4 合理管理的效果
根據(jù)以上的介紹分析，蓄電池的運(yùn)行狀況，受控于與之聯(lián)接配套的直流配電模塊整流和智能管理于一體化的高頻開關(guān)電源。蓄電池在容量正常時(shí)，就是在網(wǎng)運(yùn)行1～3年該充電方法是完全可行的。但是移動(dòng)基站移動(dòng)通信基站蓄電池時(shí)常處在頻繁放電、深放電、過(guò)放電狀態(tài)下及使用環(huán)境較惡劣，加上開關(guān)電源對(duì)蓄電池充電方式的技術(shù)的局限性。如蓄電池只有在完全放電的情況下才能夠檢測(cè)到其真實(shí)容量，而在正常使用情況下是無(wú)法檢測(cè)到。開關(guān)電源所采集的蓄電池放電電壓、放電電流以及放電時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的容量估算。另外，蓄電池在沒(méi)有充電飽和的情況下放電，所計(jì)算出來(lái)的容量也不是真實(shí)容量。每次開關(guān)電源的均充電是根據(jù)電池組剩余容量、電池充電電流為依據(jù)，控制電池由浮充轉(zhuǎn)入均充，以充電電流，充電時(shí)間為依據(jù)，控制電池再由均充轉(zhuǎn)入浮充。在蓄電池容量下降后或出現(xiàn)硫化后以上的判斷條件將無(wú)法滿足充電要求。由于移動(dòng)通信基站蓄電池日常充電維護(hù)管理主要靠開關(guān)電源設(shè)備，因此解決蓄電池容量下降問(wèn)題更本出路在于開關(guān)電源充電問(wèn)題。
在蓄電池組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，開關(guān)電源并不是對(duì)每個(gè)電池單獨(dú)控制充電的，而是控制整組電池的充電電壓。如要求單體浮充電壓為2.25V時(shí)，對(duì)通信電源的24節(jié)電池組，則整組電池電壓設(shè)為：24×2.25=54V;這時(shí)，由于電池生產(chǎn)過(guò)程中材料、工藝等非一致性，導(dǎo)致了單體電池性能參數(shù)的非一致性，每個(gè)單體電池并沒(méi)有按理想設(shè)定的浮充電壓(2.25V)在充電!雖然流過(guò)各單體電池的浮充電流是相同的，但由于電池組中各單體電池特性存在離散性，這個(gè)浮充電流對(duì)某些電池可能是過(guò)量的，對(duì)某些電池又是欠量的，而且這種過(guò)量和欠量又是動(dòng)態(tài)的，在不同的使用環(huán)境(如溫度影響)、使用年份(如充放電次數(shù))等物理因素和蓄電池內(nèi)部硫酸鹽化進(jìn)程等因素的作用下會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變化，造成蓄電池單節(jié)的自放電率出現(xiàn)差異， 導(dǎo)致保有容量出現(xiàn)差異，這種狀況在現(xiàn)行的充電運(yùn)行方式下是無(wú)法干預(yù)的。因此在達(dá)到現(xiàn)行的所謂電池充足標(biāo)準(zhǔn)下，各電池其實(shí)處于程度不等的“荷不滿”。由于電池處于“荷不滿”狀態(tài)，試圖用各種方法去檢測(cè)其容量，也就變得毫無(wú)意義，因?yàn)殡姵貑误w處在不同的起跑線上。
圖3記錄了一組電池使用初期單體電池浮充電壓的變化。
圖3 一組蓄電池的電壓變化
顯然，單體電池浮充電壓波動(dòng)很大，高的超過(guò)了2.30V以上，低的在2.20V以下，這就為蓄電池的失效埋下了種子。
過(guò)高的浮充電壓意味著對(duì)電池的過(guò)充，加速了正極板腐蝕并減少了電池壽命;這就會(huì)造成個(gè)別單體蓄電池長(zhǎng)時(shí)間均浮充造成過(guò)量充電，其危害大致有正負(fù)極板有效物質(zhì)的脫落、變形、增加電解液的損耗、干涸，過(guò)充電嚴(yán)重時(shí)易造成電池溫度升高，自放電加速，外殼膨脹鼓包、變形等。
同樣，過(guò)低的浮充電壓意味著對(duì)電池的欠充，加速負(fù)極板腐蝕，也減少了電池壽命;并且同時(shí)會(huì)造成個(gè)別單體蓄電池充電不足，難以補(bǔ)充電池本身自放電，時(shí)間久了，即易形成極板硫酸化。
電池組中各單體電池電壓會(huì)相互影響，產(chǎn)生更大的波動(dòng)，加強(qiáng)了過(guò)充和欠充現(xiàn)象。
圖4描述了充電電壓與極板腐蝕速率的關(guān)系，顯示了過(guò)高和過(guò)低的充電電壓對(duì)極板腐蝕的影響。
圖4 充電電壓與腐蝕速度的關(guān)系
在對(duì)實(shí)際運(yùn)行的蓄電池組浮充電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，開關(guān)電源充電不足造成浮充電壓的偏離現(xiàn)象是普遍存在的，特別是在網(wǎng)運(yùn)行2～3年的蓄電池組。盡管理論和實(shí)踐都證明，單體電池的浮充電壓和電池容量沒(méi)有相關(guān)性，但是浮充電壓的離散度卻和電池性能有相關(guān)性，通過(guò)放電測(cè)試驗(yàn)證了浮充電壓長(zhǎng)期偏離對(duì)容量的影響，尤其是浮充電壓離散度更能表征對(duì)電池容量產(chǎn)生的影響。
圖5中是蘭州苦水移動(dòng)基站一組蓄電池組中其中1#與7#電池的浮充電壓與平均浮充電壓的比較圖，顯然1#電池處于長(zhǎng)期欠充電狀態(tài)，7#電池處于長(zhǎng)期過(guò)充電狀態(tài)。
圖5 兩個(gè)電池的浮充電壓對(duì)比
圖6所示的放電數(shù)據(jù)完全證實(shí)了這一判斷，1#電池由于長(zhǎng)期處于欠充電狀態(tài)，放電電 壓明顯低于平均電壓，且在放電終止時(shí)回升緩慢，而7#電池由于處于長(zhǎng)期過(guò)充電狀態(tài)，放電電壓也明顯低于平均電壓，但在放電終止時(shí)迅速跳躍回升，表現(xiàn)了內(nèi)阻較大的作用。
圖7 兩個(gè)電池的放電對(duì)比
圖7中是蘭州師?；镜母〕潆妷簲?shù)據(jù)，可以看到某幾節(jié)電池浮充電壓明顯的偏離平均電壓，有些蓄電池處于長(zhǎng)期欠充狀態(tài)，放電測(cè)試也同樣驗(yàn)證了分析結(jié)果。
從以上分析和數(shù)據(jù)可以得出：
(1)開關(guān)電源充電參數(shù)會(huì)對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的浮充電壓會(huì)對(duì)電池容量和壽命產(chǎn)生影響;
(2)由于電池制造工藝的非一致性，也由于蓄電池總是成組使用的，導(dǎo)致了實(shí)際使用中浮充電壓離散性不可避免的存在。
當(dāng)蓄電池由于多種原因?qū)е绿濍姾?，再使用恒壓充電方式進(jìn)行補(bǔ)充充電，因恒壓充電方式固有的不足，蓄電池不能完全充足，極板表面硫化現(xiàn)象不能完全消除，蓄電池投入使用后，又容易再次發(fā)生虧電故障。如此不良循環(huán)的惡果就是，蓄電池極板表面硫化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，蓄電池的容量越來(lái)越小，蓄電池的技術(shù)狀態(tài)越來(lái)越差。這是造成移動(dòng)通信基站蓄電池提前報(bào)廢的一個(gè)主要原因。
恒壓充電法，我們看到開關(guān)電源的輸出電壓，始終是在開關(guān)電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為蓄電池安全受電的最高允許電壓上，低于這個(gè)電壓，將無(wú)法使蓄電池充滿，這個(gè)電壓是否真的安全?
充電過(guò)程中，如果單體蓄電池的充電電壓比電池自身實(shí)時(shí)的電壓高出100mV，通過(guò)蓄電池的充電電流要比蓄電池的最大安全受電電流要增大10倍以上。而充電前蓄電池一般都是在放完電后，這時(shí)的蓄電池是處在最低的電壓上。如單體鉛酸蓄電池，放電后一般為2.0V，而此時(shí)的充電電壓如果是恒定在2.25～2.4V，可見充電器輸出的電壓和蓄電池電壓的差已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100mV。這樣的恒壓充電，通過(guò)蓄電池的充電電流將是蓄電池最大安全電流的幾十倍，如果開關(guān)電源的輸出功率與容量足夠大的話，必定會(huì)造成蓄電池的損壞，如果開關(guān)電源的容量不夠，那就必定會(huì)造成開關(guān)電源的過(guò)載燒毀。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的恒壓限流充電方式，為了能保障蓄電池和開關(guān)電源不致遭到損壞的厄運(yùn)，卻降低了充電效率，增加了損耗，延長(zhǎng)了充電時(shí)間，雖然絕大多數(shù)的開關(guān)電源設(shè)有環(huán)境溫度變化的跟蹤補(bǔ)償能力，但是開關(guān)電源此時(shí)還保存著最大的電流輸出能力。
我們知道，蓄電池較長(zhǎng)時(shí)間虧電狀態(tài)，極板極易產(chǎn)生硫化，而恒壓充電方式又很難消除極板硫化現(xiàn)象，充電時(shí)較大的充電電流除用于消除極板硫化現(xiàn)象外，還會(huì)電解水，所以充電時(shí)蓄電池很快就產(chǎn)生了大量氣泡，給人以蓄電池已充足電的假象。如果仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，極板硫化的蓄電池充電時(shí)，很快就能產(chǎn)生大量氣泡，而正常的蓄電池則是在充電終了時(shí)才會(huì)產(chǎn)生大量氣泡。僅從氣泡產(chǎn)生的時(shí)間就是不一樣的，是有較大區(qū)別的。由于極板硫化，蓄電池的容量就會(huì)大大降低，直接影響蓄電池的正常使用。也就是說(shuō)，使用恒壓充電方式很難恢復(fù)蓄電池的額定容量。
理論和實(shí)踐證明，蓄電池的充放電是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程。一般地說(shuō),充電電流在充電過(guò)程中隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降,不可能自動(dòng)按恒流或恒壓充電。充電過(guò)程中影響充電的因素很多,諸如電解液的濃度、極板活性物的濃度、環(huán)境溫度等的不同,都會(huì)使充電產(chǎn)生很大的差異。隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同,即使是相同型號(hào)、相同容量的同類蓄電池的充電也大不一樣。
但對(duì)于“用時(shí)間長(zhǎng)了”的蓄電池，其失效原因各種各樣。尤其是移動(dòng)通信基站長(zhǎng)期頻繁停電或環(huán)境溫度達(dá)不到蓄電池組的要求，這是目前電池正極板軟化最嚴(yán)重的問(wèn)題。并且失水是大量發(fā)生的嚴(yán)重的問(wèn)題，維護(hù)的重要環(huán)節(jié)就是補(bǔ)加水。。事實(shí)上，所有的鉛酸蓄電池，只要使用一段時(shí)間，其正極板的活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成就已經(jīng)改變了，也就是說(shuō)，所有“用時(shí)間長(zhǎng)了”的蓄電池，其正極板都或多或少存在著問(wèn)題。如果采取同一種模式和方法進(jìn)行蓄電池充電管理，是不可行也是完全不現(xiàn)實(shí)的。至此，我們可以看出，造成閥控式蓄電池使用中出現(xiàn)早期性能下降和損失容量的重要原因，大多是傳統(tǒng)蓄電池充電技術(shù)落后與過(guò)程控制不力所致。
5 開關(guān)電源蓄電池參數(shù)設(shè)置的基本方法
由于閥控電池平時(shí)一直處于浮充電狀態(tài)，所以只有三種可能，即正常浮充狀態(tài)、過(guò)充狀態(tài)、欠充狀態(tài)。這一狀態(tài)的判別，并不是簡(jiǎn)單的在某一時(shí)刻去測(cè)量單體電池浮充電壓，而是應(yīng)該通過(guò)一段時(shí)間的電壓數(shù)據(jù)分析，如自身離散度的變化、相對(duì)整組離散度的變化等，再輔以內(nèi)阻的變化，才能較為準(zhǔn)確的獲得浮充電狀態(tài)。
5.1.對(duì)確認(rèn)過(guò)充的電池，予以在線活化。
當(dāng)電池處于長(zhǎng)期過(guò)充電狀態(tài)，將加速正極板的腐蝕，影響電池容量。過(guò)充的電池會(huì)在浮充電壓中得到表現(xiàn)，并依據(jù)本文提及的分析方法得出判斷，通過(guò)在線對(duì)過(guò)充電池適當(dāng)調(diào)整浮充電壓，可改善過(guò)充對(duì)電池造成的損害，并使電池恢復(fù)到正常浮充電狀態(tài)。
5.2對(duì)確認(rèn)欠充的電池，予以在線補(bǔ)充電。
長(zhǎng)期充電不足或是在放電后沒(méi)有及時(shí)完全充電，將導(dǎo)致負(fù)極板的硫酸鹽化，使原本處于欠充的負(fù)極板PbSO4無(wú)法得到還原，并影響電池容量。欠充的電池會(huì)在浮充電壓中得到表現(xiàn)，并依據(jù)本文提及的分析方法得出判斷，及時(shí)予以在線補(bǔ)充電，改善可能出現(xiàn)的硫化現(xiàn)象，使電池恢復(fù)到正常浮充電狀態(tài)。
5.3保持良好的浮充狀態(tài)
決定電池壽命的要素主要有三個(gè)：第一是產(chǎn)品原始質(zhì)量;第二是維護(hù)是否合理;第三是電池是否處于良好的浮充運(yùn)行狀態(tài)。
單體浮充電壓是根據(jù)電池廠家要求設(shè)定的，閥控電池一般在2.23～2.27V 之間。單體浮充電壓對(duì)閥控電池的壽命有著明顯的影響，圖8說(shuō)明了這一影響的關(guān)系。
圖8 浮充電壓和壽命的關(guān)系
可以看出同樣的溫度下，浮充電壓過(guò)低(2.21V)或過(guò)高(2.30V)對(duì)電池壽命都是不利的。
浮充運(yùn)行是指整流器與蓄電池并聯(lián)供電于負(fù)載，如圖9所示。當(dāng)交流電正常供應(yīng)時(shí)，負(fù)載電流由交流電經(jīng)整流后直接供電于負(fù)載，蓄電池處于微電流充電狀態(tài);當(dāng)交流電停供時(shí)才由蓄電池單獨(dú)供電于負(fù)載，故蓄電池經(jīng)常處于充足狀態(tài)，大大減少了充放電循環(huán)周期，延長(zhǎng)了電池壽命。
圖9 浮充原理圖
5.4浮充電壓的選擇
蓄電池浮充電壓的選擇是對(duì)電池維護(hù)得好壞的關(guān)鍵。如果選擇得太高，會(huì)使浮充電流太大，不僅增加能耗，對(duì)于密封電池來(lái)說(shuō)，還會(huì)因劇烈分解出氫氧氣體而使電池爆炸。如果選擇太低，則會(huì)使電池經(jīng)常充電不足而導(dǎo)致電池加速報(bào)廢。
整流器穩(wěn)壓精度必須達(dá)到±1%;IC為蓄電池充電電流，主要是補(bǔ)充蓄電池的自放電;由于蓄電池處于浮充(充足)狀態(tài)，E2和r02基本不變。對(duì)于開口型電池，因電解液由各使用單位自行配制，故充電開始有所差異。對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池，出廠時(shí)已成為定值，為此:
式中，Q為蓄電池組的額定容量;r%為電池一晝夜自放電占額定容量的百分比，則:
由此可見，浮充電壓應(yīng)按電池的容量、自放電的多少而定，而不應(yīng)千篇一律，照抄國(guó)外或沿用老資料，特別是閥控式密封鉛酸蓄電池，其自放電很小，故可降低浮充電壓。對(duì)于閥控式密封鉛酸蓄電池，因電解液、隔離板均由廠家出廠時(shí)密封為定值，故應(yīng)增加一個(gè)自放電的指標(biāo)。
合理選擇浮充電壓。各種蓄電池浮充電壓不盡相同，在理論上需要浮充電壓產(chǎn)生的電流是以達(dá)到補(bǔ)償自放電電量以及單放電電量，和維持氧循環(huán)需要。但在實(shí)際工作中還需根據(jù)電池組工作年限及各種情況來(lái)定，需考慮電池結(jié)構(gòu)狀態(tài)，正極極柵腐蝕速率，電池內(nèi)氣體的排放，通信設(shè)備在浮充系統(tǒng)基礎(chǔ)電壓的要求等。有些長(zhǎng)時(shí)間電池放電后需長(zhǎng)時(shí)間補(bǔ)充能量，則臨時(shí)需調(diào)高浮充電壓。對(duì)于如負(fù)載電流為40～50A,300AH 蓄電池放電時(shí)間只有2～4小時(shí)。浮充電壓設(shè)置方法為24h自放電量及充放電效率，故需比平常提高浮充電壓0.1～0.5V。
5.5均充電壓的設(shè)定
5.5.1電池在使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生容量、端電壓不一致的情況。為防止其發(fā)展為故障，電池要定期履行均衡充電。此外，電池單獨(dú)向通信負(fù)荷供電在15min以上，也依均衡充電來(lái)補(bǔ)足電池的容量。一般均充電壓比浮充電壓高出0.05～0.07V/只，以限流定時(shí)來(lái)進(jìn)行。
充電所需的時(shí)間，由蓄電池放電深度、限流值選擇的大小、電池充電期間的溫度以及充電設(shè)備的性能等因素決定。通常為 0.15～0.25C10A。但也有的為0.1 C10A和0.3C10A設(shè)置的。如溫差較大，故常年溫度在-20℃～35℃之間，室內(nèi)一般在0℃～45℃之間變化。如空調(diào)沒(méi)有在一直運(yùn)行，需對(duì)均充電壓定期調(diào)整,均充電壓提高0.1～0.3v。充電時(shí)間一般以放出電量的1.2倍估算，IC20～30小時(shí)率充電時(shí)間一般以放出電量的1.6～1.8倍估算。
也有個(gè)別廠家不設(shè)均充電壓，即只有浮充電壓。當(dāng)電池放電后需充電時(shí)，仍依浮充電壓值充電，而設(shè)置最大充電電流值為0.2～0.25C10A。
要注意對(duì)于均充電時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，不然將使電池內(nèi)盈余氣體增多，影響氧再化合效率，而且使板柵腐蝕度增加，從而損壞電池。
5.5.2定時(shí)均充周期
一般為在線運(yùn)行一年內(nèi)并定期作容量試驗(yàn)可設(shè)置為60天，如發(fā)生個(gè)別電池經(jīng)常充電不足的現(xiàn)象，即形成“落后電池”。因此，通常每個(gè)月對(duì)蓄電池組進(jìn)行—次均充電，蓄電池經(jīng)過(guò)治療性修復(fù)后要及時(shí)更改為正常值。否則后造成健康電池便陪隨著落后電池過(guò)充電，使有效物質(zhì)從極扳柵跌落，影響電池壽命、造成新的落后電池及電池容量下降。
5.5.3定時(shí)均充時(shí)間
一般為在線運(yùn)行一年內(nèi)并定期作容量試驗(yàn)蓄電池良好可設(shè)置為10～12小時(shí)，蓄電池組已出現(xiàn)落后電池可根據(jù)具體情況設(shè)在對(duì)均充電壓調(diào)整后,仍可設(shè)定為6～12小時(shí)。
5.5.4轉(zhuǎn)浮充參考電流
一般為在線運(yùn)行一年內(nèi)并定期作容量試驗(yàn)，蓄電池良好可設(shè)置為8～10A. 蓄電池組已出現(xiàn)落后電池的，可根據(jù)具體情況設(shè)在對(duì)均充浮充電壓調(diào)整后,可設(shè)定為6～3A.
5.5.5衡壓均充時(shí)間
一般為在線運(yùn)行一年內(nèi)并定期作容量試驗(yàn)蓄電池良好可設(shè)置為3小時(shí)，蓄電池組已出現(xiàn)落后電池可根據(jù)具體情況設(shè)在對(duì)均充浮充電壓調(diào)整后，可設(shè)定為4～5小時(shí)。如遇到特殊情況可進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。
5.5.6轉(zhuǎn)均充判斷電池容量
蓄電池放電是極板膨脹過(guò)程，充電是極板縮小過(guò)程，也就是說(shuō)，每經(jīng)過(guò)—次充放電循環(huán)周期，構(gòu)成正負(fù)極板的分子就要從靜態(tài)經(jīng)過(guò)一次膨脹和收縮的動(dòng)態(tài)過(guò)程。不管蓄電池放出多少容量就均充都會(huì)造成焦耳熱，嚴(yán)重會(huì)使蓄電池出現(xiàn)熱失控。熱失控將會(huì)使蓄電池迅速失水，隔膜內(nèi)電解液很快干枯，并會(huì)使有效物質(zhì)從極板柵掉下變成沉淀物，引起極板有效面積減少，容量降低，直至報(bào)廢。
一般的設(shè)置方法可根據(jù)以往統(tǒng)計(jì)蓄電池放電情況靈活設(shè)定。在線運(yùn)行一年內(nèi)并定期作容量試驗(yàn)蓄電池良好可設(shè)置為70～85%。蓄電池組已出現(xiàn)落后電池可根據(jù)具體情況設(shè)在對(duì)均充浮充電壓調(diào)整后,可設(shè)定為85～95%。
5.5.7轉(zhuǎn)均充判斷電池電壓
根據(jù)在線蓄電池具體情況，對(duì)均充浮充電壓調(diào)整可設(shè)定為48.75～47.8V。
5.5.8 轉(zhuǎn)均充判斷放電時(shí)間
根據(jù)在線蓄電池具體情況，對(duì)均充浮充電壓調(diào)整后,充電時(shí)間可設(shè)定為0～3小時(shí).
5.5.9蓄電池充電效率
根據(jù)在線蓄電池具體情況，對(duì)均充浮充電壓及限流值調(diào)整后,運(yùn)行1年以上的蓄電池組可設(shè)定為97～120%，運(yùn)行2～4年以上的蓄電池組可設(shè)定為93～95%.
5.5.10蓄電池充電過(guò)流點(diǎn)
如果當(dāng)高電壓充電不限流時(shí)，電池內(nèi)因過(guò)大充電電流使電極上活性物質(zhì)小孔中電解液濃度急劇增加，而電解液的擴(kuò)散速度此時(shí)不能滿足濃差極化與電化學(xué)極化綜合速度的要求必然產(chǎn)生很大的過(guò)電位的趨向，影響了充電深度。因此充電過(guò)流點(diǎn)應(yīng)限制在0.25C10A以內(nèi)。
5.5.11 蓄電池充電限流點(diǎn)
充電初始電流過(guò)大，對(duì)電池?fù)p害較大，當(dāng)電池失水較多時(shí)往往熱失控就發(fā)生在放電過(guò)后的充電過(guò)程中，因此，充電最大電流應(yīng)掌握到0.10～0.23C10A為好。充電電流以理論計(jì)算滿足自放電補(bǔ)償電量需要浮充電流以42mA/100AH。實(shí)際工作中還應(yīng)考慮氧循環(huán)的需要及蓄電池放電次數(shù)，最大充電電流不能大于20小時(shí)率充電電流的1.6倍及10小時(shí)率充電電流的1.2倍。