高新紅 賀躍通

（1.中國電信股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471300；2.河南《創(chuàng)新科技》雜志社，河南 鄭州 450003）

一例開關(guān)電源電池管理功能失效故障分析

高新紅1賀躍通2

（1.中國電信股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471300；2.河南《創(chuàng)新科技》雜志社，河南 鄭州 450003）

目前，通信開關(guān)電源監(jiān)控單元對蓄電池的充放電管理功能已經(jīng)比較完善，但前提是蓄電池的連接關(guān)系、參數(shù)設(shè)置要滿足監(jiān)控單元對蓄電池自動管理的要求，需充分了解監(jiān)控單元控制電池充、放電過程的原理。基于此，本文通過對一例因蓄電池與開關(guān)電源的連接關(guān)系問題導(dǎo)致監(jiān)控單元電池管理功能紊亂的案例進行分析，強調(diào)電池電纜正確接入電源系統(tǒng)的重要性。

通信電源；電池管理；充電；放電；監(jiān)控單元

1 通信開關(guān)電源對電池管理的原理

現(xiàn)代通信電源對電池充放電管理的過程主要包括充電過程限流、放電過程監(jiān)測、電池充放電容量計算、均充管理等。

首先，蓄電池的初始容量、放電限流值等參數(shù)由蓄電池廠家確定，并在開關(guān)電源調(diào)試時設(shè)置于監(jiān)控單元中。電池的充放電狀態(tài)由電池分流器上的檢測線得到，通過檢測線傳送到監(jiān)控單元的信號為毫伏級的電壓信號，電壓信號由電池電流在分流器上產(chǎn)生的壓降產(chǎn)生（如用霍爾元件做傳感器原理也基本類似），電壓值的大小表征了電流的大小，電壓的方向表征了電流的方向，監(jiān)控單元根據(jù)這個電壓信號來判斷電池處的充放電狀態(tài)和電流的大?。?］。如果電壓信號方向翻轉(zhuǎn)，則監(jiān)控單元認(rèn)為電池的充放電狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，即由充電狀態(tài)變成放電狀態(tài)（或反之），充電或放電的容量（安時數(shù)）也由電流和時間積分得到。

然后，如果監(jiān)控單元判斷電池處于充電狀態(tài)，且電流值大于設(shè)定的限流值時，監(jiān)控單元通過通訊線控制所有整流模塊降低輸出電壓，從而減小充電電流，通過閉環(huán)的反饋、調(diào)節(jié)過程，最終使充電電流穩(wěn)定于事先設(shè)定的充電限流值，隨著電池容量的增加，充電電流減小，監(jiān)控單元會逐漸提高整流模塊的輸出電壓以保持電流不變，直到輸出電壓達到設(shè)定的電池浮充電壓或均充電壓，這就是恒流限壓過程［2］。整個過程中監(jiān)控單元計算充入電池的電量并顯示在系統(tǒng)信息中。

再者，放電電流由負(fù)載大小確定，監(jiān)控單元只監(jiān)測放電電流的大小，計算電池放出的電量。如果監(jiān)控單元計算電池的剩余容量小于設(shè)定值（如電池初始容量的75%），則在下次充電過程中監(jiān)控單元會控制系統(tǒng)進入自動均充狀態(tài)，執(zhí)行對蓄電池的均衡充電。

最后，周期性均充管理。如果市電質(zhì)量非常穩(wěn)定，長時間沒有停電，浮充狀態(tài)會一直持續(xù)，當(dāng)持續(xù)浮充超過一定時間（一般60d左右），監(jiān)控單元會自動啟動均充程序，提高整流模塊輸出電壓到均充電壓值，對電池進行均充，以活化電池，當(dāng)均充時間達到設(shè)定值（如12h）或充電電流持續(xù)處于較小值時，在監(jiān)控單元的作用下系統(tǒng)再次轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，以防止電池過充損壞，進入正常的浮充狀態(tài)。如此反復(fù)［3］。

2 案例故障介紹

某通信機樓一套艾默生NetSure開關(guān)電源系統(tǒng)，整流柜、直流柜各2架，2架整流柜在右，2架直流柜在左，2個整流柜分別配置100A整流模塊10、8個，負(fù)載電流980A，后備電池為4組1 500Ah兩兩并聯(lián)后形成兩組3 000Ah接入系統(tǒng)。需特別指出的是，該系統(tǒng)的蓄電池與開關(guān)電源的連接關(guān)系（如圖1所示）：每組電池的正負(fù)極引出線均為4條240mm2電纜，2組電池的正極電纜共8條，均接到開關(guān)電源系統(tǒng)的正極母排上（因不影響后續(xù)的分析，圖中未畫出正極排），每組電池負(fù)極的4條電纜都分成2組，每組2條分別接入2臺直流配電柜的電池Ⅱ熔絲上端，從開關(guān)電源側(cè)來看是2組電池接入，但每個電池接入端子的4條電纜來自2組不同的電池組。環(huán)監(jiān)控后臺顯示開關(guān)電源有電池放電的二級告警，并時常出現(xiàn)電池處于均充狀態(tài)的三級告警?，F(xiàn)場查看，監(jiān)控單元顯示2組電池中一組處于充電狀態(tài)，另一組處于放電狀態(tài)，電流值基本相等，約為22A左右。查看歷史告警發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)幾乎每天都會啟動自動均充程序一次對電池進行均充充電，持續(xù)時間約為3h，并有電池容量低的告警。監(jiān)控單元在“浮充-電池組放電-電池組容量降低-自動均充-轉(zhuǎn)浮充-電池組放電……”各狀態(tài)之間反復(fù)。循環(huán)周期為1d左右，監(jiān)控單元顯示放電的電池組容量為700Ah左右。由于系統(tǒng)對電池頻繁均充，為保護電池，人為關(guān)閉了系統(tǒng)的自動均充功能。

圖1 電池組與開關(guān)電源連接關(guān)系示意圖

3 故障處理與分析

3.1 測量數(shù)據(jù)

3.1.1 測量浮充狀態(tài)下電池總電壓、單體電壓。對該開關(guān)電源系統(tǒng)的4組電池單體電壓進行測量，無論均充、浮充狀態(tài)，各單體電壓均在2.22～2.36V的正常范圍之內(nèi)。

3.1.2 測量浮充狀態(tài)下各組電池電流。用鉗表測量電池連接條中的電流，發(fā)現(xiàn)4組電池的電流幾乎都為0，與監(jiān)控單元顯示的充放電22A左右不符。

3.1.3 測量均充狀態(tài)下的電池電流。手動均充狀態(tài)測量電池連接條中電流，各組電流之和與監(jiān)控單元顯示的充電電流大小基本一致。對電池出線電纜進行整體測量，結(jié)果與監(jiān)控單元顯示的充電電流基本一致。

3.1.4 測量放電狀態(tài)下電池電流。降低開關(guān)電源輸出電壓進行電池放電試驗，放電過程中測量兩組電池的總電壓、單體電壓、電流，發(fā)現(xiàn)2組電池放電電流總和與監(jiān)控單元顯示的放電電流基本一致，且基本均衡，單體電壓均衡性也不錯，沒有太大偏差，說明兩組電池的性能也沒有問題，與監(jiān)控單元顯示的一組電池容量嚴(yán)重偏小不符。

3.1.5 替換監(jiān)控單元。替換新的監(jiān)控單元，并將原設(shè)置參數(shù)復(fù)制過來，試運行幾天，沒有任何改觀，所有現(xiàn)象依舊，排除了監(jiān)控單元故障的可能。

3.2 故障分析

根據(jù)上述測量結(jié)果，浮充、均充、放電各狀態(tài)下各項數(shù)據(jù)基本正常，可判斷電池性能沒有問題，監(jiān)控單元沒有問題。頻繁均充、電池容量低告警、同一時刻一組電池充電而另一組電池放電等現(xiàn)象應(yīng)為監(jiān)控單元的誤動作。結(jié)合監(jiān)控單元對電池的管理機制，之所以監(jiān)控單元會有誤動作，應(yīng)該是監(jiān)控單元接收到了錯誤的信息造成誤判所致。

前文所述，監(jiān)控單元對蓄電池充電、放電狀態(tài)的判定是根據(jù)從分流器傳回的信號電壓的極性來判定的，2組電池充放電狀態(tài)相反，按照這種檢測邏輯反推，兩分流器檢測線的電壓極性應(yīng)相反，進而推斷2個電池接入端子中的電流方向是相反的。用萬用表毫伏檔對分流器兩端電壓進行測量，并用鉗表測量浮充狀態(tài)下2組電池熔絲中的電流，猜想得到驗證：2個分流器中的電流方向相反，進而在電池側(cè)對來自不同的電池熔絲的2條電纜進行電流測量，過程中特別注意了2對電纜中的電流方向，發(fā)現(xiàn)電流確實為22A左右，但方向相反，測量出的電流方向如圖2所示：每組電池負(fù)極排上的4條電纜中，去往不同直流柜上的2條電流大小相等、方向相反（為使后續(xù)描述更直觀，電流方向做了反向處理，實際方向與示意圖中相反，下同）。

為什么會出現(xiàn)這種情況？對電池組與開關(guān)電源的連接關(guān)系圖進行分析，這種連接關(guān)系下，浮充狀態(tài)時，電池電壓與系統(tǒng)輸出電壓相等，充電電流為0，原連接關(guān)系示意圖可等效轉(zhuǎn)化為圖3中右圖的效果，因2個電池組的負(fù)極排和系統(tǒng)母排電壓相等，從效果上看，可視為電池不存在，但由于電池接線端子上的4條240mm2電纜從一個電池端子出發(fā)，經(jīng)電池負(fù)極銅排連接后回到另一個電池接入端子，相當(dāng)于在2個電池接入端子間并接了一條近1 000mm2的導(dǎo)體和母排并聯(lián)，形成了一條旁路通路。從圖2可以更清晰地看出，負(fù)載電流的一部分會從這條通路經(jīng)過，在1-Ⅱ上形成流出電流，在2-Ⅱ上形成流入電流，之所以只有22A左右而不是均分總負(fù)載電流，是因為這個旁路通路中串聯(lián)的2個電池分流器的電阻相比母排的電阻

來說要大很多，根據(jù)并聯(lián)電路的特點，這條并聯(lián)通路中的電流自然會比較?。傠娏鳛?80A，占比不到3%）。

圖2 浮充狀態(tài)下的負(fù)載電流流行示意圖

圖3 系統(tǒng)連接關(guān)系等效圖

3.3 故障處理

根據(jù)上述測量和分析，2個直流柜的電池接入端子中電流大小相等方向相反，監(jiān)控單元據(jù)此判定一組電池在充電，另一組電池在放電，從而引發(fā)后續(xù)一系列的奇怪現(xiàn)象。找到問題根源后，對電池連接線進行改接，改接后的連接關(guān)系示意圖如圖4所示，改接后一系列的告警沒再出現(xiàn)，印證的上述分析是正確的。

除了上述因連接關(guān)系造成的電池管理功能失常外，這個系統(tǒng)的電池連接還有一點問題。艾默生電源的直流配電柜中，2組電池的分配關(guān)系為左1右2，直流柜上只接入一組電池時系統(tǒng)默認(rèn)接入電池組1熔絲，監(jiān)控單元設(shè)置電池組為1，此時系統(tǒng)會忽略電池組2［4］。該系統(tǒng)中每個直流柜只接一組電池，但都接在電池組2的接入端子上，為使系統(tǒng)實現(xiàn)自動管理電池，每個直流柜的電池組數(shù)不得不設(shè)置為2（每個直流柜單獨設(shè)置，這樣總電池組數(shù)為4），但2個直流柜的電池組1上是不接電池的，監(jiān)控單元監(jiān)測到的這兩個電池組的充放電流始終為0，這也給系統(tǒng)的電池管理功能帶來一定的影響，所以改接后電池線都接到了2個直流柜的電池組1上。

圖4 改接后的電池組與開關(guān)電源連接關(guān)系示意圖

4 結(jié)論

這是一個因電池線連接不當(dāng)引起的電池管理混亂的典型案例。通信電源電池的均充過程是對電池化學(xué)特性的活化過程，適當(dāng)?shù)囟ㄆ诰鋵μ岣唠姵貕勖幸欢◣椭l繁均充會造成電池不正常排氣、失水加快，甚至熱失控而損壞，反而會縮短蓄電池的使用壽命。

通過對本案例的分析得出，無論在新建工程還是電池更換工程中，要注意蓄電池組的接入一定要根據(jù)開關(guān)電源的要求正確連接，基本要求是：電池組與開關(guān)電源上蓄電池接入端子是一對一或多對一的關(guān)系，多對一時的多組電池是并聯(lián)關(guān)系，多組電池中各組的品牌、容量、新舊程度需相同，各個電池接入端子下連接的電池組情況需保持一致，監(jiān)控單元中的參數(shù)設(shè)置要根據(jù)電源廠家要求和現(xiàn)場實際配置情況正確設(shè)置。一對多（一組電池去多個電池熔絲）的電池線連接方式，在負(fù)載電流比較小、電池連接線徑較小時，沒有明顯影響，但在負(fù)載電流大、線徑大時將會出現(xiàn)上述的旁路效果，導(dǎo)致監(jiān)控單元對電池檢測出現(xiàn)問題，進而電池管理失效，長時間運行對電池壽命會有較大影響。

［1］ 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.PS48400-2C/50智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)：E1-20020314-C-1.0［Z］.2002-03-14.

［2］ 上海中達斯米克電器電子股份有限公司.MCS-3000系列電源系統(tǒng)用戶指南［Z］.2002-10-30.

［3］ 華為技術(shù)有限公司.UPS5000-E-（360Kva-480kVA）V100R001系統(tǒng)介紹［Z］.2014-03-10.

［4］ 深圳市華為電氣技術(shù)有限公司編輯部.PS系列大容量智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)：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

高新紅（1971-），男，本科，工程師，研究方向：通信動力設(shè)備可靠性提高及節(jié)能優(yōu)化。