鐘 彬
(廣州地鐵集團(tuán)有限公司,廣州 510000)
UPS 是保證通信系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保障,蓄電池作為其電源,一旦出現(xiàn)問題,將造成事故擴(kuò)大,嚴(yán)重威脅通信系統(tǒng)安全運(yùn)行。蓄電池組單體結(jié)構(gòu)與組成對其穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的影響也至關(guān)重要,進(jìn)而影響其循環(huán)壽命。為保證其可靠性,目前廣州地鐵車站級UPS 電源系統(tǒng)均設(shè)置了2臺40 kVA 的UPS 設(shè)備并機(jī)運(yùn)行,每臺UPS 各帶一組蓄電池組。單站蓄電池造價占整套設(shè)備整體價值的62%。如若蓄電池穩(wěn)定性提高,實現(xiàn)2臺UPS 設(shè)備共用一套蓄電池設(shè)備,則可節(jié)約投資30%,即對蓄電池的優(yōu)化管理對節(jié)約UPS設(shè)備的投資具有重要意義。市場調(diào)研表明,現(xiàn)階段蓄電池組存在不同品牌不能合用,新舊批次、容量不等不能混用的缺陷,以及蓄電池組不平衡充放電導(dǎo)致蓄電池組發(fā)熱嚴(yán)重的難題,已嚴(yán)重制約設(shè)備運(yùn)行維護(hù),甚至對機(jī)房消防安全構(gòu)成威脅。
目前,廣州地鐵機(jī)房采用的通信系統(tǒng)蓄電池大多數(shù)為閥控式全密封式鉛酸蓄電池。放電接近終了,即單節(jié)蓄電池端電壓出現(xiàn)明顯下降時,極板表面形成大量硫酸鉛,這就造成硫酸鉛大量堆集,同時單位時間滲透量小于極板內(nèi)硫酸的消耗量,電解液密度迅速下降,還保持放電狀態(tài),放電形成的硫酸鉛不能及時充電轉(zhuǎn)化為氧化鉛,就會形成結(jié)晶,導(dǎo)致蓄電池產(chǎn)生硫化故障,內(nèi)阻大大增加,縮短蓄電池使用壽命。
當(dāng)充電過程中端電壓不再上升,且保持充電狀態(tài)超過4小時以上時,劇烈放出的氣泡會導(dǎo)致活性物質(zhì)脫落,造成蓄電池容量降低,另外,在過充狀態(tài)下,蓄電池放出的氫氣和氧氣濃度迅速提升,當(dāng)氣壓超過閥值氣壓,則氣體溢出并帶出水分導(dǎo)致蓄電池內(nèi)失水,內(nèi)平衡失調(diào),其溢出的可燃?xì)怏w對機(jī)房消防安全造成嚴(yán)重威脅,即機(jī)房內(nèi)應(yīng)嚴(yán)禁明火并特別注意范圍內(nèi)可燃物。
為提高蓄電池的免維護(hù)性,密封鉛酸蓄電池"氧循環(huán)"原理之一就是正極板析氧以后,氧氣直接到負(fù)極板與負(fù)極板的析氫還原為水。在鉛酸蓄電池大量析氣以后,氧氣在負(fù)極板復(fù)合為水,實現(xiàn)氧循環(huán)能力,但是,氧循環(huán)發(fā)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電時的發(fā)熱。而氧循環(huán)有好也有壞,好處是可以減少水損失,壞處是加劇電池發(fā)熱。而發(fā)熱是影響蓄電池容量的又一個重要因素,隨著環(huán)境溫度的升高電池容量會相應(yīng)的減少。按照室溫25℃為參考依據(jù),容量計算公式如下:
式中,t 為室溫;Ct為25℃時的容量;K 是溫度系數(shù)(10小時、3小時和1小時的容量實驗K 的取值分別為0.006/℃、0.008/℃、0.01/℃)。
實驗表明,溫度過高是導(dǎo)致鉛酸蓄電池實際壽命嚴(yán)重小于設(shè)計的額定壽命的重要原因。一般情況下,工作溫度升高10℃,相同電壓下的最大充電電流會增加一倍,遇到這種情況,蓄電池的壽命會因為過度充電累積電量的增加而縮短。工作溫度過高時,升高的浮充電流不僅加快了電量的累積,也加快了氣體生成析出的速度和板柵腐燭的速度,進(jìn)而縮短了蓄電池的壽命。
在實際應(yīng)用中,蓄電池為多個串聯(lián)成一組供電,經(jīng)各場所應(yīng)用顯示,蓄電池組實際使用壽命往往遠(yuǎn)低于其出廠額定壽命,且蓄電池成組以后的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單體電池壽命。主要由于電池的大小差異,小容量的電池容易過充,而放電時,最小容量的電池又容易過放。其中容量最小的電池受損,進(jìn)而導(dǎo)致容量變得更小,進(jìn)而惡性循環(huán),這也是導(dǎo)致蓄電池組不能不同品牌混用的最大制約因素。蓄電池單體差異化的產(chǎn)生原因主要有以下三個方面。
(1)制造因素:工藝問題和材質(zhì)的不均勻,使電池極板厚度、微孔率、活性物質(zhì)的活化程度等存在微小差別,這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致性,同一批次同一型號電池的容量、內(nèi)阻和電壓參數(shù)不完全一致。
(2)使用環(huán)境因素:各機(jī)房的溫度、通風(fēng)條件有差異影響,一定程度上導(dǎo)致蓄電池單體電壓、內(nèi)阻及容量參數(shù)不一致。
(3)充放電因素:正常情況下整組蓄電池都是采用整組電壓閥值控制,絕大多數(shù)時間為浮充狀態(tài),每次充電或放電,因不平衡充放電,單節(jié)蓄電池過充或過放導(dǎo)致個體惡化加劇,進(jìn)而擴(kuò)大差異化。
2.2.1 蓄電池組不均衡充電表現(xiàn)
以一組24節(jié)額定電壓2 V 電池為例(圖1),串聯(lián)工作整組充電時,以總電壓2.3 V*24=55.2 V 作為均充電壓值。圖2所見,綠色部分多節(jié)電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到2.3 V,紅色部分多節(jié)電池已經(jīng)超過2.3 V,導(dǎo)致過充,而這樣充電不均衡的現(xiàn)象會直接加速蓄電池的極板活化物質(zhì)損耗,從而導(dǎo)致整組電池工作失效。
圖1 蓄電池組不均衡充電
2.2.2 蓄電池組不均衡放電表現(xiàn)
圖2 蓄電池組不均衡放電
串聯(lián)工作整組放電時,以總電壓1.8 V*24=43.2 V 作為終止電壓值放電時,如圖3所見,綠色部分多節(jié)電池未能充分放電,電壓還在1.8 V 以上,而紅色部分多節(jié)電池已經(jīng)低于1.8 V,導(dǎo)致過放,這種放電不均衡的現(xiàn)象也會直接導(dǎo)致電池的硫化故障,大大減少單體蓄電池容量和壽命。
圖3 設(shè)計電路示意圖
鑒于上述兩種充放電不均衡現(xiàn)象,需要對蓄電池充放電電壓實時監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)并自動調(diào)節(jié)。而現(xiàn)階段的UPS 并不具備自動均衡功能,需要打到預(yù)警值后,由維護(hù)人員切除再排查,此時蓄電池因故障時間過久已造成活化能力衰減。為此,筆者從理論上設(shè)計了一種具有蓄電池單體均衡功能的蓄電池狀態(tài)巡檢儀,為每一個蓄電池單體密封壓力(F1-Q)傳感器,精確反饋蓄電池內(nèi)部壓力變化情況,防止蓄電池的過充,再通過外接均衡決策模塊收集壓力傳感器反饋的信號來實現(xiàn)蓄電池主動均衡。
本電路由串聯(lián)電池組(B1-BQ)、電阻(F1-FQ)、開關(guān)MOS管(Q1-QQ)、直流充電單元1、被動均衡單元2、主動均衡單元3、電壓檢測電路4、驅(qū)動電路5和均衡決策模塊6組成。
采用電池內(nèi)阻分流方案,同時將蓄電池組B1-BQ 內(nèi)的每個單體并聯(lián)接入巡檢儀,在充電過程中,若發(fā)現(xiàn)其中一個電池出現(xiàn)過充現(xiàn)象,通過開關(guān)MOS 管切斷輸出回路及時調(diào)整充電為對其他電池放電,若發(fā)現(xiàn)其中一個電池出現(xiàn)過放現(xiàn)象,通過開關(guān)MOS 管切斷輸入回路及時調(diào)整放電為其他電池對其充電,從而實現(xiàn)主動充放電均衡。
另外,通過UPS 網(wǎng)管系統(tǒng)與主控智能監(jiān)測管理平臺相連,并將本系統(tǒng)經(jīng)選擇的各種狀態(tài)信息通過標(biāo)準(zhǔn)的10/100 Mb/s 以太網(wǎng)接口應(yīng)用RJ-45連接器輸出到智能監(jiān)測管理平臺上,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。
此方案設(shè)計可以緩解多個蓄電池內(nèi)阻、容量不同的蓄電池共同使用的難題,大大增加蓄電池組的使用壽命,減少運(yùn)營維保部門的維護(hù)檢修工作量。但此設(shè)計方案為理論設(shè)想,有待于在實踐應(yīng)用中檢驗,且當(dāng)前設(shè)計為考慮到UPS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性,獨(dú)立設(shè)置均衡測控模塊,也增加了機(jī)房使用空間。在后續(xù)應(yīng)用環(huán)境中,如運(yùn)行穩(wěn)定可考慮把此模塊集成在UPS 中,通過UPS 并機(jī)卡實現(xiàn)蓄電池組#1、蓄電池組#2之間進(jìn)行能量均衡,以達(dá)到2組蓄電池組各單體始終處于最佳浮充和放電狀態(tài),實現(xiàn)蓄電池組相互冗余,大大增強(qiáng)蓄電池使用壽命,最終實現(xiàn)減少蓄電池配置,減少投資的目的。