一例开关电源电池管理功能失效故障分析

高新红 贺跃通

（1.中国电信股份有限公司洛阳分公司，河南 洛阳 471300；2.河南《创新科技》杂志社，河南 郑州 450003）

一例开关电源电池管理功能失效故障分析

高新红1贺跃通2

（1.中国电信股份有限公司洛阳分公司，河南 洛阳 471300；2.河南《创新科技》杂志社，河南 郑州 450003）

目前，通信开关电源监控单元对蓄电池的充放电管理功能已经比较完善，但前提是蓄电池的连接关系、参数设置要满足监控单元对蓄电池自动管理的要求，需充分了解监控单元控制电池充、放电过程的原理。基于此，本文通过对一例因蓄电池与开关电源的连接关系问题导致监控单元电池管理功能紊乱的案例进行分析，强调电池电缆正确接入电源系统的重要性。

通信电源；电池管理；充电；放电；监控单元

1 通信开关电源对电池管理的原理

现代通信电源对电池充放电管理的过程主要包括充电过程限流、放电过程监测、电池充放电容量计算、均充管理等。

首先，蓄电池的初始容量、放电限流值等参数由蓄电池厂家确定，并在开关电源调试时设置于监控单元中。电池的充放电状态由电池分流器上的检测线得到，通过检测线传送到监控单元的信号为毫伏级的电压信号，电压信号由电池电流在分流器上产生的压降产生（如用霍尔元件做传感器原理也基本类似），电压值的大小表征了电流的大小，电压的方向表征了电流的方向，监控单元根据这个电压信号来判断电池处的充放电状态和电流的大小［1］。如果电压信号方向翻转，则监控单元认为电池的充放电状态翻转，即由充电状态变成放电状态（或反之），充电或放电的容量（安时数）也由电流和时间积分得到。

然后，如果监控单元判断电池处于充电状态，且电流值大于设定的限流值时，监控单元通过通讯线控制所有整流模块降低输出电压，从而减小充电电流，通过闭环的反馈、调节过程，最终使充电电流稳定于事先设定的充电限流值，随着电池容量的增加，充电电流减小，监控单元会逐渐提高整流模块的输出电压以保持电流不变，直到输出电压达到设定的电池浮充电压或均充电压，这就是恒流限压过程［2］。整个过程中监控单元计算充入电池的电量并显示在系统信息中。

再者，放电电流由负载大小确定，监控单元只监测放电电流的大小，计算电池放出的电量。如果监控单元计算电池的剩余容量小于设定值（如电池初始容量的75%），则在下次充电过程中监控单元会控制系统进入自动均充状态，执行对蓄电池的均衡充电。

最后，周期性均充管理。如果市电质量非常稳定，长时间没有停电，浮充状态会一直持续，当持续浮充超过一定时间（一般60d左右），监控单元会自动启动均充程序，提高整流模块输出电压到均充电压值，对电池进行均充，以活化电池，当均充时间达到设定值（如12h）或充电电流持续处于较小值时，在监控单元的作用下系统再次转入浮充状态，以防止电池过充损坏，进入正常的浮充状态。如此反复［3］。

2 案例故障介绍

某通信机楼一套艾默生NetSure开关电源系统，整流柜、直流柜各2架，2架整流柜在右，2架直流柜在左，2个整流柜分别配置100A整流模块10、8个，负载电流980A，后备电池为4组1 500Ah两两并联后形成两组3 000Ah接入系统。需特别指出的是，该系统的蓄电池与开关电源的连接关系（如图1所示）：每组电池的正负极引出线均为4条240mm2电缆，2组电池的正极电缆共8条，均接到开关电源系统的正极母排上（因不影响后续的分析，图中未画出正极排），每组电池负极的4条电缆都分成2组，每组2条分别接入2台直流配电柜的电池Ⅱ熔丝上端，从开关电源侧来看是2组电池接入，但每个电池接入端子的4条电缆来自2组不同的电池组。环监控后台显示开关电源有电池放电的二级告警，并时常出现电池处于均充状态的三级告警。现场查看，监控单元显示2组电池中一组处于充电状态，另一组处于放电状态，电流值基本相等，约为22A左右。查看历史告警发现，系统几乎每天都会启动自动均充程序一次对电池进行均充充电，持续时间约为3h，并有电池容量低的告警。监控单元在“浮充-电池组放电-电池组容量降低-自动均充-转浮充-电池组放电……”各状态之间反复。循环周期为1d左右，监控单元显示放电的电池组容量为700Ah左右。由于系统对电池频繁均充，为保护电池，人为关闭了系统的自动均充功能。

图1 电池组与开关电源连接关系示意图

3 故障处理与分析

3.1 测量数据

3.1.1 测量浮充状态下电池总电压、单体电压。对该开关电源系统的4组电池单体电压进行测量，无论均充、浮充状态，各单体电压均在2.22～2.36V的正常范围之内。

3.1.2 测量浮充状态下各组电池电流。用钳表测量电池连接条中的电流，发现4组电池的电流几乎都为0，与监控单元显示的充放电22A左右不符。

3.1.3 测量均充状态下的电池电流。手动均充状态测量电池连接条中电流，各组电流之和与监控单元显示的充电电流大小基本一致。对电池出线电缆进行整体测量，结果与监控单元显示的充电电流基本一致。

3.1.4 测量放电状态下电池电流。降低开关电源输出电压进行电池放电试验，放电过程中测量两组电池的总电压、单体电压、电流，发现2组电池放电电流总和与监控单元显示的放电电流基本一致，且基本均衡，单体电压均衡性也不错，没有太大偏差，说明两组电池的性能也没有问题，与监控单元显示的一组电池容量严重偏小不符。

3.1.5 替换监控单元。替换新的监控单元，并将原设置参数复制过来，试运行几天，没有任何改观，所有现象依旧，排除了监控单元故障的可能。

3.2 故障分析

根据上述测量结果，浮充、均充、放电各状态下各项数据基本正常，可判断电池性能没有问题，监控单元没有问题。频繁均充、电池容量低告警、同一时刻一组电池充电而另一组电池放电等现象应为监控单元的误动作。结合监控单元对电池的管理机制，之所以监控单元会有误动作，应该是监控单元接收到了错误的信息造成误判所致。

前文所述，监控单元对蓄电池充电、放电状态的判定是根据从分流器传回的信号电压的极性来判定的，2组电池充放电状态相反，按照这种检测逻辑反推，两分流器检测线的电压极性应相反，进而推断2个电池接入端子中的电流方向是相反的。用万用表毫伏档对分流器两端电压进行测量，并用钳表测量浮充状态下2组电池熔丝中的电流，猜想得到验证：2个分流器中的电流方向相反，进而在电池侧对来自不同的电池熔丝的2条电缆进行电流测量，过程中特别注意了2对电缆中的电流方向，发现电流确实为22A左右，但方向相反，测量出的电流方向如图2所示：每组电池负极排上的4条电缆中，去往不同直流柜上的2条电流大小相等、方向相反（为使后续描述更直观，电流方向做了反向处理，实际方向与示意图中相反，下同）。

为什么会出现这种情况？对电池组与开关电源的连接关系图进行分析，这种连接关系下，浮充状态时，电池电压与系统输出电压相等，充电电流为0，原连接关系示意图可等效转化为图3中右图的效果，因2个电池组的负极排和系统母排电压相等，从效果上看，可视为电池不存在，但由于电池接线端子上的4条240mm2电缆从一个电池端子出发，经电池负极铜排连接后回到另一个电池接入端子，相当于在2个电池接入端子间并接了一条近1 000mm2的导体和母排并联，形成了一条旁路通路。从图2可以更清晰地看出，负载电流的一部分会从这条通路经过，在1-Ⅱ上形成流出电流，在2-Ⅱ上形成流入电流，之所以只有22A左右而不是均分总负载电流，是因为这个旁路通路中串联的2个电池分流器的电阻相比母排的电阻

来说要大很多，根据并联电路的特点，这条并联通路中的电流自然会比较小（总电流为980A，占比不到3%）。

图2 浮充状态下的负载电流流行示意图

图3 系统连接关系等效图

3.3 故障处理

根据上述测量和分析，2个直流柜的电池接入端子中电流大小相等方向相反，监控单元据此判定一组电池在充电，另一组电池在放电，从而引发后续一系列的奇怪现象。找到问题根源后，对电池连接线进行改接，改接后的连接关系示意图如图4所示，改接后一系列的告警没再出现，印证的上述分析是正确的。

除了上述因连接关系造成的电池管理功能失常外，这个系统的电池连接还有一点问题。艾默生电源的直流配电柜中，2组电池的分配关系为左1右2，直流柜上只接入一组电池时系统默认接入电池组1熔丝，监控单元设置电池组为1，此时系统会忽略电池组2［4］。该系统中每个直流柜只接一组电池，但都接在电池组2的接入端子上，为使系统实现自动管理电池，每个直流柜的电池组数不得不设置为2（每个直流柜单独设置，这样总电池组数为4），但2个直流柜的电池组1上是不接电池的，监控单元监测到的这两个电池组的充放电流始终为0，这也给系统的电池管理功能带来一定的影响，所以改接后电池线都接到了2个直流柜的电池组1上。

图4 改接后的电池组与开关电源连接关系示意图

4 结论

这是一个因电池线连接不当引起的电池管理混乱的典型案例。通信电源电池的均充过程是对电池化学特性的活化过程，适当地定期均充对提高电池寿命有一定帮助，但频繁均充会造成电池不正常排气、失水加快，甚至热失控而损坏，反而会缩短蓄电池的使用寿命。

通过对本案例的分析得出，无论在新建工程还是电池更换工程中，要注意蓄电池组的接入一定要根据开关电源的要求正确连接，基本要求是：电池组与开关电源上蓄电池接入端子是一对一或多对一的关系，多对一时的多组电池是并联关系，多组电池中各组的品牌、容量、新旧程度需相同，各个电池接入端子下连接的电池组情况需保持一致，监控单元中的参数设置要根据电源厂家要求和现场实际配置情况正确设置。一对多（一组电池去多个电池熔丝）的电池线连接方式，在负载电流比较小、电池连接线径较小时，没有明显影响，但在负载电流大、线径大时将会出现上述的旁路效果，导致监控单元对电池检测出现问题，进而电池管理失效，长时间运行对电池寿命会有较大影响。

［1］ 艾默生网络能源有限公司.PS48400-2C/50智能高频开关电源系统：E1-20020314-C-1.0［Z］.2002-03-14.

［2］ 上海中达斯米克电器电子股份有限公司.MCS-3000系列电源系统用户指南［Z］.2002-10-30.

［3］ 华为技术有限公司.UPS5000-E-（360Kva-480kVA）V100R001系统介绍［Z］.2014-03-10.

［4］ 深圳市华为电气技术有限公司编辑部.PS系列大容量智能高频开关电源系统：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

高新红（1971-），男，本科，工程师，研究方向：通信动力设备可靠性提高及节能优化。