蓄电池组容量预测

 

转载：http://jwc.zptc.cn/jpkc/txdy/dzja/12.htm

12.6　蓄电池组的测量

在通信电源系统中，蓄电 池组是直流供电系统的重要组成部分。一旦交流供电中断或开关电源设备出现故障时，就必须依靠蓄电池组向直流用电设备提供电能，保证直流用电设备的不间断供 电，从而保证通信网络的正常运行。在交流正常供电时，蓄电池组通过开关电源充电（均充或浮充）来储备电能。此外，蓄电池组与整流模块并联运行可以起到平滑 滤波的作用，能降低直流系统的杂音电压，改善整流器的供电质量。
目前通信企业使用的蓄电池组根据结构原理可以分成防酸隔爆型和阀控密封型。由于防酸隔爆型蓄电池组体积大、对环境污染严重以及维护工作量大等原因而逐渐被 阀控密封型蓄电池组取代。从单体电压上来看，主要有2V、6V、12V三种。2V蓄电池主要用于　48V或24V直流系统，6V与12V蓄电池主要用作 UPS的后备电池。本节主要介绍2V阀控密封型蓄电池的有关测量要求。

12.6.1　蓄电池组常规技术指标的测量

1．电池外观的检查

用目测法检查蓄电池的外观有无漏液、变形、裂纹、污迹、极柱和连接条有无腐蚀及螺母是否松动等现象。

2．电池端电压及偏差

电池端电压的均匀性，可 以反映出电池组内电池的质量差异，特别是对已经投入运行一段时间的蓄电池其判断效果更为准确。新电池在投入使用时一般其端电压会有较大的偏差，造成端电压 偏差的因素很多，如内部结构、生产工艺及出厂充电效果等。新电池投入使用一段时间，甚至需要几个回合的充放电过程才能使端电压趋于均衡。电池端电压的均匀 性有两个指标，一个为静态，另一个为动态，使用中（平时处于浮充状态）的电池端压一般作动态指标。
根据信息产业部发布的《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》的相关要求，若干个单体电池组成的一组蓄电池，经过浮充、均充电工作三个月后各单体电池开路电压最高 与最低的差值应不大于20mV（2V电池）、50mV（6V电池）、100mV（12V电池）。蓄电池处于浮充状态时，各单体电池电压之差应不大于 90mV（2V电池）、240mV（6V电池）、480mV（12V电池）。
电池端电压的均匀性的判断也可以参照以下标准：电池组在浮充状态下，测量各单体电池的端电压，求得一组电池的平均值，则每只电池的端电压与平均值之差应小于50mV。
端电压的测量应该从单体电池极柱的根部用四位半数字电压表测量端电压。对于有些蓄电池厂家产生的密封阀控电池，在平时浮充使用时电压表表棒无法接触极柱根 部来测量其端电压，只能在极柱的螺钉上测量，这将会带来测量误差，在测量时需要考虑电池的充电电流，如果浮充电流很小，则测量误差可以忽略。
【例12-2】有4个电池，其端电压分别为2.17V、2.18V、2.16V、2.25V，其平均电压为
(2.17+2.18+2.16+2.25)÷4=2.19V
其最大偏差值为2.25　2.19=60mV >50mV（不合格）。
但若以每个电池间的最大差值≤90 mV为标准时，则2.25　2.16=90mV就为合格值。这表示以平均电压±50mV为高标准。

3．标示电池

一组蓄电池容量的多少，决定于整组电池中容量最小的一只单体电池，也就是以电池组中最先到达放电终止电压的那只电池为基准。因此，对电池组容量的检测总是着重对电池组中容量最小的电池进行监测。这些有代表性的单体电池被称之为标示电池。
标示电池的选定应在电池放电的终了时刻查找单体端电压最低的电池一至二只为代表，但标示电池不一定是固定不变的，相隔一定时间后应重新确认。如果端电压在 连续三次放电循环中测试均是最低的，就可判为该组中的落后电池。电池组中有明显落后的单体电池时应对电池组进行均衡充电。
当电池组处于浮充状态时，标示电池电压在整组电池中不一定是最低的，甚至是最高的。也就是说，端电压最低的电池其容量不一定是最小的，如果一只电池端电压 超出平均电压很多，如达到2.5V以上时，很可能该电池已经失水过多，电解液浓度过高，该电池的容量往往不足。

4．电池极柱压降

（1）极柱压降的产生及影响
蓄电池组由多只单体电池串联组成，电池间的连接条和极柱的连接处均有接触电阻存在。由于接触电阻的存在，在电池充电和放电过程中连接条上将会产生压降，该 压降我们称之为极柱压降。接触电阻越大，充放电时产生的压降越大，结果造成受电端电压下降而影响通信，其次造成连接条发热，产生能耗。严重时甚至使连接条 发红，电池壳体熔化等严重的安全隐患。因此，需要在电池安装完成以及平时维护中对电池组的极柱压降进行定期的测量。
根据信息产业部发布的《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》的相关要求，蓄电池按1h率电流放电时，整组电池每个极柱压降都应小于10mV。在实际直流系统中， 如果蓄电池的放电电流不满足1h率时，必须将测得的极柱压降折算成1h率的极柱压降，然后再与指标要求进行比较。
极柱压降过大，可能是由于极柱连接螺丝松动，或者连接条截面过小所至，当极柱压降不能满足要求时，需根据实际情况进行调整，或拧紧电池连接条。
（2）极柱压降的测量
极柱压降的测量需要直流钳形表、四位半数字万用表，极柱压降必须在相邻两只电池极柱的根部测量。具体测量步骤如下：
① 调低整流器输出电压或关掉整流器交流输入，使电池向负载放电。（使得流过极柱之间的电流较大且稳定，便于测量的准确性。）

② 过几分钟，待电池端电压稳定后测得放电电流及每两只电池间的极柱压降，如图12-6所示。

③ 由将测得的极柱压降折算成1h率的极柱压降，然后再与指标要求进行比较。
【例12-3】有一组48V/500AH的电池组，在对实际负载放电时的电流为125A时，测量每两只电池根部间的连接压降，其最大的一组为4.8mV。试分析极柱压降是否满足要求？
我们知道1h率放电电流I1=5.5×I10=5.5×50=275(A)，则1h率放电时的极柱压降为：

因为DU=10.6mV>10mV，所以极柱压降不合格。

5．电池室环境对电池的影响

由于蓄电池充放电过程实际是电化学反应的过程，周围环境的温度对其影响非常明显。不同的温度情况下它的内阻及端电压将发生变化，在相同浮充电压情况下它的浮充电流不同。
例如：一组电池浮充电压均为2.25V。
环境温度为20～22℃时，浮充电流约34mA/100Ah
环境温度为34～36℃时，浮充电流约105mA/100Ah
环境温度为40～45℃时，浮充电流约300mA/100Ah
即温度越高，浮充电流越大。电池室温度一般要求控制在25℃，浮充电压为2.25V，浮充电流在45mA/100Ah左右，为了能控制这一电流值，在不同 温度时开关电源应能自动调整浮充电压，即要求开关电源具有输出电压的自动温度补偿功能。环境温度每升高1℃，每只单体浮充电压降低3mV，反之则亦然。需 要指出的是，电池浮充电压温度补偿范围一般限制在　　　 3℃～38℃之间。超出这一范围时，浮充电压不再继续升高或降低。
另外，由于阀控电池的排气阀的打开与关闭决定于电池壳体内外的气压差。如果电池所使用的地区气压较低，则充电时容易造成电池排气阀在电池内部压力相对较低 时便自动打开，从而引起电池失水，容量下降。因此，当使用地区气压较低时，蓄电池组应降低容量来使用。

12.6.2　 蓄电池组容量的测量

蓄电池组所有的技术指标 中，最根本的指标为电池容量。对常规指标的测量其最终目的是为了直接或间接地监测电池容量、维持电池容量。电池维护规程中规定，如果电池容量小于额定容量 的80％时，该电池可以申请报废。否则当电池容量不足，且维护人员对该电池的性能没有明确了解时，一旦交流停电就很容易造成通信网络供电中断事故。
电池容量的测试，对于防酸隔爆型电池可通过观察电池极板，测量电解液比重和液位的高低来估计电池容量的多少；对于密封阀控电池，除了测量电池端电压外，目 前只能通过放电才能知道它的容量大小。虽然有厂家推荐用电导仪测量电导来推算电池容量，但发现误差大并且不稳定，在此不作推荐。
电池容量的检测方式根据电池是否与直流系统脱离可以分成离线式和在线式。根据放电时放出容量的多少，可以分成全放电法、核对性容量试验法和单个电池（标示 电池）核对性容量试验法。根据直流供电的实际情况两者可以灵活组合，得到离线式全容量测试、离线式核对性容量测试、在线式全容量测试以及在线式核对性容量 测试等方法。
蓄电池组容量的测量最常用的工具仪表是直流钳形表、四位半数字万用表和恒流放电负载箱、计时器和温度计等。仪表精度应不低于0.5级。如果进行标示电池核 对性容量试验，则需要单体电池充电器。最近几年推出的蓄电池容量测试仪配置有测试所需的整套装备，包括负载箱、电流钳、单体电压采集器、容量测试监测仪以 及相应的电池容量分析软件。蓄电池容量测试仪可以保证电池恒流放电，同时可以通过设定放电时间、电池组总电压下限、单体电压下限和放电总容量等参数来保证 电池放电的安全性。配合容量分析软件，可以提供放电时各单体电池的电压特性比较曲线、放电电流曲线、总电压曲线、单体与平均电压曲线和单体电池容量预估图 等。尽管进行核对性容量试验时，蓄电池容量测试仪最后提供的单体电池容量分析结果并非十分精确，但该仪器对电池容量的测试可以提供极大的便利和帮助。

1．离线式全容量测试

离线式全容量测试一般适用于新安装的电池，并且直流系统尚未带载重的设备，即使交流停电，也不会对网络造成严重影响。全容量放电试验是最准确的一种测试方法。需要进行全容量放电试验时，应该事先根据电池厂家的要求，对电池进行必要的均充或一定时间的浮充。
具体的测量步骤如下：
（1）将充满的蓄电池组脱离供电系统并静置10h～24h。
（2）开始放电前检查开关电源、交流供电和柴油发电机组是否正常。
（3）测量蓄电池组的总电压和单体电池电压、周围环境温度，接好负载箱。如果采用蓄电池容量测试仪进行电池容量测量，则正确连接容量测试仪，设置各项放电控制参数。
（4）打开负载，让蓄电池开始放电，记录放电开始时间。放电时尽量控制放电电流保持平稳。
（5）放电期间应持续测量蓄电池组的总电压、各单体电压和放电电流，测量时间间隔为：10h率放电每隔1h记录一次，3h率放电每隔0.5h记录一次，1h率放电每隔10min记录一次。
（6）采用电池容量测试仪进行测量时，容量测试仪能够自动记录放电时间、放电电流和电池电压等参数。此时操作人员需要用钳形表与万用表测量放电电流和电池电压，并与容量测试仪进行比较，以判断容量测试仪的测量精度。
（7）通过多次测量，找出电压最低的两只电池作为标示电池。标示电池应作为重点观察对象。
（8）放电接近末期时要随时测量电池组的总电压和单体电压，特别是标示电池的端电压。一旦有电池端电压达到放电终止电压，则立即切断电源，记录放电终止时间。（放电终止电压的确定参见表12-7。）
（9）放电结束后，蓄电池静止20分钟后，电池电压一般可以回升到48V以上。
（10）调整直流系统输出电压，使直流系统与蓄电池组电压偏差在1V以内，将该组电池重新接入直流系统。
（11）根据电池要求，正确设置开关电源参数，对电池组进行均充。待电池充电完成后再进行第二组电池容量的测试。
（12）根据测量数据进行电池容量的核算。
如果放电电流较为平稳，则放电电流乘以放电时间即为蓄电池组的实测总容量。
Cr=I×t
其中：Cr—蓄电池测试容量，单位为安时（AH）；
I—蓄电池放电电流，单位为安培（A）；
t—蓄电池总放电时间，为结束时间减去开始时间，单位为小时（H）。
如果每次测量时放量电流有较大波动，为减少电池容量的计算误差，应改用下式计算电池的实测容量：

其中：Cr—蓄电池测试容量，单位为安时（AH）；
In—各次测量得到的蓄电池放电电流，单位为安培（A）；
tn—测量时间间隔，单位为小时（H）。
最后根据蓄电池放电率及放电时的环境温度，将实测容量按下式换算成25℃时的容量：

式中：t—放电时的环境温度；
K—温度系数；
10h率放电时K=0.006/℃
3h率放电时K=0.008/℃
1h率放电时K=0.01/℃
h—蓄电池有效放电容量（见表12-7）；
Cr —试验温度下的电池实测容量；
Ce—电池组额定容量。
【例12-4】一电池组额定容量为500AH，按全放电法测电池容量，测得实际放电时电流为73A，此时电池室温度为20℃，当放电5小时55分钟时，测 得一组电池中最低一只电池（标示电池）端电压为1.8V，立即停止放电，恢复整流器供电，并核算该电池组的容量。
实际放电容量：
Cr=I×t=73×(5+55/60)=432(AH)
查表可得电池组进行的是6小时率的放电，有效放电容量h=87.6％，环境温度为20℃。

因为514AH> (500AH×80％)，所以该组电池的容量合格。
注意事项：
蓄电池组进行离线式全容量测试准确性较高，但是安全性较差。在线式电池容量放电试验，虽然安全性较高，但是在多组电池同时进行放电时，如果各组电池的性能 差异较大，则相互间放电电流会有较大的差别。对于性能较差的一组电池，其放电电流小于其他电池组。又由于各组电池并联工作，相互间总电压相同，因此该电池 组虽然性能较差，但是单体电池电压的变化相对而言比较均匀，这造成了落后电池不容易被发现。当然最后可以通过各组电池的放电电流大小以及实际放出的容量来 判断该组电池的性能好坏，只是可能会出现较大的误差。
如果为了准确找出标示电池并测量电池组容量，对在线使用的蓄电池组进行离线式容量测量时，以下几点需要引起高度重视。
（1）如果只有一组蓄电池，在离线测量时一旦交流供电中断，会立即造成通信设备停电事故。因此这种情况下只能采用在线式核对性容量试验，不允许进行离线测试。
（2）如果有两组以上蓄电池并联工作时，可以将其中一组蓄电池脱离直流系统进行容量测试，其余电池仍然在线工作。这样即使交流停电，可以由在线工作的蓄电 池来保证通信设备的供电，以免网络瘫痪。但在蓄电池组数较少，特别是一共只有两组蓄电池时，下面几点仍然值得注意：
① 一旦交流停电，此时负载电流将全部由其余的在线蓄电池组承担，因此进行离线测量时必须首先测量负载电流，并判断各电池组连接电缆、熔丝能否承受该负载电流，能承受多长时间，该时间段内油机能否成功启动等。
② 进行1/3容量核对性试验，放电结束电池终止电压可以达到48V（单体电压为2.0V）,停止放电后将该电池组放置一段时间，总电压可以上升到50V。待电池电压稳定后，通过调低整流器输出电压与电池电压偏差小于1V时才将该电池重新投入直流系统。

2．核对性容量试验

在 实际操作中，对于性能比较接近的电池组一般采用在线式核对性容量测试。核对性容量试验通常按3h率的放电电流进行1小时放电，即放出电池总容量的三分之一 左右。电池放电结束时，将各单体电池端电压与厂家给出的3h率标准放电曲线（或电池端电压参数表）进行对比，若曲线下降斜度与原始曲线基本接近，说明该电 池的容量基本不变，如果电池放电曲线斜率明显比标准曲线陡，即放电终止时电池端电压明显低于标准参数，则说明电池容量变化明显。但整组电池的实际容量只能 靠维护人员的维护经验进行估测，或通过蓄电池容量测试仪进行估测，误差相对较大。
由于核对性容量测试只放出部分容量（一般为30％～40％），即使放电结束时交流停电，电池组仍然有60％以上的容量可供放电，因此较为安全。核对性容量 试验要求对电池进行大电流（5h率以上）放电，不然电压变化缓慢，不易分辨，并要求有原始的放电电压变化曲线才能对容量进行核对。
测量方法与步骤：
（1）检查市电、油机和整流器是否安全、可靠。记录电池室温度。
（2）检查当前直流负载电流，如果负载电流过小，则接上直流负载箱并进行相应的设定，使总放电电流超过5h率放电电流的要求。
（3）调低整流器输出电压为46V，由电池组单独放电。记录放电开始时间。
（4）测量电池放电电流，核算放电电流倍数。
（5）测各电池端电压，经过数次测量找出标示电池。
（6）当放电容量已达电池额定容量的30％～40％，或者整组电池中有一只电池（标示电池）端电压到达三分之一放电容量的电压值时，停止放电，恢复整流器供电并对电池组进行均充。记录放电终止时间。
（7）绘出放电电压曲线，与标准曲线进行比较，估算容量。
蓄电池组容量的估算非常复杂，影响电池容量估算的因素很多，很难做到准确估算。进行放电容量试验时，简单的容量估算可以按照以下方式进行：首先根据放电电流和表12-7的参数，估算放电小时率h，如果放电电流与12-7表中提供的数据不能准确对应，则在相邻的放电率参数间进行适当的调整。如放电电流为2.3I10时，可以取放电率h为3.5。其次是根据电池放电的终止电压，核查该电压在厂家提供的放电曲线中的放电时间t0（单位为小时）。
Cg=Cr×h÷t0÷h
式中：Cg —电池组估测容量；
Cr —电池组至放电结束时的实测容量；
h —电池放电小时率。如果放电电流不是标准的放电率，则按比例在相邻的放电率间调整，见表12-7；
h—该放电率下电池的有效放电容量，见表12-7。
如果放电试验时环境温度不为25℃，则还要进行电池容量的折算，方法前面已述。
【例12-5】某组电池额定容量为1 000AH，原始3小时率放电电压变化曲线（室温25℃）如图12-7所示。现作核对性部分容量（30％）放电试验。实际放电电流250A，放电时室内温 为27℃。当放电48分钟时，标示电池电压值为2.000V，停止放电恢复整流器供电，分析放电特性。

图12-7　 电池3小时率放电原始曲线

根据原始放电曲线，进行3小时率放电，放电1小时端电压应该为2.000V，250A的放电电流刚好为3小时率放电。现在放电时间为48分钟最低端电压即达到2.000V，因此可得：h=3，t0=1小时，h=75％（查表12-7），



通过估算公式，该电池组容量C10约为787AH，根据信息产业部规定，电池容量低于额定容量的80％时可以报废，所以该电池已经报废。

3．标示电池核对性容量试验

最安全的电池容量测试方法是单个电池（标示电池）的放电检测，因为一组电池的容量大小决定于整组中容量最小的那只电池，即标示电池的容量。因此，可以通过对标示电池单独进行容量检测来判断整组电池的容量。具体的测试可以用全容量试验或核对性容量试验。
由于测试是对单个电池进行放电，放电时，标示电池的端电压将从浮充时的2.25V降低到放电结束时的2.00V，即降低250mV，而整个直流系统浮充电 压不变，因此其他浮充电池的平均端电压约上升10mV/只，但浮充电流的变化只是mA/AH级，测试误差可忽略不计。而在标示电池充电时，其他电池的平均 端电压约降低10mV/只，也不会影响　48V的供电系统。需要说明的是，电池放电接近结束时如果交流供电中断，则电池组向负载供电的过程中可能造成标示 电池过放电，从而造成该电池出现反极现象。
测量方法与步骤如下：
（1）检查市电、油机、整流器，保证交流供电安全、可靠。
（2）将单体电池负载箱接入标示电池两端，进行恒流定时放电。记录放电开始时间、放电电流及标示电池电压。
（3）待放电至规定端电压时，停止放电。用单体电池充电器对标示电池充电。
（4）分析所测数据与原始值比较，方法同核对性容量试验。
电池放电率与放电容量如表12-7所示，环境温度对电池放电容量的影响如表12-8所示，各品牌电池工作参数如表12-9所示。
表12-7　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电池放电率与放电容量

放　 电　 率	电池有效放电容量（h=％）		放 电 电 流	终止电压（V）
	防　 酸　 式	阀　 控　 式
1	51.4	55.0	5.140 I10	1.75
2	61.1	61.0	3.055 I10	1.80
3	75.0	75.0	2.500 I10	1.80
4	80.0	79.0	2.000 I10	1.80
5	83.3	83.3	1.660 I10	1.80
6	87.6	87.6	1.460 I10	1.80
7	91.7	91.7	1.310 I10	1.80
8	94.4	94.4	1.180 I10	1.80（1.84）
9	97.4	97.4	1.080 I10	1.80（1.84）
10	100	100	1.000 I10	1.80（1.85）
20	110	110	0.550 I10	1.80（1.86）

　　 注：（）中的电压为第6次循环后至电池保证寿命中期进行容量测试时应达到的终止电压。

表12-8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 环境温度对电池放电容量的影响

温度（℃）	40	30	20	10	0	10	20	30	40	50
电池有效容量（％）	12	28	43	57	72	85	96	103	105	105

表12-9　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 各品牌电池工作参数

参　数	规 范　 值	GNB	南　　　 都	华　　　 达	双　　　 登	灯　　　 塔	光　　　 宇
浮充电压	2.23V～2.28V	2.25V/节（54）	2.23V/节（53.5）	2.25V/节（54）	2.25V/节（54）	2.25V±1％	2.25V/节
均充电压	2.30V～2.35V	2.35V（56.4）	2.35V/节（56.4）	2.35V/节（56.4）	2.35V/节（56.4）	2.35V/节	不需要
充电限流	0.1C10	0.1C10	0.1C10	0.125～0.2C10	0.15C10	0.1C10	0.1～0.2C10
高压告 警值	2.38/cell	2.38V/cell	2.38V/cell	2.38V/cell	2.38V/cell	2.38V/cell

续表

参　　　 数	规　 范　 值	GNB	南　　　 都	华　　　 达	双　　　 登	灯　　　 塔	光　　　 宇
低压告 警值	45V，高于LVDS脱离电压	45.6V	46V	45.6V	46V	45V
电池温度补偿系数	3 mV/cell	5.5mV/cell	3mV/cell	3mV/cell	3mV/cell	4mV/cell	3mV/cell
电池温度过高	35℃	35℃	35℃	35℃	35℃	35℃
LVDS脱离电压	44V/22V综合放电率	44V 1.83V/节	44V 1.83V/节	44V 1.83V/节	44.5V 1.85V/节	44V 1.83V/节
LVDS复位电压	47V/23.8V考虑回路压降	47V/23.8V 1.95V/节	47V/23.8V 1.95V/节	47V/23.8V 1.95V/节	48V	47V/23.8V 1.95V/节
均充 周期	720H	1年	90天	基站半年 交换1年	基站2个月 机房6个月	90天
周期均 充时间	1～10H	2.35V/12H	10H	12H	0.15C10/10H	10H
复电均充起始条件（容量）	放出20％以上容量	一般设：20％ 停电频繁设：0％	20％	5％	0％	20％
停电均充时间	1～10H	12H	10H	12H	15H	10H
均充转浮充条件	50mA/AH	50mA/AH	100mA/AH	30mA/AH	50mA/AH	50mA/AH
继续均充时间	3H	3H	3H	3H	3H	3H
退出均充条件	5mA/AH	10mA/AH	5mA/AH	10mA/AH	5mA/AH	5mA/AH
充电容量倍数	≥120％	120％	120％	100％	120％	120％
环境温度（℃）	25	25	25	25	25	20	25
电池连接	先串后并	先串后并
电池报废指标	小于额定容量的80％	小于额定容量的80％
电池端电压差（回路/开路）	50mV/20mV	10mV/5mV	50mV/20mV	50mV/20mV	50mV/20mV	50mV/20mV

　　　 注：1．以上各参数除灯塔中心温度为20℃，其余各电池厂家中心温度均为25℃。
2．设备开通时应以电池端电压为标准浮充电压，即开关电源设置浮充电压后再加上线路压降。
3．温度补偿探头放在通风最差，环境最恶劣的部位。