蓄電池或蓄電池組(battery/ batteries),是一個將化學能轉換為直流電能的裝置。在通信用電源系統中得到了大量的應用,是通信電源系統的重要組成部分或必備設施。是通信設備或通信終端正常工作的能源供應的重要保障。
一、有關電池的相關概念
依據GB/T 2900.41《電工術語 原電池與蓄電池》的定義,有單體電池、電池、蓄電池等的概念。
1、單體電池(cell)與電池(battery)
單體電池(cell)是指直接被化學能轉變為電能的一種電源,是由電極、電解質、容器、極端、通常還有隔離層組成的基本功能單元。而電池(battery)是指裝配有使用所必需的裝置(如外殼、端子、標志及保護裝置)的一個或多個單體電池。在GB/T 2900.41中,也將電池(battery)稱為電池組。因此,電池(cell)只是具備能量轉換功能的單元,而電池(battery)是可供人們直接使用用于供電。
2、原電池與蓄電池
電池(battery)又分為原電池與蓄電池。原電池(primary cell)是指按不可以充電設計的電池;蓄電池(secondary cell)是指按可以充電設計的電池(注:通過可逆的化學反應實現再充電)。因此,我們通信用的都是具有充電功能的蓄電池。
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二、蓄電池的基本分類
蓄電池的分類方法有很多,常用的有下述分類方法:
1、按化學原料的來源分類:
按化學原料的來源分類,有燃料電池和非燃料電池之分,非燃料電池也稱傳統電池。由上述概念知道,蓄電池的工作是一種化學能與電能的轉換過程,那么蓄電池的工作過程是由化學物質的參與的,燃料電池在化學能轉換為電能時所需要的化學物質要不斷的從外部送入的。而傳統蓄電池在能量轉換過程中的化學物質是事先封裝在電池內里,通常情況下是不用添加或更換的。
燃料電池(fuel cell)是一種新型電池,根據GB/T 2900.41的定義:通過一個電化學過程,將連續供應的反應物的化學能轉變為電能的裝置。它的最大特點是轉換效率高,且不受負荷變化的影響,由于其技術發展的成熟性有待于提高,因此其普及應用受到了影響。目前在通信電源系統已有應用,使用的燃料主要是氫、氧等。目前在通信電源系統應用最多的仍然是傳統的蓄電池,如閥控式密封鉛酸蓄電池。
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下述的分類方法是針對傳統蓄電池的:
2、按電解質的不同分類:
按電解質的不同來分類,可以分為非水電解質蓄電池和含水電解質蓄電池。非水電解質蓄電池典型的是指鋰電池等。含水電解質蓄電池又主要分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。酸性蓄電池典型的是指鉛酸蓄電池等;堿性蓄電池典型的是指鐵鎳蓄電池等。在國家標準GB/T 2900.41對于鋰電池(lithium battery)、堿性蓄電池(alkaline battery)和鉛酸蓄電池(lead dioxide lead battery)都給出了明確的定義,具體匯總于下表2-2中。
表2-2:鋰電池、堿性蓄電池和鉛酸蓄電池的定義
在通信電源系統中的鋰電池,目前最常用的是為移動通信終端供電所使用;對于用作通信局站的后備電池目前已處于起步階段,如使用較多的是磷酸鐵鋰電池組(LiFePO4)等。鉛酸蓄電池是通信電源系統使用悠久、應用最廣的通信用蓄電池。最開始使用的是開口式防酸隔爆鉛酸蓄電池,目前已被閥控式密封蓄電池(VRLAB)所替代。堿性蓄電池在通信電源系統中使用的較少。而使用到的堿性蓄電池,其堿性電解質常用的是氫氧化鉀和氫氧化鈉等水溶液,因電極使用的活性物質不同分為鐵鎳、鎘鎳、鋅銀、鎳氫等蓄電池。
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在上述蓄電池的按電解質分類的鋰蓄電池、堿性蓄電池和鉛酸蓄電池,從電池的比能量(比能量指的是電池單位質量或單位體積的能量,用W·h/kg或W·h/L來表示)來對比,鋰蓄電池最高,鉛酸蓄電池最低,下圖2-2給出了它們的比能量對比圖,包括質量比能量和體積比能量。
圖2-2:鋰蓄電池、堿性蓄電池和鉛酸蓄電池的比能量的比較圖
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下述的分類方法主要是針對鉛酸蓄電池的:
3、按不同用途和外形結構分類
按不同用途和外形結構來分類,可分為固定式和移動式兩大類。固定型鉛蓄電池按電池槽結構又分為半密封式及密封式。目前在通信電源系統應用最多的固定型密封式蓄電池,如閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLAB)。
4、按極板結構分類
按極板結構分類,可分為涂膏式(或涂漿式)、化成式(又稱形成式)、半化成式(或半形成式)和玻璃絲管式(或叫管式)等。通信常用的VRLAB多為涂膏式。
5、按電解液數量分類
按電解液數量分類,可將鉛酸蓄電池分為貧液式和富液式。密封式電池均為貧液式,半密封電池均為富液式。VRLAB多為貧液式,但貧液式存在著對環境溫度變化適應性差的缺點,所以也有富液式閥控密封鉛酸電池,用在溫度變化大的場合。
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三、蓄電池在通信電源系統的使用
1、概述
在通信電源系統中,蓄電池已成為必要的組成部分。根據上述分類,對于燃料電池由于其技術的成熟性而使用的較少。對于堿性電池由于其單體電池(cell)的電壓(電動勢)較低而在通信電源系統中較少使用,因為,通信設備用蓄電池往往需要較高電壓和較大容量。而鉛酸蓄電池由于其技術成熟性、價格低廉性,在通信電源系統中得到了大量的應用,目前幾乎全部采用的是閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLAB)。而對于鋰電池由于其高比能量特性在通信電源系統中,目前主要是應用在移動通信終端上使用,隨著制造成本的降低正逐步應用于通信局站的備用電源(也稱后備電池)。
2、使用
在通信電源系統中,為機房通信設備供電的電源系統稱為基礎電源,分為直流基礎電源和交流基礎電源。鉛酸蓄電池在直流基礎電源和交流基礎電源中都有使用,主要是起到儲能裝置的作用,并非用作向通信設備供電的主供電源,鉛酸蓄電池往往是為了提高通信電源系統可靠性而作為備用電源。
在通信直流基礎電源系統中,向通信設備提供電能的市電交流電源,交流電經過整流后變為直流向通信設備供電,而將蓄電池并接在整流器的輸出端。當主供交流電源正常供電時,蓄電池一直是處于在線備用狀態,同時一直處于浮充保持著足夠的電能。一旦主供交流電源斷供時,蓄電池立即自動啟用承擔起為負載提供電能的任務;在主供交流電源恢復供電后,它又立即退出,又處于養精蓄銳的狀態。同時,在浮充的過程中,蓄電池對整流器的輸出直流電壓還起到了很好的濾波作用。
在通信交流基礎電源系統中,蓄電池主要使用在交流不間斷電源系統(UPS)中,它接在UPS的整流輸出端即逆變器的輸入端。同理,其主供電源是市電交流電源,當市電斷供時,UPS的整流無直流輸出,蓄電池開始自動向逆變器供電,以保證UPS的交流輸出。
鑒于此,鉛酸蓄電池在通信電源系統的使用,為通信電源系統的高可靠性供電起到了極大的作用。當然,在移動通信終端中使用的鋰電池是向終端直接供電的,這與鋰電池的良好的充放電性能以及體積小等直接相關的。
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3、配置
由于通信設備所使用的額定直流電壓要遠高于單個產品蓄電池的標稱電壓,所以鉛酸蓄電池在通信局(站)的電源系統中幾乎沒有單個電池的單獨使用,往往是根據其額定電壓,將標稱電壓為2V或6V或12V的單個電池串聯使用的,形成蓄電池組,以達到通信設備所需要的供電電壓(如-48V、240V或336V等;UPS中為192V~242V;等)。通常蓄電池組還起碼是1+1雙備份配置的。
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