蓄电池在线维护验收技术研究及应用

郭 涛，陈 郁，潘江林，江 陵，李 宇

（1.中国联通苏州分公司，江苏 苏州 215000；2.中国联通 江苏省分公司，江苏 南京 210029）

0 引 言

随着社会经济和电子信息技术的飞速发展，蓄电池已被广泛应用于医疗、通信、汽车以及电力等诸多领域。医疗方面，各种精密医疗设备的不间断供电十分重要，不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）需要大量蓄电池作为后备电源；通信方面，在自然灾害等特殊情况下保证通信畅通是重要的任务，而蓄电池是电源系统的后备保障；电力方面，用电需求越来越大，削峰填谷离不开储能，而蓄电池是目前重要的储能介质。

对于通信行业来说，目前基站内蓄电池主要以铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池为主。铅酸蓄电池的使用寿命一般为8～12年，对工作环境、市电都有着严格的要求，不同等级的铅酸电池只有在满足相应环境、市电要求的情况下才能达到正常的使用寿命[1]。受蓄电池自身特性、基站现有环境条件及维护手段的限制，一般的蓄电池实际使用寿命往往只有6～8年。性能劣化、容量不足的蓄电池是通信系统的重大安全隐患，当遇到停电等故障情况时，不仅不能提供保障，还会造成经济、业务上不同程度的损失[2]。每年运营商有大量的蓄电池因性能劣化提前报废，不仅造成运营商资金、资源的浪费，而且蓄电池内所含的铅、锂等重金属也对环境造成不可恢复的影响。蓄电池往往采用多节并联成组的方式作为后备电源给电源系统供电，根据不完全统计，容量不足、性能劣化的蓄电池组是由于整组电池中存在单体故障，而造成蓄电池实际使用寿命缩减、容量损失的原因是多方面的，包括厂家在设计阶段的问题、生产原材料的问题、生产环节的质量问题，但影响最大的还是蓄电池维护管理缺失、电源管理粗放以及糟糕的工作环境。维护管理缺失主要集中在未定期进行日常巡检，不能及时发现蓄电池问题[3]。电源管理主要集中在充、放电管理不到位，充电参数设置不当造成蓄电池过充、欠充，放电电流过大造成蓄电池过放，放电电流过小且长时间放电造成涓流放电，最终导致蓄电池整组容量损失、单节故障。

以某省级运营商在网运行蓄电池情况为例，全省蓄电池组达8 951组，其中普通汇聚及接入机房蓄电池数量占82.56%。每年隐患改造投资有限，普通汇聚及接入机房的蓄电池得不到及时替换，目前该类机房的蓄电池大多都已经超期。随着时间的推移，每年都会积累大量超期服役的蓄电池组，存量隐患逐年递增[4]。

蓄电池是后备电源的保障，突发故障时保证蓄电池能够及时、保质保量充分发挥后备电源的作用是运维管理人员的重要任务。按照已有的管理规程，每年进行固定几次的常规检测很难及时准确地发现蓄电池的实际问题。目前，蓄电池监控常用的手段是增加每节蓄电池的内阻、电压监测单元，但成本高、覆盖率不高，只能实现蓄电池单体电压、内阻的实时数据监控，不能实现充放电管理，无法从根本上解决蓄电池长期存在的容量损失、单节故障等问题。性能劣化或超期服役的蓄电池得不到有效更换或维护将影响蓄电池的使用性能，导致整组电池放电时长不满足设计要求。在遇到停电等紧急情况时，可能会导致机房断电、失火等严重事故。

1 蓄电池维护管理新需求

铅酸蓄电池的主要组成有正负极极板、电解液、池槽、电槽、隔板、端子以及上盖/顶盖等，如图1所示。

图1 铅酸蓄电池主要组成

造成每节单体电池存在差异的因素有很多，例如极板的厚度、电解液的浓度、极板材料、极板的清洁度、组件之间的熔接以及单格之间的连接等都造成了电池电压、内阻与容量的不一致，影响电池的质量。

蓄电池不管是搭配开关电源组成直流电源系统，还是搭配UPS组成交流不间断电源系统，UPS及开关电源都采用传统的直接控制整组电池电压充放电方式。以铅酸蓄电池搭配开关电源为例，浮充电压通常设置为54 V，均充电压设置为56.4 V，终止电压设置为43.2 V，整组电池长时间运行导致蓄电池单体间的差异性逐步增加。同时单节蓄电池成组投入使用后，每节电池的温度、自放电程度、通风情况的不同也会导致每节电池的性能差异。

目前，影响蓄电池寿命的主要原因包括过充、欠充、过放以及环境温度变化等。蓄电池在浮充、均充、放电状态下均会造成极板腐蚀，如果长期处于过充电状态，会导致电池极板腐蚀加剧，极板变薄的同时产生变形，使蓄电池失水甚至干枯，并使电池热失控，从而降低电池性能和寿命。更严重的是，过度腐蚀造成个别极板断裂，最终导致整个电池的损坏。研究表明，过充5%持续工作4个月，铅酸蓄电池使用寿命将减少一半。蓄电池在正常工作中，负极板上的硫酸铅少且小，充电时很容易还原成海绵状铅。如果蓄电池长期处于欠充和过放，会导致硫酸铅无法还原，形成大颗粒硫酸铅附着在负极板上，造成负极板硫酸盐化，导致蓄电池组的使用寿命严重缩减。高温会导致电池内部热失控，极板腐蚀和内部失水加剧，缩短使用寿命，容量下降。以铅酸阀控式蓄电池为例，标准工作环境温度为25 ℃，蓄电池使用寿命能达到12年。随着温度升高，使用寿命会急剧缩减，环境温度升高10 ℃，则电池使用寿命缩短一半。

综合考虑各项影响因素，蓄电池在线数字化管理需求主要包括输入异常告警、输出异常告警、定期核容、定期均充、定期切换检测、寿命预测以及数据应用分析。

2 主动均衡能量管理系统功能

2.1 蓄电池在线监测

目前，普通汇聚及接入机房蓄电池监控管理功能比较单一，仅能监控蓄电池整组电压、充电电流、放电电流，无法监测蓄电池使用中的重要参数，例如单体电压、单体内阻、单体温度等。如果日常仅依靠运维人员现场抽查并测量核容来判断蓄电池性能优劣，无法实时、全量审查蓄电池健康状况。

主动均衡能量管理系统能够实时监测单体蓄电池的实时电压、电流、温度等数据，并且具备蓄电池单节过充电告警、过放电告警、单节开路告警功能，能够确保每个单体蓄电池不出现过充、欠充、过放、欠放。除此之外，将告警数据与历史数据上传至服务器并保存1年，运维人员可根据站点名称、日期等关键信息进行历史数据查询，实现蓄电池数据在线实时查询。

2.2 蓄电池镜像技术

当蓄电池组内某一节单体电池开路的瞬间，在实时告警记录推送的基础上利用主动均衡能量管理系统独有的电池镜像技术对突然出现问题的单体电池采取镜像处理，实时虚拟出一节或数节电池电压，保证电池组工作电压稳定，实现电池组持续供电。通过镜像处理等功能实现系统自动调整蓄电池组电压，持续支撑负载运行，为代维上站处理提供充足时间[5]。同时通过电池脉冲修复，对蓄电池采用24 h不间断且频率高达8 kHz的小电流脉冲，利用大结晶谐振的方法来溶解盐化结晶，消除电池的硫化现象，保证蓄电池组长期处于活化状态，起到主动修复的作用。

2.3 蓄电池充放电均衡管理

整组蓄电池在放电过程中存在木桶效应，蓄电池组投产后，电池间的差异性会随着充放电循环、环境、生产工艺等因素的影响而逐步增大。如果不能及时发现并更换，放电过程中落后电池会直接失效，导致整组电池备电不足甚至失效，使用寿命远远低于正常电池寿命。

主动均衡能量管理系统改变以往蓄电池整组充电的落后形式而采取差异化充电，对不同状态的电池施加最适合的充电电压、电流，避免整组充电带来的欠充、过充问题，实现高效率的个性化充电。改变整组放电的模式，在放电过程中用部分电池的电能对落后电池进行额外的能量补充，有效利用各电池单体的放电容量和备用时间。

优化电池组内各单体电池的均衡充放电能力，采用N+1的连线方式，充电过程中实时监测单节蓄电池的电压、电流、总电压等数据，并实时对单节蓄电池充电进行管理，避免单节蓄电池过充电、欠充电。铅酸蓄电池组放电过程中实时提供单节蓄电池的电压、电流、总电压等数据，并对蓄电池组放电进行管理，保证电池组的一致性，提高放电效率。当蓄电池组内单体电压快速下降或电池急剧升温时，系统能够自动对此节电池进行隔离，保持电池组内均衡。

2.4 蓄电池在线自动核容

根据计划或运营需要，利用主动均衡能量管理系统对蓄电池进行在线容量核对，实现蓄电池组远程无人在线容量核实功能，无需外接放电负载设备，节约运维成本，实现蓄电池数字化运维。设定在线自动核容起始时间，自动完成在线核容数据记录，对剩余容量、放电时长自动核定、根据需求定期提供核容报告。蓄电池核容测试完成后，生成电池组容量报告。

2.5 数字化管理平台

主动均衡能量管理系统设备内置物联网卡，平台实时数据可以通过物联网卡以4G网络制式上传至服务器储存。此外，系统设备配置远程本地通信http接口，相关设备具有开放监控接口，可以将参数设置、监测信息、告警信息实时上传至服务平台或动环监控单元（Field Supervision Unit，FSU），同时可以按照客户要求定制开发相应接口[6]。

平台具备对电池的过充告警、过放告警、高温告警、更换告警以及开路告警等告警信号的检测和推送能力，并且可以将告警记录上传记录至服务器内，维护人员可以随时进行告警记录的查询处理。根据运营需要，平台还具备对需充电电池的充电提醒推送功能，能够对均充电压、浮充电压、电池告警阈值进行查看和调整，可以远程设置在线核容相关参数，自动生成并记录蓄电池剩余容量数据报告和蓄电池健康状况数据报告。此外，管理平台可以按不同功能要求设置系统管理级别与操作权限，支持App在线维护、在线升级。

3 蓄电池在线维护验收技术试点成效

中国联通某分公司选取了4个站点进行试点安装，利用主动式能量管理系统实现站点电池的在线维护。主动均衡能量管理系统应用前后核容测试情况对比如表1所示。

表1 主动均衡能量管理系统应用前后核容测试情况对比

从性能改进上来看，以截止电压47 V对比，4个站点蓄电池后备时长显著延长。通过后台数字化平台显示界面可以清楚地看到站点内每节单体电池的电压、电流、温度等，如图2、图3所示。

图2 后台单体电池电压、温度数据

图3 后台放电电流数据

与此同时，历史数据可以存储至服务器，历史数据查询界面如图4所示。

图4 后台历史数据查询

通过加装主动均衡能量管理系统，可以循环使用，在节约蓄电池改造投资的同时，还可以实现蓄电池远程核容、在线监测、在线维护、在线验收等功能，节约维护成本。

4 结 论

在通信系统中，电源影响着整个系统的健康状态，一旦电源出现故障，将会造成重大损失。蓄电池是电源系统的重要防线，根据通信系统事故统计，高压切换导致的事故约占20%，电源设备导致的事故约占10%，蓄电池故障导致的事故约占70%。基于蓄电池自身的一些特性，人们对日常的电池维护管理提出了更高的要求。利用主动均衡能量管理系统的一系列优势重点解决目前行业内蓄电池维护困难、改造投资投入较大等问题，减少维护上站次数，实现电池免维护，达到数字化运维管理、节能减排、降本增效的目标。

该系统投入使用后，试点站点在不更换蓄电池的情况下采用蓄电池主动均衡能量管理系统对单只电池进行差异化管理，解决了单体电池的一致性问题，提升了整组蓄电池的性能。运维人员可以通过数字化管理平台轻松实现蓄电池日常维护，实时监控每个站点的电池健康状态，按季度形成容量测试报告，实现蓄电池在线维护验收，节省运维成本。在停电、单节故障的情况下，通过该系统保障基站通信设备稳定运行，具有广阔的市场应用前景。