一、阀控密封式铅酸蓄电池
　　
　　阀控密封式铅酸蓄电池以其密封好、无泄露、无污染、放电性能高、维护量小等特点，俗称“免维护电池”，但并不是不需要维护，只是在运行中不需要添加蒸馏水和补酸。若不根据其工作特点进行科学有效的维护，很容易造成蓄电池寿命大幅度缩短，甚至导致通信故障。
　　
　　1.阀控密封式铅酸蓄电池工作原理
　　
　　1）放电过程：
　　
　　（1）负极变化：负极的铅与硫酸中的硫酸根离子结合，逐渐生成硫酸铅，并释放出电子，这些电子通过外部电路流向正极，形成电流。
　　
　　（2）正极变化：正极的二氧化铅与硫酸中的氢离子、硫酸根离子反应，也生成硫酸铅，同时消耗电子，并与水结合。
　　
　　（3）电解液变化：放电过程中，硫酸逐渐被消耗，电解液浓度降低，水含量增加。
　　
　　2）电池充电时：
　　
　　（1）负极再生：外部电流迫使电子反向流动，负极的硫酸铅被分解，重新生成海绵状铅，并释放硫酸根离子回到电解液。
　　
　　（2）正极再生：正极的硫酸铅被分解，重新生成二氧化铅，同时硫酸根离子和氢离子重新结合成硫酸。
　　
　　（3）电解液恢复：硫酸浓度回升，水含量减少，电解液恢复为强酸性状态。
　　
　　其电化学反应原理详见图1所示。
　　
　　2.阀控密封式铅酸蓄电池的结构和特点
　　
　　阀控式密封铅酸蓄电池的基本结构，是由正负极板、超细玻璃纤维隔板、电解液、安全阀、导电端子和壳盖壳体组成。正负极板是电化学反应的区域，板栅上敷涂铅膏经过固化、化成等工艺处理后形成，正极板有效成分为二氧化铅，负极板有效成分为海绵状铅。隔板为孔率在93%以上超细玻璃纤维隔板组成，安全阀是一种排气装置，释放多余的气体保持电池的气密性和液密性，并保持电池内部压力工作在最佳的安全范围内。电池端子与负载连接起到传导电流的作用，电池槽和外壳是由阻燃材料ABS或PP等树脂材料组成，详见图2所示。
　　
　　阀控式密封铅酸蓄电池电池充电过程中，负极反应近似为还原反应，所以负极称为阴极。阀控式密封铅酸蓄电池电池负极活性物质相对正极有盈余，超细隔板透气性好，能吸附全部电解液，使电解液在蓄电池内部无流动性，同时又有自动开、闭的安全阀。保证了正极产生的氧气，在蓄电池内部循环的方式被阴极吸收，即称为阴极吸附式原理。具有以下几个特点：电池在密封贫液状态下运行；不需补酸和添加蒸馏水，无需测量电解液比重，电池内部使用了不流动电解液；有效防止电解液分层，自放电率小；在标准温度下24小时自放电小于千分之1-3，能直放和卧放两个方向放置；并能与通信设备同室安装，采用陶瓷过滤器基本无酸雾逸出；不漏液、不腐蚀设备对环境污染小，但运行时对环境温度和均、浮充电压和充电电流要求较高，没有记忆效应；比能量较高具有大电流放电能力。
　　
　　3.阀控密封式铅酸蓄电池组的充、放电性能分析
　　
　　阀控密封式铅酸蓄电池组充电时，可分为浮充、均充方式。在电池组放电时间短为补偿电池内部自放电而产生的容量损失时，采用浮充方式充电。当电池组放电时间较长，蓄电池容量损失较大或同组电池中各单体电池端电压大于90mV时，应采用均充限流方式进行充电。同时由于环境温度的原因，若环境温度过高，造成蓄电池内阻的变化，则浮充电压提高，导致充电电流增大，充电电流过大，造成蓄电池失水过快，导致蓄电池容量下降，使蓄电池寿命的缩短，所以浮充电压必须随温度的变化进行相应补偿，标准温度为25度，一般温度每增加或减少1度，则浮充单体电压应减少或增加1—3mV。对于环境温度较好的机房，电池组温度补偿电压应设定每度补偿1mV为佳。
　　
　　阀控密封式铅酸蓄电池组放电时，可分为放电时间率和放电电流率。放电时间率是在一定的放电条件下，放电到终止的时间长短，放电时间率有10、8、5、3、1小时率。而放电电流率，是比较标称容量不同的蓄电池组放电电流大小而定的，10小时率放出容量100%、8小时率放出容量92%、5小时率放出容量85%、3小时率放出容量75%、1时率放出容量55%，通常以10小时电流放电率为标准的，即蓄电池组在标准温度25时，按10小时电流放电到电池端电压为1.8V/只，电池所能达到的容量为电池的额定容量，详见图3所示。
　　
　　4.影响阀控密封式铅酸蓄电池组续航能力的因素
　　
　　铁塔基站交流供电类别为三类供电，每年停电次数小于54次，停电时间小于8小时。同时5G基站由于采用了更高的频段、更多的矩阵天线接收和发射，其功耗相比4G基站耗电量大幅增加，对电池组后备时间提出了更大的挑战。
　　
　　1）电池组自身因素：电池组随着使用年限的增加，电池的活性物质会逐渐损耗，极板硫化等问题会导致电池组容量下降。电池组在长期充、放电循环后，其内部的硫酸铅结晶会不断累积，使得电池内阻增大，容量降低，从而缩短后备电池组放电时间。
　　
　　2）电池质量问题：如果电池在生产过程中存在缺陷，如极板不均匀、电解液杂质过多等，配组后会影响电池组的性能和寿命，导致其电池组实际容量低于标称容量，进而减少电池组后备放电时长。
　　
　　3）开关电源参数设置不合理：充电时浮充电压过高或过低、充电限电流过大都会对电池组产生不良影响。过高的浮充电压可能导致电池组过充，加速电池失水和极板老化。而过低的浮充电压则无法使电池完全充满电，长期处于欠压充电状态会使电池组容量逐渐降低。对于阀控密封式铅酸蓄电池组，浮充、均充电压、充电限流、均充周期、均充时间和温度补偿设置不对，都会影响电池组的续航能力。
　　
　　5.案例分析
　　
　　1）故障现象：
　　
　　市区某基站市电停电基站40分钟左右断站。该站电源和负载情况：
　　
　　一套中兴组合式开关电源设备ZXDU68；
　　
　　在线运行6块ZXD3000整流模块；
　　
　　2组48V/500AH阀控密封式铅酸蓄电池组（2019年开始使用），并联接入开关电源直流配电屏两个电池组300A保险上；
　　
　　直流电源负载电流152A；
　　
　　上站检查测试组合开关电源和电池组情况：
　　
　　交流输入电源电压234V、235V、234V正常；
　　
　　开关电源浮充直流输出电压54V；
　　
　　开关电源均充直流输出电压56.4V；
　　
　　开关电源均充周期12周；
　　
　　开关电源均充时间10小时；
　　
　　开关电源对每组电池容量设置500AH；
　　
　　开关电源对电池组充电限流0.1C；
　　
　　一次下电46V、二次下电44V；
　　
　　电池组温度补偿每度72mV；
　　
　　开关电源直流输出负载电流为152A。
　　
　　2）故障分析：
　　
　　上站利用在线智能电池组测试仪检测，分别对1、2组48V/500AH阀控密封式铅酸蓄电池组容量实验，该两组电池通过容量实验1组0.1C放电实际容量为67%，2组0.1C放电实际容量为76%。测试情况如图4、5所示。
　　
　　3）处理过程：
　　
　　（1）替换电池：本站电池进行更新改造，旧电池替换为两组48V/500AH阀控密封式铅酸蓄电池组。
　　
　　（2）单体电池重组：旧电池经过放电测试，两组电池中均存在单只落后电池，把1组中的#1、#4、#6、#7、#19、#20、#21、#24号电池共8只整合到2组中去，替换掉2组中的#9、#10、#12、#14、#15、#16、#17、#18号电池，重新整合为一组电池调拨至适合站址继续使用。
　　
　　（3）复测备电时长：本站更换电池后，经过一个充电周期，再次进行放电测试，完全满足基站3小时备电要求。
　　
　　二、磷酸铁锂蓄电池
　　
　　磷酸铁锂蓄电池具有体积小、重量轻、能量密度高、密封好、无泄露、无记忆效应、放电性能高、自放电率低、充电迅速、循环寿命长、工作环境温度范围宽、绿色环保等特点，目前在铁塔后备电源中的应用前景非常广泛。
　　
　　1.磷酸铁锂蓄电池的工作原理
　　
　　电池充电时，Li+从磷酸铁锂材料中迁移到晶体表面，从正极板材料中脱出，在电场力的作用下，进入电解质，穿过隔膜，再经电解质迁移到负极石墨晶体的表面，然后嵌入负极层状石墨材料中。与此同时，电子通过正极的铝箔，经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔电极，再经导电体流到石墨负极，使电荷达至平衡。
　　
　　电池放电时，Li+从层状石墨晶体中脱嵌，进入电解质，穿过隔膜，再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时，电子经导电体流向负极的铜箔电极，经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使电荷达至平衡。由此可见，磷酸铁锂电池基本原理，就是在充、放电的过程中，对应的锂离子在正负极之间来回的嵌脱，完成对电池的充电和负载的供电。如图6所示。
　　
　　2.磷酸铁锂电池的结构和特点
　　
　　磷酸铁锂电池由正、负极板（正极活性物质为磷酸铁锂，负极活性物质为石墨）、隔膜、电解质、极耳和铝塑膜外壳组成。正负极板是电化学反应的区域，隔膜、电解质提供Li+的传输通道，通过化成等工艺处理后电池极板表面会形成一层致密的SEI膜（也叫固体电解质界面膜），极耳起到引导电流的作用。正极活性物质是磷酸铁锂，为橄榄石结构，其空间和内部结构如图7所示。
　　
　　磷酸铁锂电池是锂离子电池家族中最安全的一种高比能量电池，其优点主要表现在以下几个方面：
　　
　　1）长寿命：磷酸铁锂单体电池的循环寿命长达2000次以上；
　　
　　2）使用安全：磷酸铁锂电池在过充、挤压、针刺等条件下仍然是安全的；
　　
　　3）可大电流快速充放电；
　　
　　4）耐高温性能优越：磷酸铁锂电池在0℃～﹢55℃情况下仍然能够正常工作；
　　
　　5）无记忆效应；
　　
　　6）绿色环保。
　　
　　3.磷酸铁锂蓄电池组的充、放电性能
　　
　　磷酸铁锂电池组充电时，可分为恒流充电和恒压充电两个过程。首先是恒流充电，充电电流为0.2～0.5C10，在基站一般采用0.1～0.15C10(A)电流，当电池组电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，充满电后为3.65V，电池静置15分钟后单体回落到3.4V左右。所以，铁塔基站在使用铁锂电池时，并不需要增加整流模块的数量。
　　
　　所以，磷酸铁锂电池组和开关电源配合使用，其充电过程将变得较为简单，只需要根据电池组电压要求设置充电电压即可。详见图8、9所示。

　　
　　磷酸铁锂电池放电时，电池放电电压非常平稳，一般在3.2V左右，放电后期（主要指剩余的10%容量）的电压变化较快，放电的截止电压一般可以为2.7V。
　　
　　4.磷酸铁锂蓄电池组管理系统和间歇充放电工作方式
　　
　　1）管理系统：由于磷酸铁锂电池的电解质为有机溶剂，电池在正常的充、放电条件下是几乎不产生气体的。所以，即使电池组长期处于间歇充电状态下，电池内部也不会产生较高压力，电池比较安全可靠。另外，铁塔基站电源供电方式是长期处于稳压限流工作状态，对于电池组的间歇充电而言，其电压长期处于54.5～55.2V之间，这个电压对电池极板和电解质都是比较稳定的，电池容量变化极小。同时由于锂金属是一种非常活泼的元素，所以电池配组后必须用BMS电池组管理系统控制，以确保磷酸铁锂电池组安全可靠运行。详见图10所示。
　　
　　2）间歇充放电工作方式：
　　
　　恒流-恒压充电阶段：充电限制电压控制（电池单体3.55V，电池组56.8V）；
　　
　　间歇式补充电阶段：开路静置，容量减少X%SOC（其中X取值在90～95之间）时，重新进入补充电状态，补充电方式也遵循恒流-恒压充电方式；
　　
　　放电过程：在开路静置状态时，若交流电停电，BMS应能控制电池组无延迟进入放电状态。
　　
　　即T1和T3为充电过程，T1为恒流-恒压充电阶段，T3为间歇式补充电阶段；T2为电池组开路静置阶段；T4为电池组放电过程。详见图10所示。
　　
　　5.案例分析
　　
　　1）故障现象：市区某联通反包站市电停电20分钟左右断站。
　　
　　该站电源和负载情况：
　　
　　一套动力源组合开关电源设备DUM-48/50H；
　　
　　在线运行4块DZY-48/50H整流模块；
　　
　　四组48V/100AH磷酸铁锂电池组；
　　
　　两组并联接入开关电源直流配电屏两个电池组250A保险上；
　　
　　直流电源负载电流82A；
　　
　　上站检查测试组合开关电源和电池组情况：
　　
　　交流输入电源电压234V、235V、234V正常；
　　
　　直流输出电压51.8V；
　　
　　直流输出电流82A；
　　
　　四组磷酸铁锂电池组容量指示灯显示在25%左右闪烁。
　　
　　2）故障分析：
　　
　　四组磷酸铁锂电池组容量指示灯都显示在25%左右闪烁，证明电池组充入的电量不足，所以停电后电池组放电20分钟后断站；
　　
　　开关电源监控模块显示直流浮充电压51.8V，证明开关电源浮充电压严重偏低。
　　
　　3）处理过程：
　　
　　调整开关电源浮充电压55.2V，均充电压55.2V，电池组容量200AH，充电限流0.15C10，一次下电46V、二次下电44V；
　　
　　用FLUKE187万用表直流电压档测量开关电源直流母排电压为52.2V；
　　
　　调整后开关电源浮充电压，用FLUKE337直流钳形表测试电池组充电电流，两组电池各输入直流电流20A；
　　
　　检查四组电池容量指示灯在闪亮，证明电池组在充电。
　　
　　4）后台检查情况：
　　
　　充电两个小时后，后台检查四组电池充入电量显示剩余容量为42%左右；
　　
　　晚上10点钟检查，后台监控检查四组电池剩余容量为100%；
　　
　　晚上10点钟检查后，后台监控检查开关电源浮充电压55.2V；
　　
　　开关电源浮充电压55.2V，直流电源负载电流77A。
　　
　　5）调整后的效果检测：
　　
　　根据该站直流负载电流77A，该站调整开关电源浮充电压49.5V放电测试，四组电池放电时间2小时电池组组端电压电压为49.8V，有充分的发电时间。
　　
　　6）原因分析：
　　
　　该站原为两组密封阀控铅酸500AH电池2组，由于使用年限和电池组容量严重不足，所以该两组电池刚刚更换为四组磷酸铁锂电池组，在更换完成后没有根据磷酸铁锂电池组的要求，调整好开关电源浮充、均充和电池组容量参数，造成四组电池严重充电不足，停电后四组电池组放电时间短造成断站的原因。
　　
　　三、密封阀控铅酸蓄电池组通过电池共用管理器与磷酸铁锂蓄电池组共用
　　
　　1.电池组共用管理器的结构和工作原理
　　
　　在铁塔基站直流供电系统中，电池组共用管理器主结构采用多路BUCK变换器（DC-DC）模块，实现各电池组独立管控，各电池组独立充、放电过程中的管理，按独立电池组充电电压要求充电。彻底解决不同品牌、不同型号、不同容量、不同批次电池组之间的共用管理问题，支持不同类型电池组的混合使用。统一管理，均衡控制，实现电池组容量比最优管理。使各个电池组之间高度隔离，可实现独立对多组电池独立进行充、放电管控，备用电池组在任意时候都可以通过二极管及时放电，安全可靠性高，确保铁塔基站后备各种电池组在直流供电系统的供电保障。
　　
　　1）电池组共用管理器的充电
　　
　　市电正常时，开关电源通过BUCK（DC-DC）型降压电路，对各个电池组进行充电，充电过程中充电限流、均充、浮充电压可以根据该端口介入的铅酸电池组、锂电池组容量要求设定，设定好后对电池组均、浮充模式自动调整。详见图11所示。
　　
　　2）电池组共用管理器的放电
　　
　　当市电停电时，电池组通过二极管D1进行放电，同时对各个电池组起隔离作用，放电过程中通过MOS管M1调整放电电流的大小，均衡各个电池组的放电电流，电池组剩余电量百分比大的优先放电，当电池组放电剩余电量百分比一致时各电池组均衡放电。详见图12所示。
　　
　　3）电池组共用管理器主要功能
　　
　　（1）合路功能：能集中多路电池组以一路或两路形式连接到铁塔基站开关电源直流配电电池组保险上，每路电池组可以同时进行充、放电。
　　
　　（2）隔离功能：各个电池组通过共用管理器接入开关电源直流配电正、负母排上（负线接电池组保险上），每路电池组之间保持隔离状态，无环流发生。
　　
　　（3）电压控制功能：每路电池组接入端口可以通过电池共用管理器单独设置浮充电压和均充电压参数。
　　
　　（4）均衡充电功能：同步充电设备能按电池组容量比例均衡每路电池组的充电电流。
　　
　　（5）均衡放电功能：同步放电时能按电池组容量比例均衡每路电池的放电电流。
　　
　　（6）操作显示功能：能通过操作界面设置管理器的工作参数，观察设备的工作状态。
　　
　　（7）监控功能：电池共用管理器设置了连接FSU的监控接口，能通过动环监控系统实时读取每组电池的工作状态。
　　
　　（8）故障告警：电池组共用设备应有故障声光告警指示和告警信号输出干接点，能通过FSU接入铁塔基站动环监控系统。
　　
　　2.电池组共用管理器应用场景
　　
　　1）铁塔基站利旧应用场景：基站需求电池组容量=原有基站电池组剩余容量+利旧库存电池组剩余容量。详见图13所示。
　　
　　2）铁塔基站负载新增5G扩容应用场景:基站需求电池组容量=原有电池组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化电池组容量。详见图14所示。
　　
　　3）铁塔基站故障电池组更换场景:基站需求电池组容量=整合旧电池组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化电池组容量。详见图15所示。
　　
　　4）铁塔基站电池组重组扩容场景：基站需求电池组容量=整合利旧两组铅酸电池为一组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化电池组容量。详见图16所示。
　　
　　5）两个铁塔基站互补应用场景：基站需求电池组容量=本站电池组剩余容量+异站电池组剩余容量，满足市电停电两个基站备电续航3小时以上要求。详见图17所示。
　　
　　6）新建基站负载增加后满足电池组备电续航应用场景：基站需求电池组容量=磷酸铁锂原模块化电池组剩余容量+新增磷酸铁锂模块化不同品牌电池组容量。详见图18所示。
　　
　　(未完待续)
　　
　　编辑：Harris