通信电源电路的设计与改进Word格式文档下载.docx
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4.1蓄电池基本充电方法…………………………
4.2快速充电的研究………………………………
结论…………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………
附录…………………………………………………………………
后记…………………………………………………………………
摘要
本文对通信电源做了个简单的介绍。
蓄电池组是通信电源设备的重要组成部分。
当交流供电中断或整流器故障，蓄电池组是支持通信系统工作的唯一后备电源。
充电方式对VRLA电池性能具有相当重要的影响，并对快速充电作了具体的研究。
关键词：
通信电源蓄电池VRLA蓄电池寿命充电方式
第一章通信电源的概述
电源是通信系统的重要组成部分。
通信电源被比喻为通信的心脏，其核心利益就是“持续提供稳定的动力供应”以保证整个通信网络的正常运行。
一个完整的通信电源系统由5个部分组成：
交流配电单元、整流模块、直流配电单元、蓄电池组、监控系统。
这样组合的通信电源系统有着广泛的应用意义，它不仅适用于电力系统通信，也适用所有专网通信和公众网通信。
对通信电源系统的基本要求是可靠性和稳定性。
一般通信设备发生故障的影响面较小，是局部性的，但如果通信电源系统一旦发生故障，通信系统将全部中断，所以电源系统要有备份设备，电源设备要有备品备件，市电要有双路或多路输入，交流和直流互为备用。
对通信电源的要求是：
防雷措施要求完善，设备允许的交流输入电压波动X围大，多重备用系统以防止电源系统发生电源完全中断故障。
由于电网分布和利用市电的条件存在千差万别，许多地方的市电电压波动X围很大。
特别是一些变电站、微波站、光通信站、水电厂在丰、枯水期时等，有时交流电压波动X围很大，要求电源设备具有更宽的工作电压X围，否则就要增加稳压装置。
第二章蓄电池
蓄电池组是通信电源系统的重要组成部分，所占的投资比例很大，加强对蓄电池的管理，改善其使用状况，从而有效地延长蓄电池的使用寿命，具有重要的意义。
目前，通信电源配套的蓄电池大多是先进的阀控式密封铅酸蓄电池，阀控式密封铅酸蓄电池主要有贫液式和胶液式两类。
由于阀控式铅酸蓄电池全密封、无须加水维护，故常冠以“免维护”的称号。
“免维护”这一词给使用者带来了认识上的误区，导致使用者放松了对阀控式密封铅酸蓄电池的日常维护和管理。
因此，正确使用和维护阀控式密封铅酸蓄电池具有十分重要的意义。
根据各个基站的通信设备需求，其蓄电池每节单体电压一般有2V、6V和12V三种，一般在枢纽大站，常采用寿命长、可靠性高的2V电池，在小型基站，根据安装要求，可采用其他两种电池，使用时将多节单体串连，组成48V的蓄电池组。
在对电源系统可靠性要求较高的场合，一般采用两组蓄电池并联运行、浮充供电的方式。
对蓄电池组的日常维护要定期清洁并检测端电压、温度；
连接处有无松动腐蚀现象，检测连接条压降；
外观是否完好，有无鼓肚变形和渗漏现象；
极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出；
当发现电压反极性、压降大、压差大和酸雾泄漏的电池时，应及时处理，对不能恢复的蓄电池要及时更换；
不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池联在一起，否则可能会对整组蓄电池带来不利影响。
对寿命已到的电池组要及时更换，以免影响到电源系统和设备主机
2.1阀控式密封铅酸蓄电池的定义
中文全称:
阀控式密封铅酸蓄电池。
英语全称为：
ValveRegulatedLeadAcidBattery（VRLA）
它诞生于20世纪70年代，到1975年时，在一些发达国家已经形成了相当的生产规模，很快就形成了产业化并大量投放市场。
这种电池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，而倍受用户欢迎，特别是让那些需要将电池配套设备安装在一起（或一个工作间）的用户青睐，例如UPS、电信设备、移动通信设备、计算机、摩托车等。
这是因为VRLA电池是全密封的，不会漏酸，而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，所以从结构特性上人们把VRLA电池又叫做密闭（封）铅酸蓄电池。
为了区分，把老式铅酸蓄电池叫做开口铅酸蓄电池。
由于VRLA电池从结构上来看，它不但是全密封的，而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀，VRLA铅酸蓄电池的全称便成了“阀控式密闭铅酸蓄电池”。
2.2阀控式密封铅酸蓄电池在通信电源系统中的作用
1．后备电源，包括直流供电系统和UPS系统
2．滤波
3．调节系统电压
4．动力设备的启动电源
（a）平滑滤波
（b）荷电备用
图2-1蓄电池在通信电源系统中的作用
2.3VRLA电池的工作原理
电池的充放电反应
（+）PbO2+3H++HSO4－+2e放<
═══>
充PbSO4+2H2
（－）Pb+HSO4－放<
充PbSO4+H＋+2e
电池总反应：
Pb+2H++2HSO4—+PbO2放<
充PbSO4+2H2O+PbSO4
电池内部气体产生的原因
（1）过充电
（+）H2O→1/2O2↑+2H++2e
（-）2H++2e→H2↑
H2O=H2↑+1/2O2
（2）正极板栅腐蚀：
Pb+2H2O→Pb（OH）2+2H++2e
2H++2e→H2↑
（3）自放电：
负极自放电
Pb+HSO4－→PbSO4+H++2e
正极自放电
PbO2+2H++H2SO4+2e→PbSO4+2H2O
H2O→1/2O2↑+2H++2e
2.4VRLA电池的关键技术
2.4.1氧复合原理（氧循环原理）
电池在充电过程中，正极除了有反应
（1）PbSO4转变为PbO2以外，还有氧析出反应，特别是电池的充电后期，当电池容量充电到80%时，氧的析出反应更为剧烈，两极的气体析出反应如下：
（+）2H2O→O2+4H++4e
（--）2H++2e→H2
对于浮充使用的VRLA电池，即使是浮充电流很小，但在长期浮充状态下，浮充电流一部分用于电池自放电生成的PbSO4转为正负极活性物质以外，不可避免的，浮充电流一部分用于水的电解，而使正极析出氧气，负极析出氢气。
氧和氢气的产生使电池内部失水，电解液密度发生变化，也使电池难以密封。
从铅酸蓄电池诞生以来，人们都一直在寻求电池的密封，以减少对电池的维护。
VRLA电池的出现，实现了电池的密封，电池密封的关键技术是氧在电池内部的再复合实现氧的循环，以及采用AGM隔板吸收电解液，使电池内部没有流动的电解液，氧的复合原理如图2-3所示：
图2-2：
密封原理示意图
图2-3：
氧循环原理图
从图2-3看出，正极充电过程中因电解水析出的氧气，通过AGM隔板的孔隙，迅速扩散到负极，与负极活性物质海棉状铅发生反应生成氧化铅（PbO），负极表面的PbO遇到电解液H2SO4发生化学反应生成PbSO4和H2O，其中PbSO4再充电而转变为海面状Pb生成的H2O又回到电解液，因氧气的再复合，避免了水的损失，从而实现了电池的密封。
其氧的再复合过程的反应式如下：
2H2O→O2↑+4H++4e
2Pb+O2→2PbO
2PbO+2H2SO4→2PbSO4+2H2O
2PbSO4+4e+4H+→2Pb+2H2SO4
总反应为：
2H2O→O2→2H2O水变成氧再变成水
4.4.2VRLA电池的关键技术：
为了实现氧的复合（循环），电池在设计制造中，应掌握如下关键技术：
1）选择高孔隙率AGM隔板，孔隙率在93%以上，为氧的复合提供通道
2）采取定量灌酸，使玻璃棉隔板在吸收电解液以外，仍有5—10%的孔隙率未被电解液充满，因此VRLA电池又称为贫液式电池。
3）过量的负极活性物质，正、负极板的容量比一般为1：
1.1~1：
1.2，这样在正极充足电以后，负极仍未充足电，防止氢在负极析出，氢气大量析出是无法复合的。
4）电池极群的紧装配，采取极群预压缩技术，装配压在40—60Kpa之间，以保证AGM隔板与正负极板表面的良好接触，因为VRLA电池的电解液主要靠AGM隔板提供。
5）正板栅使用低锑银合金，克服了铅钙合金正板栅的无锑效应和抗蠕变性差的缺点，无论浮充使用还是循环使用，都有很长的使用寿命，不同地区供电条件的差别将不会对蓄电池性能造成影响。
6）开闭阀压力稳定可靠的安全阀，通信用VRLA电池的标准要求开阀压10—35Kpa，闭阀压3—15Kpa,开闭阀压力较接近，可减少气体排放和水的损失。
7）采用恒压限流的充电方式，VRLA电池对过充电较为敏感，过充电会加速电池的损坏，恒压限流充电可防止过充电和热失控。
VRLA电池具有以下主要优点：
不漏液、无酸雾、不腐蚀设备；
①放电小，25℃下自放电率小于3%（每月）；
②电池寿命长，25℃下浮充状态使用可达10年；
③结构紧凑，放置方便（竖放、卧放），占地面积小；
④电池的高低温性能较好，可在40℃—150℃X围使用；
⑤没有“记忆效应”（指浅循环工作时容量损失）；
⑥能量较高，大电流放电性能好。
图2-4：
VRLA电池与GF电池（左）的比较
2.5VRLA蓄电池的维护
在实际运行中，VRLA蓄电池对环境温度的要求比较高，VRLA蓄电池的最佳环境运行温度为20-25℃。
如果使用环境温度过高，使VRLA蓄电池在充电过程中产生的热量无法及时扩散到空气中去，加速了电解液的损失，同时也容易通过壳体损失水分，导致电解液的比重升高加速了正极板栅的腐蚀，最终导致VRLA蓄电池未达到电池的设计寿命而提前失效。
为避免VRLA蓄电池提前失效，应对VRLA蓄电池加以严格的维护，严格根据生产厂家提供的相关设置参数对开关电源进行设定。
平时应经常根据蓄电池及充电设备的运行情况及时调整浮充电压，使浮充电压符合VRLA蓄电池的要求，避免电压过高，造成对电池的过充引起水分的损失；
同时防止电压过低，造成VRLA蓄电池的欠充，引起电池极板的硫酸盐化，使电池的容量大大降低。
先进的运行设备具有温度补偿功能，可以根据运行环境自动调整运行参数。
为了及时了解VRLA蓄电池的状态，定期对VRLA蓄电池的容量进行检测，准确掌握VRLA蓄电池容量的实际状况，以便及时采取相应的维护措施。
定期对电池进行维护，使VRLA蓄电池经常处于良好的运行状态。
对于VRLA蓄电池只有按生产厂家的要求进行严格的操作时，才会使得VRLA蓄电池寿命真正接近其设计寿命，否则，电池的寿命比普通电波更短。
注意事项：
1、电池连接线必须用螺钉拧紧
2、不要使电池短路
3、使用前必须充电
4、不要打开安全阀
5、保持电池清洁
6、长期贮存，应定期对电池进行补充电
7、事故放电后，蓄电池在没有及时补充电的情况下，不允许让蓄电池继续供电。
第三章基站电源蓄电池寿命的提高
基站蓄电池从目前使用情况来看，普遍存在蓄电池容量下降过快，使用寿命短，甚至短短1～2年时间蓄电池的容量只有标称容量的30%～40%，有的只有10%～20%。
而大部分基站蓄电池经过1～4年运行，容量只有其标称容量的50%左右，远远达不到设计使用寿命。
与交换局站同类蓄电池相比，使用寿命也大大降低。
按蓄电池使用维护标准要求，蓄电池容量只要下降到其标称容量的80％，其使用寿命就终止，应对其进行更换。
3.1影响基站电源蓄电池寿命的因素
3.1.1蓄电池寿命的定义
蓄电池的寿命一般是这样定义的，浮充状态下为3-5年或3-8年，并不是说蓄电池在频繁放电状态下使用多少年。
对处于非浮充状态下工作的蓄电池，其寿命是按照循环放电次数和放电深度两个因素衡量，如表1
放电深度（%）
设计充放电循环次数
5
10000
20
2000
50
800
100
350
表1：
蓄电池放电深度与使用寿命之间的关系（25℃）
3.3.2蓄电池放电深度的定义
放电深度对电池使用寿命的影响也非常大。
电池放电深度越深，其循环使用次数就越少,如表1所示，因此在使用时应避免深度放电。
图3-1蓄电池放电曲线
上图3-1是蓄电池生产厂家提供的150AH/12V蓄电池放电曲线。
在实际使用时根据不同的负载电流选定不同的放电终止电压。
在该放电曲线中，以10小时放电和5小时放电曲线为例，对于10小时放电（负载电流为15A）来说，如果放电到终止电压11V（44V），此时蓄电池放出的容量大约为100%。
一般情况下，为了保护蓄电池尽量避免其深度放电，放电深度最好≤80%，终止电压在46V左右，放电时间约为8小时。
对于5小时的放电率来说（负载电流为25.2A），终止电压10.8V（43.2V）放出100%容量，在实际使用时放电深度≤80%，终止电压在45.6左右，放电时间为4小时。
3.2蓄电池寿命终止的几种因素
对于阀控密封铅酸蓄电池来说，有四种失效模式：
正极板腐蚀、失水、热失控、硫酸盐化。
其中正极板栅腐蚀由于合金工艺技术的提高，腐蚀速度非常慢，一般是10-15年。
失水的途径比较多：
节流阀设计不合理，频繁开启；
电源对蓄电池频繁均充；
环境温度过高。
其中高温是最主要的因素，高温会加速蓄电池失水速度，导致蓄电池容量下降。
以25℃为基准，当蓄电池运行环境上升10℃，寿命减少50%。
热失控是蓄电池在充电过程中产生热量不能及时释放出，温度和化学反应之间形成一个正回馈，出现失控。
热失控对蓄电池是毁灭性的，造成蓄电池外壳变形“鼓肚子”，严重的会造成蓄电池爆炸。
热失控的原因是机房环境温度高超过45℃、高温下浮充电压过高（没有温度补偿功能）、充电电流超过设计值（超过2.5C10）。
硫酸盐化就是硫酸盐的堆积，即在极板上生成白色坚硬的硫酸铅结晶，颗粒比较大活性低。
充电时非常难于转化为活性物质的硫酸铅，导致电池容量下降或功能衰退。
硫酸盐化的原因是电池在安装使用前曾长时间搁置储存（超过3个月）、持续过放电或经常过量放电或小电流深放电、环境温度过高或过低、经常充电不足和没有定期执行均充。
根据造成基站蓄电池运行寿命减少的因素，结合实际情况我们提供如下几个延长蓄电池寿命的方法。
3.3.1针对频繁停电延长蓄电池使用寿命方法
对于频繁停电的站点，需要通过增加固定油机或者移动油机来保障蓄电池在停电后能得到及时补充充电，或者避免蓄电池深度放电。
对过于频繁停电的站点，除了采用上面的方法之外，还需要采取特殊的蓄电池来解决问题,对于没有交流电的站点，柴油发电机很难保证（油价上涨和不能及时加油），需要采取新的供电方案，可以考虑太阳能电源供电系统，给基站设备供电。
3.4.1减少蓄电池过放
在电源供电方案初期，需要根据负载电流，结合蓄电池的放电曲线配置比较合适的蓄电池容量，在要求的放电时间内避免蓄电池过放，一般原则是在规定放电时间到了以后蓄电池放出的容量≤80%。
在电源开通后，如果暂时没有市电接入或者暂时不使用电池，那么必须断开蓄电池的所有负载（关闭蓄电池空开或拔掉熔丝，关闭监控单元的供电），使蓄电池处于开路状态。
避免蓄电池小电流放电，造成蓄电池容量下降或者失效。
在蓄电池管理方面，尽量避免蓄电池在仓库放置时间超过3个月。
如果超过3个月不能安装，那么就要考虑通过充电器，对蓄电池进行充电。
根据实际使用情况调整蓄电池欠压保护的电压，尽量避免蓄电池出现过放电和深度过放电（小电流过放电）。
对于频繁停电的站点，为了延长蓄电池运行寿命，要求一次负载下电电压≥47V，二次下电电压≥46V。
3.4.2及时对蓄电池补充充电
在电源开通后，人工控制执行对蓄电池均衡充电，均衡充电时间≥10小时。
对于频繁停电的站点，可以增加蓄电池充电电流，以缩短蓄电池充电时间增加充电前期充入的电量。
通过监控单元，将充电电流系数调高为（1.8～2.2）C10，最大充电电流系数不能超过2.5C10。
根据该基站停电次数及时间，对于停电次数多且停电时间长的情况，延长均衡充电时间。
改变均衡充电时间周期设置，把原设置一般180天周期调整为30天或15天，以减少硫酸盐化现象的发生。
3.4.3减少高温对蓄电池寿命的影响
如果蓄电池安装在机房或者房舱内，那么需要安装空调确保机房环境在合适的温度。
对于户外电源，为了确保蓄电池的工作温度在合适X围内，需要在电池柜上搭建凉棚避免阳光直射；
可以通过地埋的方式，把蓄电池放在专门的地窖内，确保蓄电池的工作环境温度不会太高；
户外电源最好使用温度X围比较宽的GEL电池，以减少高温或低温对电池造成的严重影响，以延长使用寿命。
3.5定期维护
在蓄电池的使用过程中需要对其做相应的维护。
由于蓄电池在运行一段时间后，就会出现个别电池落后（一般情况下落后电池端电压不得小于正常的20mV）或失效的现象。
如果不及时发现，那么落后的电池会越来越落后，直至失效。
失效的电池会导致其他好的电池随时间推移慢慢失效，进而使整个电池组报废。
一般要对蓄电池每隔3个月进行一次维护，主要是检查蓄电池组中有无漏液、有无“臌肚子现象”、有无落后电池存在、蓄电池连接处有无锈蚀和固定螺钉松动、环境温度是否正常等等。
只有做到及时发现及时处理，才能确保蓄电池的正常寿命。
第四章蓄电池充电方法
4.1蓄电池基本充电方法
基本充电方法有以下几种：
1．恒压充电（CV）
优点：
（1）过充电最小，大部分电流用于硫酸铅充电
（2）可通过改变充电电压和限流值以实现快速或慢速充电
（3）可用于浮充电
缺点：
（1）充电末期持续时间很长
（2）易发生充电不足和容量下降
（3）串连电池不容易实现均衡充电
（4）容易产生热失控
（5）需要温度补偿
2．恒流充电（CC）
优点：
（1）对于串连电池各个电池充电量均等。
（2）无需温度补偿
（3）无热失控
（4）不会充电不足
（1）可能产生严重过充电，缩短电池寿命
（2）可能产生严重的板栅腐蚀和析气
（3）末期电流需随使用寿命而调整
充电方式对VRLA电池性能具有相当重要的影响，主要问题有以下四个方面：
（1）在过充电阶段，充电过程的有效性减少，将导致隔板的饱和度降低。
（2）大量的氧循环将产生热和阻止负极板的充电。
（3）详细的充电机制，特别在充电的最后阶段和终止状态对于控制氧循环是相当重要的。
（4）充电不足会导致电池的寿命缩短，为了防止气体的问题，就使用不完全充电状态（PSOC），但是为了取得电池组的平衡，间歇使用完全充电或过充电。
负极板VRLA电池的早期失效主要因素是正极板栅及其活性物质，当这些因素被克服后，不管在浮充使用或循环使用，负极板则成为制约蓄电池寿命的主要因素，其主要原因就是在电池寿命的最后一段时间负极板充电困难。
VRLA蓄电池中负极板引起其容量的逐渐损失，可能的原因如下：
（1）由于VRLA电池中的氧循环，破坏了负极板
中的有机物分子，使有机膨胀剂损失，导致电极表面收缩。
（2）电解液分层。
（3）由于氧还原而导致的去极化，以及自放电大而导致电池充电无效。
4.2快速充电
大约十几年前，人们还相信任何类型的铅酸蓄电池都不能被快速充电，因为这对正极活性物质会造成不可修复的损害。
另外，在VRLA蓄电池中，人们认为这种方法将导致过多的板栅腐蚀和析气，从而使电池早期快速失效。
但是后来的研究表明采用减少氧循环效应及较快结束充电的快速充电能够在5－15分钟内对深放电的蓄电池进行完全充电，而且能成倍地延长电池使用寿命，尤其是对于薄板式VRLA蓄电池效果更佳。
大电流快速充电与常规小电流充电相比有如下优点：
（1）延长寿命，一般通信用VRLA电池采用常规三段式充电，80％DOD放电，其充放电循环在200次－250次，而采用快速充电能使电池寿命延长2－4倍。
（2）常规充电容易在正极板表面形成网状或珊瑚状结构，活性物质在充电过程中显著膨胀，容易脱落，影响电池寿命。
快速充电能够形成比较小的二氧化铅晶体，有助于保持正极活性物质与界面结构的均匀紧密性，提高极板的容量及循环寿命。
（3）快速充电后负极板上的铅粒子更细，有利于抑制硫化现象。
（4）快速充电有利于减缓“铅枝搭桥”现象的出现。
（5）充电效率高。
图4—1所示是我们采用的快速充电控制策略。
开始充电时，电池的接受率比较高，只要电池的欧姆发热能控制在较好的X围内，能采用较大的电流进行充电，随着电池电量的增加，充电接受率降低，此时，若采用大电流充电将不可避免地出现析气，必须降低充电电流。
由于采用大电流充电，电池电量在初期充入比较多，随着电流的减少，充入电量也相对减少
图4—1VRLA蓄电池快速成充电曲线
图4—2快速充电过程的电压和电流波形
（I）充电初期（II）充电后期
图4—2是快速充电的电压和电流曲线，每经过T1时间的充电后，充电器将停止充电T2时间，在一个周期中，快速充电控制器实时检测如图所示的A、B、C、D段曲线的特征值。
（I）是充电初期的电压和电流曲线，由于初始电量比较小，电池内阻比较大，电池电压在A段由于欧姆内阻的存在增加的比较多，但由于容量和极化电压较低，在B段缓慢上升，当停止充电后，在C段由于电流的中止，下降的电压反映了欧姆压降，而D段是极化电压的体现。
（II）是充电后期的电压波形，此时蓄电池电势比较高，极化电压占主导地位，电池电压急剧上升，电压数值也比较高，停止充电后，由于欧姆压降比较小，C段并不明显，D段的电压下降也比较缓慢。
通过对这几段曲线的特征值的检测，可以知道蓄电池的实时状态，根据上一周期的充电电流和电压的各段特征值，可以决定下一个周期的充电电流和充电参数，使蓄电池一直处于微量析气状态，既提高了充电速度，而且能让正极微量析气通过蓄电池内部氧循环途径在负极重新还原为水。
每次充电后的停充间隔，既能检测电池的状态，又能使电池极化现象得到缓和，有利于下一次的大电流充电。
关于充电时间T1和停充时间T2的选定，根据蓄电池模型，其等效电容值比较大，电压变化在毫秒级以上。
通过试验验证，T1和T2大于100ms效果为佳。
在电池充电的不同阶段，除了充电电流的控制外，还要根据电池极化状态调整充电时间T1和停充时间T2。
在充电初期，电池接受率比较高，极化电压较低，T1可以大一些，T2小一些；
随着充电进程的进行
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