）

总电压测试数据如图6所示。从开始放电至开启均衡功能前，共持续放电330 min，系统输出总电压降至46.2 V，1号电池组总电压降至44.863 V，2号电池组总电压降至47.653 V。此时开启均衡功能，系统输出总电压回升至47.27 V，回升1.07 V；1号电池组总电压回升至47.13 V，回升2.267 V；2号电池组总电压从47.653降至47.533 V，3个总电压值趋于一致，总电压曲线明显收拢。继续放电140 min，系统输出总电压再次降至46.2 V，1号电池组总电压降至46.083 V，2号电池组总电压降至46.5 V，终止放电。

图6 电池组放电总电压比较（中途开启均衡设备）

3.2.3 实验三

在蓄电池组充满电的状态下，全程开启均衡功能开始放电，系统输出电压至46 V时终止放电，记录单体电压、总电压、放电电流和放电时间。

1号电池组单体放电电压测试数据如图7所示。放电过程电池单体电压稳步降低，单体电压一致性较好，已知落后电池单体并未出现严重劣化情况，放电终止时单体最低电压1.779 V。

图7 一号电池组单体电池放电电压（持续开启均衡设备）

2号电池组单体放电电压测试数据如图8所示。放电过程电池单体电压稳步降低，有2只单体电压较低，放电终止时单体最低电压1.703 V。

图8 二号电池组单体电池放电电压（持续开启均衡设备）

总电压实验数据如图9所示。放电过程总电压下降平缓，1号电池组总电压、2号电池组总电压以及系统输出总电压的电压曲线基本一致，未出现斜率严重突变。

图9 电池组放电总电压比较（持续开启均衡设备）

3.3 测试结果分析

（1）根据实验一测试数据，开启电池均衡功能充电后，第1组蓄电池最大单体电压差从34 mV缩小到19 mV，第2组蓄电池最大单体电压差从44 mV缩小到29 mV，单体电压更加趋于一致，均衡性更好。

（2）根据实验二测试数据，放电过程中电池均衡功能可对电压较低的电池单体进行能量补充，提升其放电电压。其中，一只严重落后电池单体电压从0.805 V提升至1.838 V，可避免单体电池发生严重落后、电压开路或反极等故障，从而提高了蓄电池组的放电可靠性。同时，电池组总电压因单体电压均衡度提高也得到了一定提升，特别是存在落后电池的电池组总电压回升明显，质态较好的电池组输出更多能量补充较差电池，总电压有所下降。未开启均衡功能时电池组放电330 min后达到终止电压，开启均衡设备后电池组总电压回升到终止电压之上，然后又继续放电140 min再次降至终止电压，电池组放电后备时间延长。

（3）将实验二与实验三测试数据比较可以看出，使用均衡功能时蓄电池单体放电电压更加均衡，落后电池的放电电压得到较好控制，未出现因单体故障而引发的放电终止。实验三实测电池组后备时间为415 min，实验二实测未使用均衡功能时的后备时间为330 min。同一终止电压时，使用均衡功能比不使用均衡功能延长放电85 min，具有延长蓄电池放电时长的作用。

（4）实验二部分时段开启均衡功能放电至放电结束总计持续470 min，实验三全程开启均衡功能至放电结束总计持续415 min，实验三全程开启均衡放电比实验二部分时段开启均衡功能放电的后备时间短。究其原因，在于电池组放电过程中均衡设备频繁调动各单体电池容量为落后电池补流，设备本身功率器件需要消耗一定的电池能量。

（5）根据放电测试数据，开启电池均衡系统时单体电压一致性较未开启均衡功能时更好，落后单体电池在放电时能够得到补充电，避免单体电池过放电，保证了蓄电池组的持续供电。

4 结 论

综上所述，阀控式密封铅酸蓄电池的均衡对提高电池组放电性能具有重要作用。采用均衡设备充电可以提高单体电池浮充电压一致性，避免长期欠充。同时，在放电过程中能够有效稳定输出总电压并保持单体电压一致，对于落后电池能够有效补充电，避免发生过放和反极，防止发生突然放电终止情况，能够大幅提升电池组后备放电时间，充分利用电池组能量，显著提高通信局站供电安全性。