目录
第一章 VRLA 蓄电池组在线维护的必要性 ............................................................................. 1
一、蓄电池组使用现状 . .......................................................................................................... 1
二、VRLA 蓄电池内部发生的电化学反应[3] .......................................................................... 2
三、影响VRLA 蓄电池组使用寿命的原因 ............................................................................ 6
1、影响VRLA 蓄电池使用寿命的内在因素 .................................................................. 6
2、影响蓄电池使用寿命的外在因素 . ............................................................................ 8
四、如何延长蓄电池组的使用寿命 . .................................................................................... 11
1、 提供适宜的使用环境 . ........................................................................................ 11
2、 选择优质的充电设备 . ........................................................................................ 11
3、保证VRLA 蓄电池组有较好的一致性 .................................................................... 12
五、电压一致性对电池组使用寿命影响实例 . .................................................................... 14
1、美国有线电视对电池失效的统计分析[8] ................................................................ 14
2、主动均衡延长VRLA 电池寿命实验分析 ................................................................ 17
第二章 蓄电池均衡技术 . .......................................................................................................... 24
一、蓄电池均衡技术概述 . .................................................................................................... 24
1、被动均衡技术 . .......................................................................................................... 24
2、主动均衡技术 . .......................................................................................................... 25
二、主动均衡技术的发展[7] . ................................................................................................. 25
1、电阻均衡器 . .............................................................................................................. 25
2、电容均衡器 . .............................................................................................................. 26
3、电感均衡器 . .............................................................................................................. 27
4、Cuk 均衡器 . ............................................................................................................... 28
5、基于变压器的均衡器 . .............................................................................................. 29
6、DC/DC均衡器 ........................................................................................................... 33
三、VRLA 电池均衡技术的可行性分析 ............................................................................... 34
1、概述 . .......................................................................................................................... 34
2、不适于VRLA 电池的均衡技术 ................................................................................ 35
3、适用于VRLA 电池的均衡技术及性能比较 ............................................................ 36
参考文献： . ............................................................................................................................ 41
第一章 VRLA 蓄电池组在线维护的必要性
一、蓄电池组使用现状
铅酸蓄电池组的应用已有百年之久，最初使用的是开口式铅酸蓄电池，到上世纪50年代，世界上才出现了密封式铅酸蓄电池，80年代密封式铅酸蓄电池技术得到了飞速发展，1988年阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA 蓄电池）才首次进入我国。
随着我国经济和技术的快速发展，大量的设备和装备都要求7×24小时连续的不间断供电；由于电是清洁能源，一些传统的以内燃机为动力的设备和装备也在不断地加速改为电力驱动的进程（例如：当下很流行的电动汽车），因此需要大量使用蓄电池组。以中国移动通信行业为例，基站、机房和数据处理系统，每年需要新增、更换蓄电池超过2000万节以上。
据相关部门初步统计，至2009年全国每年报废铅酸蓄电池约5000多万只，其中含铅重量达30多万吨。产生如此大量蓄电池报废的原因是：蓄电池的实际使用寿命远远小于设计使用寿命。蓄电池厂家设计的蓄电池寿命一般为10～20年。由于受蓄电池的特性和目前维护手段的限制，实际使用寿命只有设计寿命的10-30%，绝大多数在20%左右，远远小于设计寿命。蓄电池组使用寿命短，给系统供电构成了重大的安全隐患，同时形成了大量的蓄电池提前报废，造成了大量的资源浪费、资金浪费和严重的环境污染。
在通信电源设备重大事故中，高频开关电源事故占10％，高压切换事故占20％，UPS 蓄电池故障引发的事故占40％，48V 蓄电池故障引发的重大事故占30%，可见70％的通信电源故障是由蓄电池引起！高频开关电源本身的MTBF （平均无故障时间）已达250000 h以上，蓄电池组成为最脆弱的部分[1]。 VRLA 蓄电池的使用现状说明，一方面蓄电池质量还有待提高，从设计和生产控制方面还需不断完善；另一方面，正确、科学地使用蓄电池，加强日常维护和监控管理非常必要。
1
二、VRLA 蓄电池内部发生的电化学反应[3]
1、电化学成流反应
VRLA 蓄电池之所以能够进行放电和充电， 就是因为电池的正负极活性物质以及硫酸电解液之间发生了电化学成流反应。
放电时，负极活性物质铅Pb 失去电子生成铅离子Pb 2+， 然后跟硫酸 H 2SO 4 起反应生成硫酸铅PbSO 4，负极失去的电子通过外电路到达正极，使正极活性物 质二氧化铅PbO 2接受电子，还原成铅离子Pb 2+，再跟硫酸H 2SO 4起反应生成硫酸铅PbSO 4，实现了电池正负极活性物质的化学能转化成电能的过程。整个放电过程，电解液硫酸浓度降低。其电化学反应式如下：
负极上的反应
Pb + HSO4- →PbSO 4 + H+ + 2e
正极上的反应
PbO 2 + 3H+ + HSO4- + 2e → PbSO 4 + H2O -------（2） -------（1）
将（1）式和（2）式相加，即是电池放电的总反应：
PbO 2 + Pb + 2H2SO 4 → 2PbSO 4 + 2H2O -------（3）
充电时，则是由整流器向电池输入电能，促使电池的正负极活性物质产生电化学反应，将电能储存起来。整个充电过程，电解液硫酸的浓度增加。充电过程所发生的反应跟放电过程相反：
负极上的反应
PbSO 4 + 2e → Pb + SO4-
正极上的反应
PbSO 4 + 2H2O → PbO 2 + 4H+ + SO4- + 2e -------（5） -------（4）
将（4）式和（5）式相加，即是电池充电的总反应：
2PbSO 4 + 2H2O → PbO 2 + Pb + 2H2SO 4 -------（6）
2、电解水反应
VRLA 蓄电池在充电过程中，当充电电压达到2.3 V以上时，除了进行上述
（6）式主反应外，还会产生电解水副反应，在正极上析出氧O 2，在负极上析出氢。
2H 2O →O 2 + 4H+ +4e- -------（7）
这是一个对VRLA 蓄电池非常有害的反应，又是一个很难完全避免的反应。 原因是VRLA 蓄电池采用稀硫酸作电解液，电池的开路电压（2.10 V ）已高于水的分解电压（1.2 V），只是因为氢和氧在铅和二氧化铅上的析出超电势与水的分解电压之和稍高于电池开路电压，才使铅蓄电池得以存在。但当电池充电电压逐渐升高到2.3 V以上时，就必然出现电解水反应，电压越高，则电解水反应成指数关系激烈增快，析氢和析氧的速度和量就越大。
电池厂家和用户在生产和使用过程中 都要竭尽全力避免或减小电解水反应，才能使电池的使用寿命延长。因为这个反应消耗水，又析出氢和氧，但VRLA 蓄电池采用贫液设计，电池中的水非常紧张，当电池失水量达到10%左右时，容量就会下降；含水量再降低，就放不出电来。
3、自放电反应
VRLA 蓄电池处于开路状态时，虽然没有外电流流过，不会出现电化学成流反应和电解水反应。但正极活性物PbO 2和负极活性物Pb 仍然会与稀硫酸产生化学反应，产生少量的氧和氢，同时生成硫酸铅，其总的结果相当于电池在放电，所以称为自放电反应。
酸的浓度越高，自放电反应速度就越快，因而在电池放电容量许可的条件下，应尽可能采用较稀的电解液。此外，当电解液或活性物质中含有杂质时，尤其是铁，其自放电反应速度就会显著增加，因而制造电池时的原材料应尽可能保证杂质含量合格，电池在使用和维护过程中也要竭力避免杂质进入电池。
4、氧复合反应
虽然铅蓄电池在充电时不可避免地会发生电解水反应，但研究结果表明， 正极的充电接受能力较负极差。正极的充电态达到70%时氧就开始析出，而负极充电到90%时才会析氢。此外，正极析出的氧跟新生成的负极活性物质铅Pb 可以很快起反应，利用这些特点，采取下列措施可以实现电池密封。
图1-1 VRLA 蓄电池结构示意图
VRLA 蓄电池在设计时采用“紧装配”结构，使用AGM 隔板和“贫液式”设计，使正极析出的氧很容易通过隔板到达负极，被新生成的负极活性物质铅Pb 吸收，复合成水。
O 2 + 2Pb → 2PbO
-------（8） -------（9） PbO + H2SO 4 → PbSO 4 +H2O
生成的PbSO 4在充电时又通过（4）式反应生成负极活性物质铅Pb ，如此以来达到了“阴极吸收”氧的目的。
图1-2 充电末期电池内部反应示意图
三、影响VRLA 蓄电池组使用寿命的原因
研究影响VRLA 蓄电池组使用寿命的原因，首先要了解影响单体电池寿命的主要因素。总结起来主要有两个方面：一是蓄电池自身特性决定的内在因素，二是外部环境及使用方法带来的外部因素。
1、影响VRLA 蓄电池使用寿命的内在因素
影响VRLA 蓄电池使用寿命的内在因素与产品设计、生产工艺、所用材料密切相关，主要反映在以下几个方面：
失水
VRLA 蓄电池为“贫液式”设计，其中的电解液量受到严格控制，且为出厂前一次性加注，一旦减少很难恢复。因此，当电解液中的水分减少到一定程度，就会引起VRLA 蓄电池失效。一般情况，VRLA 蓄电池隔膜中的电解液饱和度应大于95%，资料表明，如果VRLA 蓄电池电解液饱和度下降10%，其容量下降20%以上，按照蓄电池标准[2]，VRLA 蓄电池容量下降到额定容量的80%视其寿命终止。
造成VRLA 蓄电池失水的原因很多，一般来说，主要有以下几种情况[4]： ● 由于栅板腐蚀而失水；
● 由于氧复合不完全，有气体经安全阀排除而失水；
● 由于VRLA 蓄电池壳体内外压力不同，使水通过壳体材料渗透而失水； ● 由于安全阀设计不当，经常动作而失水；
● 长时间过充电，造成电解水产生过量气体经安全阀排出而失水； ● 其它非正常失水。
负极板硫化
VRLA 蓄电池在充电过程中，负极消耗硫酸铅（PbSO 4），生成海绵状铅（Pb ）；在放电过程中，负极消耗海绵状铅（Pb ）生成硫酸铅（PbSO 4）。整个充放电过程应该完全可逆，理想情况下，负极的活性物不会减少。
但是，实际运行中，如果放电后未及时充电，或者放电时间持续较长（例如小电流深度放电），或者长时间充电不足（例如长期搁置不用），由于硫酸铅本来在电解液中的溶解度较低，容易造成硫酸铅结晶，形成较大的结晶颗粒附着在极板上。当再次进行充电时，结晶后的硫酸铅很难参与反应，一方面直接减少了负极活性物使容量降低；另一方面，结晶后的硫酸铅附着在极板上，堵塞极板微孔，降低活性物有效面积，同时使电池内阻增大，降低电池容量。 正极板腐蚀
VRLA 蓄电池充电后期，当正极荷电状态超过70%以后，正极板除了发生
（6）式的正常反应外，同时发生（7）式的电解水反应。电解水在正极析氧，负极析氢。正极析出的氧气大部分扩散到负极被还原生成水，另一部分氧气将正极板氧化腐蚀，还有一部分通过安全阀排出电池。
正极板腐蚀，由金属铅生成PbO 2，需要耗氧气，因此造成蓄电池失水，降低蓄电池容量。PbO 2的摩尔体积比铅的摩尔体积大21%，由于PbO 2是铅经过固相反应氧化生成的，因而会在致密的腐蚀层中产生机械应力[5]。因此，正极腐蚀严重时会出现正极增长变形，造成活性物与栅板脱落，甚至正极板失效。 热失控
当VRLA 蓄电池电压超过正极板的析氧的电压（2.3V ），长时间大电流充电时，由于电解水产生大量气体。由于正极板产生的氧气可以扩散到在负极被吸收，吸收氧气是明显的放热反应，电池的温度会因此提升。如果电池已经出现失水，玻璃纤维隔板的无酸孔隙增加，会加快氧循环速度，产生的热量会更多，电池温升也更高。而电池的温升也会加速正极板析氧，形成恶性循环——热失控。在热
失控状态下，析氧量增加，电池内的气压增加，当达到塑料电池外壳的玻璃点温度的时候，电池开始鼓胀变型，这种变型除了影响电池内部的机械结构以外，还会形成电池漏气，而导致更加严重的失水漏酸。 尽管电池热失控现象发生的不多，但是一旦发生热失控，电池的寿命会迅速提前结束。
2、影响蓄电池使用寿命的外在因素
过充电
VRLA 蓄电池过充使得正极析氧，加速极板腐蚀，造成蓄电池失水，降低蓄电池容量。大量研究表明，蓄电池过充电超过5%，连续工作120天，其寿命减少50%[6]！这点也可以从YTD/799-2010标准“过充电寿命试验”一节得到印证。
图1-3 过充电对VRLA 蓄电池寿命的影响
图1-4：YTD/799-2010标准中规定的蓄电池寿命折算方法
图1-5 YTD/799-2010标准中过充电寿命的试验方法
按标准中的过充电试验条件：在25±5℃环境中，充电电流为0.02C 10，对于通信基站常用的500AH 蓄电池而言，相当于浮充电流为1A 时，连续工作30天，蓄电池的寿命将缩短1年！这实际上是利用过充电对蓄电池寿命的影响来完成蓄电池寿命的加速测试。
过放电
VRLA 蓄电池过放电，会造成负极硫酸铅结晶，形成很难参加充电反应的大颗粒硫酸铅（俗称负极硫酸盐化），造成负极活性物减少，内阻增加，降低蓄电池容量。因此，实际应用中应该尽量避免蓄电池过放电。
充电不足
VRLA 蓄电池长期充电不足，也会加速负极硫酸盐化，造成负极活性物减少，内阻增加，降低蓄电池容量。因此，一旦电池组出现放电，应尽快给电池组充电。对于浮充应用的VRLA 蓄电池组，要尽量保持电池组浮充电压的一致性，避免个别单体电池电压偏低长期处于充电不足状态，造成容量下降。
环境温度
图1-6 某厂家说明书中给出的温度与电池寿命关系图
环境温度对蓄电池寿命的影响是显而易见的，电池厂家在相关使用说明中都有明确的说明。通常认为，环境温度以25℃为参考点，每上升10℃，长时间工作蓄电池寿命降低50%！
图1-7 YTD/799-2010标准中高温加速浮充寿命的试验方法
通信行业标准YTD/799-2010中，对高温加速浮充寿命试验给出了具体方法，对于设计寿命为8年的蓄电池，60℃±2℃连续工作240天其寿命终止。
因此，对于长时间浮充运用的蓄电池，要求充电设备进行温度补偿设置。
四、如何延长蓄电池组的使用寿命
通过以上分析，我们对VRLA 蓄电池有了初步的认识，针对影响蓄电池寿命的各项因素，用户可以创造对VRLA 蓄电池工作有利的条件，延长蓄电池的使用寿命。总结起来，有以下几个方面：
1、 提供适宜的使用环境
VRLA 蓄电池对环境温度比较敏感，适宜的环境温度是延长VRLA 蓄电池使用寿命的基本条件。通常，增加空调设备是最好的解决方法，如果没有条件安装空调设备，则需要选择满足特殊环境应用的蓄电池。同时，相应充电设备应该设置合适的温度补偿系数，对蓄电池组进行温度补偿充电。
2、 选择优质的充电设备
对于充电设备的选择着重参考以下几个方面：
● 具有较好的恒流充电功能；
一般，VRLA 蓄电池初始充电要求采用0.1C ——0.25C 的充电电流进行恒流充电（不同厂家范围不同），过大的充电电流有损于蓄电池使用寿命，过小的充电电流使蓄电池容量充满时间较长，后备保障存在风险。
● 具有较好的恒压充电功能；
由于VRLA 蓄电池对充电电压又严格要求，因此，要求充电设备可设置充电电压满足不同型号蓄电池。电池厂家对充电设备输出电压精度也有要求，一般要求充电设备电压精度优于±2%（不同厂家要求不同）。但实际应用中，推荐充电设备电压输出精度优于0.5%为佳（现代电源技术完全能满足要求）。如果按厂家基本要求±2%计算，对于通信48V 电源系统配置的蓄电池组，一般25℃时浮充电压为54.0V ，电源输出要是出现+2%偏差，实际充电电压将达到55.1V ，蓄电池组有过充电危险；电源输出要是出现-2%偏差，实际充电电压将只有52.9V ，蓄电池组有充电不足的危险。
具有温度补偿功能；
由于，VRLA 蓄电池受环境温度影响较大，电池厂家要求用户使用蓄电池时，要对蓄电池的充电电压进行温度补偿。一般对于2V 单体电池，温度补偿系数为-3 mV/℃—-7mV/℃，不同厂家具体要求有差异，大部分厂家的温度补偿系数为-3mV/℃。因此，选用的充电设备应具备温度补偿功能，要求补偿系数可设置。
3、保证VRLA 蓄电池组有较好的一致性
蓄电池组不一致性形成原因
蓄电池不一致性的产生有两方面原因：
一方面是与生俱来的，是蓄电池设计生产过程中，由于工艺控制差异、材质差异，使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别，这种电池内部结构和材质上的不完全一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数值不可能完全一致；
另一方面是使用过程中的环境差异造成的，由于电池组中各个单体电池的环境温度、通风条件等差别的影响，使电池组各单体电池工作温度存在差异，从而使在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。 标准对蓄电池组一致性的要求
VRLA 蓄电池组的一致性主要体现在电压的一致性、内阻一致性和容量的一致性三个方面。对于成组使用的VRLA 蓄电池，一致性是非常重要的指标，电池厂家出厂配组就是要保证蓄电池组的一致性，一致性的好坏直接影响电池组的使用寿命。通信行业标准YTD/799-2010中对蓄电池组的一致性有明确要求：如图1-8、图1-9、图1-10所示。
图1-8
YTD/799-2010标准对蓄电池组电压一致性的要求
图1-9 YTD/799-2010标准对蓄电池组容量一致性的要求
图1-10 YTD/799-2010标准对蓄电池组内阻一致性的要求
蓄电池组不一致性如何影响其使用寿命
对于串联成组使用的VRLA 蓄电池，目前所有的充电设备都是针对整组蓄电池进行充电管理的。例如，48V 通信系统使用的VRLA 蓄电池组，通常是由24节
2V 单体电池组成。
一方面，由于蓄电池组各单体电池的容量总存在差异，当串联成组充电时，容量较小的单体电池电压上升较快，反之容量大的单体电池电压上升较慢；进入浮充后，电压上升较快的单体电池必然过充电，而电压上升慢的单体电池存在充电不足。因此，对于长期浮充的蓄电池组，必然存在一些单体电池长期过充电，而一些单体电池长期充电不足，两种情形都会造成蓄电池容量下降，原因已经在
第三节详细分析过，这里不再赘述。
另一方面，由于蓄电池组各单体电池的内阻也总存在差异，当串联成组充电时，内阻较大的单体电池电压上升较快，内阻较小的单体电池电压上升较慢；进入浮充后，电压上升较快的单体电池必然过充电，而电压上升慢的单体电池存在充电不足。因此，对于长期浮充的蓄电池组，必然存在一些单体电池长期过充电，而一些单体电池长期充电不足，两种情形都会造成蓄电池容量下降
综合上述两方面原因，都会使蓄电池组各单体电池之间的差异变得更大，如果不加以控制，将进一步加速电池组容量下降，形成恶性循环。这也是实际应用过程中，大部分VRLA 蓄电池组使用寿命远远低于设计寿命的主要原因。
五、电压一致性对电池组使用寿命影响实例
1、美国有线电视对电池失效的统计分析[7]
2005年，Brian Kuhn等人对美国中西部地区有线电视网络使用的846组12V 铅酸蓄电池（2538只）进行了统计分析，这些电池长时间处于浮充工作状态，与通信系统的后备电池应用相似。统计数据参见表1-1，分析发现，电池浮充电压偏差越大，其实际使用寿命越短。尤其是正偏差影响更大，电压长期偏高3.7%，电池寿命下降了69%；电压长期偏低3.7%，电池寿命下降了42%！其统计分析的结果与VRLA 电池失效原因是吻合的，正偏差的电池长期处于过充电状态，由于极板腐蚀，电池失水等原因，造成电池寿命缩短。负偏差的电池长期处于充电不足状态，造成负极硫酸盐化，容量下降。根据表1-1绘制了电池电压偏差分布图（图1-11）和电压偏差与电池寿命的关系图（图1-12）。
表1-1:对846组VRLA 电池（2538只）的统计结果
图1-11 电压偏差分布图
图1-12 电压偏差与电池寿命的关系图
2、主动均衡延长VRLA 电池寿命实验分析[8]
美国PowerDesigners, LLC的工程师Nasser H. Kutkut对两组相同的蓄电池做了电压平衡实验，第一组未采取均衡措施，第二组采用了“两两均衡”技术，对两组同型号电池在相同环境下做循环充放电实验。如图2-12，将两组蓄电池放置在恒温箱里，保持环境温度为25±1℃。
图1-12 相同环境下对两组电池充放电比较实验
实验以电池组容量降低到80%认为其寿命终止，从图1-13可以清晰看到，没有采取均衡措施的第一组电池，经过50个充放电周期后输出能量明显下降；而有均衡措施的第二组电池，在150个充放电循环里输出能量得到很好的保持（图中的尖峰为计算机通信错误所致）。
图1-13 电池循环次数与能量输出关系图
图1-14 电池循环次数与容量关系图
从图1-14清楚地看到，未采取均衡措施的第一组电池，随着充放电次数的增加，容量一直在降低。实验进行到169次充放电后，第一组电池的容量已经下降了35.5%。而采取了均衡措施的第二组电池，在前60
次充放电其容量一直回
升，从第61次后开始缓慢下降，但169次充放电后其容量比最初的容量还高了
2.6%！
表1-2：两组电池测试数据摘要
图1-15 第一组电池（无均衡）150次循环后的放电容量图
图1-16 第二组电池（有均衡）150次循环后的放电容量图
从图1-15和图1-16可以看出，经过150次充放电循环以后，未采取均衡措施的第一组电池放电容量只有14.25AH ，是初始容量的69.9%；而采取均衡措施的第二组电池150次充放电循环后放电容量仍达到22.55AH ，比初始容量还高。
图1-17 第一组电池（无均衡）第130次循环的充放电曲线
图1-18 第一组电池（无均衡）第130次循环的放电曲线部分
从图1-17和图1-18可以看到，第一组电池（无均衡）第130次充放电时，充电过程中3号电池电压明显低于其它电池，进入“均充”阶段，2号和4号电池已经过充了，但3号电池仍明显低于其它电池，处于未充满状态。随后的放电周期里，3号电池电压下降也明显比其它电池快，放电末期3号电池率先跌破10.5V ，成为电池组的“落后”电池。
图1-19 第二组电池（有均衡）第130次循环的充放电曲线
图1-20 第二组电池（有均衡）第130次循环的放电曲线部分
从图1-19和图1-20可以看到，第二组电池（有均衡）第130次充放电时，充电过程中所有电池电压总是保持一致，进入“均充”阶段仍然保持一致，放电期间所有电池仍然保持一致。这是因为测试采用的“两两均衡”技术，没有作任何限制，在整个充放电周期均进行均衡操作。当然，第二组电池经过150次循环容量不降反升，并不说明这组电池的寿命没有受到影响，为了了解采取均衡措施的第二组电池究竟可以工作多少个充放电循环。150次以后继续对第二组电池进行测试，并且每50次循环后做一次容量测试，结果如图1-21所示。
图1-21 两组电池寿命比较
测试结果显示，采取均衡措施的第二组电池一共进行了465次充放电循环，其中第425次开始，其容量降低到初始容量的80%。表1-3记录了第150次，第385次和第425次的测试结果。值得注意的是，没有采取均衡措施的第一组电池150次循环后容量降低到80%，采取均衡措施的第二组电池第400次循环后容量才降低到90%，但之后容量下降速度明显加快，仅仅在第425次循环容量降低到80%。通过两组电池在相同环境进行充放电循环测试看到，保持电池组电压均衡对延长电池组寿命是非常有意义的。
表1-3：第150、385、425次测试记录
图1-21是两组电池容量测试结果。结果清楚的看到第二组电池（有均衡）经过420个满循环后与第一组电池（无均衡）经过150个满循后容量下降到80%。有趣的是，进行测试的电池厂家给出的100%深度放电（DOD ）次数是250次。可见，没任何均衡措施时，电池组使用寿命只有厂家规定的电池寿命一半多一点；而采取均衡措施后，电池组的使用寿命比厂家规定的寿命高出将近一倍！二者比较起来，采取均衡措施以后，电池组的使用寿命提高了三倍！
为了测试的准确性，实验者用另外一组新电池代替第一组电池（依然没有采用均衡措施）进行了重复测试，测试结果是140次满循环后其容量下降到80%。
第二章 蓄电池均衡技术
一、蓄电池均衡技术概述
人们很早以前就认识到蓄电池组单体电池之间的不一致性对其性能的影响，早在开口电池时代，电池维护工程师就通过调节铅酸蓄电池电解液浓度的方法来改善蓄电池组的一致性，这可以算是早期出现的“物理性”电池均衡技术。但随着VRLA 蓄电池普及应用，原来这种通过调节电解液浓度的方法不再适用（因为VRLA 蓄电池是密封的）。
1、被动均衡技术
为了解决蓄电池组均衡问题，电池厂家提供了传统的“均衡充电”技术（简称“均充”）——所谓“均充”，就是将每个单格电池的充电电压提高大约100mV 进行充电。例如，对于2V 的电池，正常浮充电压为2.25V ，“均充”电压为2.35V 。当然，每个厂家具体要求不一样。一般，厂家要求放电容量超过20%，再次充电要进行“均充”，“均充”持续时间不超过24小时，推荐10个小时。如果长期浮充没有放电，则要求6个月启动“均充”一次。
“均充”技术是利用蓄电池过充电后，浮充电流会增大，从而给原来充电不足的单体电池补充充电。实际上是牺牲一部分单体电池过充电，为另一部分单体电池补充充电，这是不得已的办法。我们把这种“均衡充电”称为被动均衡充电。
2、主动均衡技术
随着电子技术的不断发展，人们在原有充电设备以外，借助相应电子设备实现蓄电池组的电压均衡——我们将这种方法称为主动均衡。从技术本质上看，主动均衡主要分三大类：电阻均衡技术、电容均衡技术和电感均衡技术。目前国内外很多研究机构，包括国内很多高校都在深入研究电池均衡技术，目前研究重点基本都着眼于电感均衡技术上。这个现象实际上也反应了电池均衡是有助于延长电池寿命的。下一节将详细介绍主动均衡技术的发展及应用情况。
二、主动均衡技术的发展[9]
1、电阻均衡器
图2-1 电阻均衡器原理示意图
如图2-1所示，电阻均衡器是最简单的电池均衡技术，它通过消耗能量的方式达到电池平衡。优点是电路结构简单，缺点是均衡器工作时要以发热的形式消耗电池能量，所以均衡电流较小，主要应用在小容量蓄电池。例如Linear Technology 公司生产的锂电池监测芯片LTC6802就采用这项均衡技术。
2、电容均衡器
图2-2 电容均衡器原理示意图
如图2-2所示，电容均衡技术是为了解决电阻均衡器消耗电池能量的缺陷而诞生的，采用开关技术将电压高的单体电池能量通过一个高压大功率电容转移到电压低的单体电池。与电阻均衡器相比，电容均衡器可提供更大的均衡电流，
但它自身缺点也很明显——控制电路
复杂，当单体电池之间差异很大时，将产生较大的浪涌电流，成本相对较高。
3、电感均衡器
图2-3 电感均衡器原理示意图
如图2-3是电感均衡器原理示意图，事实上，电感均衡器是应用最广泛的，原因是它完美地解决了电阻均衡器和电容均衡器存在的明显缺陷，可以实现大电流、大容量的电池组均衡。显然，最基本的电感均衡器，为了降低纹波对单体电池的影响，每个单体电池需要两个开关进行控制；同时，基于电感均衡的技术，可实现限制均衡电流，
限制启动压差等复杂控制，使均衡器工作更可靠、效率更高。因此，
控制电路复杂，制造成本高是电感均衡器的明显缺点。
4、Cuk 均衡器
图2-4 Cuk 均衡器原理示意图
如图2-4是Cuk 均衡器原理示意图，显然它集中了电容均衡器和电感均衡器的优点，图中的电容不需要像电容均衡器里的高压大功率电容，同时每个单体电池只需要一只控制开关，明显降低了基本控制电路的成本，但仍保留电感均衡器的控制特点。国外多家研究机构也基于此拓扑提出了多种均衡电路专利，但目前仍未见相应产品投入市场应用。例如：
最具代表性的有美国洛克希德. 马丁公司2000年在美国申请的专利——自动电池均衡电路（US006140800A ），同年在中国专利局提出申请并公开，2002年专利转移到BAE 系统控制有限公司，2006年在我国取得授权（专利号 CN 00117927.6），如图2-5所示；
图2-5 专利 CN 00117927.6的均衡电路
5、基于变压器的均衡器
图2-6 多绕组变压器均衡器原理示意图
最早提出基于变压器的均衡电路如图2-6所示——多绕组变压器均衡器，研究者认为只要保证各次边绕组与主边绕组的匝比一致（1：n ，n 为串联的单体电池数量），就可以实现均衡充电。然而，实际上这样的变压器很难生产出来，由于变压器分布参数、
绕组位置的不同
决定实际上每个绕组的输出电压差异很大。因此，这仅仅是一个理论性的均衡拓扑。为了解决上述问题，研究者进而提出如图2-7所示的均衡电路——多变压器均衡器。
图2-7 多变压器均衡器原理示意图
如图2-7所示的多变压器均衡器，采用匝比为1:1的n （n 为串联的单体电池数量）只变压器，自动实现电池组均衡。虽然这个拓扑结构比图2-6的拓扑优越了，然而实际生产中由于变压器铁芯材料的差异，以及变压器绕制工艺控制的难度，还是很难做到n 个变压器具有良好的一致性，因此还是很难产品化。尽管如此，国外研究机构仍然申请了专利保护，如图2-8到图2-10。2015年美国Linear Technology 公司正式推出用于锂电池均衡的IC 电路——LTC3300-2是基于多变压器均衡技术的“高效率双向均衡器”，如图2-11所示。
图2-8 US005956241A 专利均衡电路图
图2-9 US [1**********]1A1专利均衡电路
图2-10 US0055982143A 专利均衡电路图
图2-11 LTC3300-2实现“高效率双向均衡”
6、DC/DC均衡器
图2-12 DC/DC均衡器原理示意图
DC/DC均衡器原理如图2-12所示，利用嵌入式技术，在完成对VRLA 单体电池监测的同时，自动控制相应DC/DC模块（辅助充电）对电压较低的单体电池进行补充充电，最终使整组电池电压得到均衡。在DC/DC均衡技术中不存在均衡级联的问题，因此整体均衡效率与单个均衡效率是一样的（国内现有的DC/DC技术，效率很容易做到90%；对于2V 单体电池效率也能到达80%），特别适合用于电池数量较多的场合。该拓扑的优点是不要求DC/DC模块本身的一致性，解决了基于变压器的均衡器对自身绕组一致性要求的问题，同时还提高了均衡效率，这种均衡器是VRLA 电池均衡的最终解决方案。
例如，北京汇众实业总公司推出的HZ-BEM 蓄电池组在线维护装置就采用了这种拓扑结构。
三、VRLA 电池均衡技术的可行性分析
1、概述
虽然全世界很多研究机构都在对电池均衡技术进行研究，但电池均衡技术的实际发展并不乐观，尤其是针对VRLA 电池的均衡技术发展缓慢。近10年随着电动汽车的蓬勃发展，电池均衡技术也得到带动，主要是基于锂电池的均衡技术。针对VRLA 蓄电池组的均衡技术受到各方面因素制约，发展缓慢。
那么，机房基站常用的VRLA 电池均衡技术与汽车锂电池均衡技术有什么区别？
A 、 汽车锂电池为循环动力电池，用于机房基站的VRLA 电池为
浮充电池，二者的均衡侧重点不一样。动力电池要求充电过程及放电过程都必须均衡；浮充电池可以忽略充放电过程的均衡。
B 、 汽车锂电池单个Cell 容量较小，需要的均衡电流较小；用于
机房基站的VRLA 电池容量较大，需要的均衡电流较大。
C 、 汽车锂电池体积较小，均衡器与电池之间的连续较短，可以
采用多种灵活的均衡技术；用于机房基站的VRLA 电池体积较大，数量较多（例如，电力操作系统的220V 蓄电池组由103—108节2V 单体电池组成），因此，均衡器与蓄电池的连接线较长，限制了一些均衡技术的应用。
2、不适于VRLA 电池的均衡技术
电阻均衡器
早起出现的电阻均衡器由于采用直接耗能的均衡模式显然不适用于大容量的VRLA 电池组。否则，均衡过程产生大量的热，将影响VRLA 电池的正常工作环境；同时，也会给系统带来安全隐患。 电容均衡器
对于VRLA 电池组的均衡，如果采用电容均衡器，要求那只用于搬移能量的电容应具有较大的容量，否则起不到均衡作用。但是，如果电容的容量较大，当电池一致性较差时，在能量转移过程中容易产生电容“打火”现象，VRLA 电池出现过充时，可能排出易燃气体H 2。
显然这种环境不适合采用电容均衡技术。
3、适用于VRLA 电池的均衡技术及性能比较
电感均衡器
由于电感均衡器可以实现大电流均衡，并且在均衡电路中可增加相应检测及控制单元实现当单体电池压差达到设定值再启动均衡电路，这样既可以实现电池均衡，同时有效提高均衡效率。但由于基本的电感均衡技术存在电路成本较高、增加相应控制电路较为复杂，因此，它也仅仅是理论上适用于VRLA 电池均衡。真正要产品化，还是在其基础上改进后的其它均衡技术。
Cuk 均衡器
我们以美国洛克希德. 马丁公司的专利来进行分析，如图2-13是其原理示意图：
图2-13 洛克希德. 马丁公司推出的“两两均衡”电路
该电路的优点在于它不依赖外部其它智能设备干预，即可独立完成相邻两个单体电池之间的均衡。要实现N 只电池的均衡，需要如图2-13的N-1个部件。一旦相邻单体电池之间电压差达到一定值，将启动均衡电路，系统总能将电压最高的电池的能量“转移”到电压最低的一节单体电池，只是需要通过其它单体电池中间“传递”。由于电路简洁很容易模块化，模块可就近电池安装。其中的启动电路可根据需要设定相邻两只电池压差达到一定值时自动开始均衡工作，在无须对单体电池电压进行监测的应用场合，该技术很容易实现与VRLA 电池的集成。
该均衡电路应用在12V 的单体电池时，均衡效率可达到87%—90%，电路损耗主要是开关损耗，导通损耗相对较小；但应用在2V 单体电池时效率则只能达到80%左右，原因是图中续流二极管的压降对于2V 单体电池来说太高了！电路损耗除了开关损耗之外，导通损耗已经成为电路损耗的主要部分。
其实，该均衡技术即使应该在12V 的单体电池，当电池数量较多时（例如机房常用的400VUPS 系统，通常由32节12V 单体电池串联而成），如果第一节电池电压最高，而最后一节电压最低，那么系统需要通过中间其它电池“传递”31次才能完成均衡任务。电路均衡效率按最高值90%计算，通过31次“传递”后，电路的效率实际为：（90%）31=3.8%。这样跟电阻均衡几乎没有区别，均衡的能量绝大部分以发热的形式消耗。即使折中按15次“传递”计算，电路的均衡
效率实际为：（90%）15=20.6%。
因此，该均衡技术仅适用于单体电压较高，单体电池数量很少的场合，例如由4只12V 单体电池组成的通信用48V 基站电源后备电池系统就很适合采用此项均衡技术。总体均衡效率低就是制约该项均衡技术推出实用产品的根本原因。
基于变压器的均衡器
基于变压器的均衡器，有两种设计思想：
第一种是希望利用多绕组变压器，使每个绕组输出均衡的电压分别给相应的单体电池补充能量，使电池组达到平衡。由于实际生产中，变压器铁芯的差异以及绕制工艺的细微差别造成各绕组的输出很难到达均衡，因此这种设计最终很难实现产品化。
图2-14 Linear Technology 推出的“高效率双向均衡”IC
第二种设计思想，是利用变压器及相应的开关电路，希望将电压较高的单体电池能量回馈到电池组，通过电池组给电压较低的单体电池补充能量，从而达到电池组均衡的目的——例如，Linear Technology公司推出的LT3300-2芯片，就提供了一种双向均衡的拓扑，如图2-14所示。这种双向均衡电路从技术上看是可行的，但是电路结构较为复杂，产品化的成本较高。另外，由于均衡过程中电荷的传送是以高频交流的形式实现，对于电磁兼容要求较高的场合不适合采用此项均衡技术。由于VRLA 电池组体积较大，几十只单体电池组成的电池组，往往布线达到几十米，显然类似于LT3300-2这样的均衡技术不适宜。 DC/DC均衡器
图2-15 DC/DC均衡技术拓扑示意图
利用嵌入式技术，在完成对VRLA 单体电池监测的同时，自动控制相应DC/DC模块（辅助充电）对电压较低的单体电池进行补充充电，最终使整组电池电压得到均衡。DC/DC均衡技术的特点：
● 均衡效率高
与“两两均衡”技术不同，DC/DC均衡不存在均衡级联的问题，因此整体均衡效率与单个均衡效率是一样的（国内现有的DC/DC技术，效率很容易做到90%；对于2V 单体电池效率也能到达80%以上），特别适合用于电池数量较多的场合。
● 均衡时间短
DC/DC均衡技术很直接，哪个单体电池电压低，立即对它进行补充充电，均衡及时，整体均衡时间短，效果明显。“两两均衡”需要通过中间电池进行“传递”才能最终均衡，均衡时间长。
● 均衡过程中不产生谐波干扰
DC/DC均衡技术采用纯直流方式进行补充充电，DC/DC模块输出为直流信号，不会在VRLA 电池组中产生额外谐波。“两两均衡”技术是通过高频振荡传递能量，处于均衡的单体电池上存在谐波信号；“双向均衡”技术本身为了实现“双向均衡”其输出也是以“交流”信号传递能量，处于均衡的单体电池及电池组中都存在“均衡”时产生的谐波信号；
参考文献：
[1]Liu, Shengqing, Discussion on usage and maintenance of VRLA Battery Used for Telecommunication, Communications Today, 2006(3):62-65
刘圣庆. 通信用 VRLA 蓄电池使用与维护探讨[J]. 当代通信，2006(3):62-65
[2] Valve-Regulated Lead Acid Battery for Telecommunications YD/T799- 2010 通信用阀控式密封铅酸蓄电池 YD/T799- 2010
[3] 桂长清，阀控密封铅蓄电池的基本结构和工作原理. 通信电源技术，2006(1):68-70
[4] 周志敏，阀控式密封铅酸蓄电池实用技术. 中国电力出版社（2004）
[5] Detchko Pavlov，Lead-Acid Batteries:Science and Technology
德切柯. 巴普洛夫，铅酸蓄电池科学与技术，段喜春、苑松 翻译，机械工业出版社（2015）
[6]王鹤 等，延长阀控密封铅酸蓄电池寿命研究——过充电保护与温度补偿特性. 电源技术，2001(6):206-207
[7] Brian Kuhn, Lifetime Effects of Voltage and Voltage Imbalance on VRLA Batteries in Cable TV Network Power IEEE Int 2005
[8] Nasser H. Kutkut. Life Cycle Testing of Series Battery Strings with Individual Battery Equalizers
[9] Muhammad H.Rashid，Power Electronics Handbook 2011（V3 P1346-1347）
目录
第一章 VRLA 蓄电池组在线维护的必要性 ............................................................................. 1
一、蓄电池组使用现状 . .......................................................................................................... 1
二、VRLA 蓄电池内部发生的电化学反应[3] .......................................................................... 2
三、影响VRLA 蓄电池组使用寿命的原因 ............................................................................ 6
1、影响VRLA 蓄电池使用寿命的内在因素 .................................................................. 6
2、影响蓄电池使用寿命的外在因素 . ............................................................................ 8
四、如何延长蓄电池组的使用寿命 . .................................................................................... 11
1、 提供适宜的使用环境 . ........................................................................................ 11
2、 选择优质的充电设备 . ........................................................................................ 11
3、保证VRLA 蓄电池组有较好的一致性 .................................................................... 12
五、电压一致性对电池组使用寿命影响实例 . .................................................................... 14
1、美国有线电视对电池失效的统计分析[8] ................................................................ 14
2、主动均衡延长VRLA 电池寿命实验分析 ................................................................ 17
第二章 蓄电池均衡技术 . .......................................................................................................... 24
一、蓄电池均衡技术概述 . .................................................................................................... 24
1、被动均衡技术 . .......................................................................................................... 24
2、主动均衡技术 . .......................................................................................................... 25
二、主动均衡技术的发展[7] . ................................................................................................. 25
1、电阻均衡器 . .............................................................................................................. 25
2、电容均衡器 . .............................................................................................................. 26
3、电感均衡器 . .............................................................................................................. 27
4、Cuk 均衡器 . ............................................................................................................... 28
5、基于变压器的均衡器 . .............................................................................................. 29
6、DC/DC均衡器 ........................................................................................................... 33
三、VRLA 电池均衡技术的可行性分析 ............................................................................... 34
1、概述 . .......................................................................................................................... 34
2、不适于VRLA 电池的均衡技术 ................................................................................ 35
3、适用于VRLA 电池的均衡技术及性能比较 ............................................................ 36
参考文献： . ............................................................................................................................ 41
第一章 VRLA 蓄电池组在线维护的必要性
一、蓄电池组使用现状
铅酸蓄电池组的应用已有百年之久，最初使用的是开口式铅酸蓄电池，到上世纪50年代，世界上才出现了密封式铅酸蓄电池，80年代密封式铅酸蓄电池技术得到了飞速发展，1988年阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA 蓄电池）才首次进入我国。
随着我国经济和技术的快速发展，大量的设备和装备都要求7×24小时连续的不间断供电；由于电是清洁能源，一些传统的以内燃机为动力的设备和装备也在不断地加速改为电力驱动的进程（例如：当下很流行的电动汽车），因此需要大量使用蓄电池组。以中国移动通信行业为例，基站、机房和数据处理系统，每年需要新增、更换蓄电池超过2000万节以上。
据相关部门初步统计，至2009年全国每年报废铅酸蓄电池约5000多万只，其中含铅重量达30多万吨。产生如此大量蓄电池报废的原因是：蓄电池的实际使用寿命远远小于设计使用寿命。蓄电池厂家设计的蓄电池寿命一般为10～20年。由于受蓄电池的特性和目前维护手段的限制，实际使用寿命只有设计寿命的10-30%，绝大多数在20%左右，远远小于设计寿命。蓄电池组使用寿命短，给系统供电构成了重大的安全隐患，同时形成了大量的蓄电池提前报废，造成了大量的资源浪费、资金浪费和严重的环境污染。
在通信电源设备重大事故中，高频开关电源事故占10％，高压切换事故占20％，UPS 蓄电池故障引发的事故占40％，48V 蓄电池故障引发的重大事故占30%，可见70％的通信电源故障是由蓄电池引起！高频开关电源本身的MTBF （平均无故障时间）已达250000 h以上，蓄电池组成为最脆弱的部分[1]。 VRLA 蓄电池的使用现状说明，一方面蓄电池质量还有待提高，从设计和生产控制方面还需不断完善；另一方面，正确、科学地使用蓄电池，加强日常维护和监控管理非常必要。
1
二、VRLA 蓄电池内部发生的电化学反应[3]
1、电化学成流反应
VRLA 蓄电池之所以能够进行放电和充电， 就是因为电池的正负极活性物质以及硫酸电解液之间发生了电化学成流反应。
放电时，负极活性物质铅Pb 失去电子生成铅离子Pb 2+， 然后跟硫酸 H 2SO 4 起反应生成硫酸铅PbSO 4，负极失去的电子通过外电路到达正极，使正极活性物 质二氧化铅PbO 2接受电子，还原成铅离子Pb 2+，再跟硫酸H 2SO 4起反应生成硫酸铅PbSO 4，实现了电池正负极活性物质的化学能转化成电能的过程。整个放电过程，电解液硫酸浓度降低。其电化学反应式如下：
负极上的反应
Pb + HSO4- →PbSO 4 + H+ + 2e
正极上的反应
PbO 2 + 3H+ + HSO4- + 2e → PbSO 4 + H2O -------（2） -------（1）
将（1）式和（2）式相加，即是电池放电的总反应：
PbO 2 + Pb + 2H2SO 4 → 2PbSO 4 + 2H2O -------（3）
充电时，则是由整流器向电池输入电能，促使电池的正负极活性物质产生电化学反应，将电能储存起来。整个充电过程，电解液硫酸的浓度增加。充电过程所发生的反应跟放电过程相反：
负极上的反应
PbSO 4 + 2e → Pb + SO4-
正极上的反应
PbSO 4 + 2H2O → PbO 2 + 4H+ + SO4- + 2e -------（5） -------（4）
将（4）式和（5）式相加，即是电池充电的总反应：
2PbSO 4 + 2H2O → PbO 2 + Pb + 2H2SO 4 -------（6）
2、电解水反应
VRLA 蓄电池在充电过程中，当充电电压达到2.3 V以上时，除了进行上述
（6）式主反应外，还会产生电解水副反应，在正极上析出氧O 2，在负极上析出氢。
2H 2O →O 2 + 4H+ +4e- -------（7）
这是一个对VRLA 蓄电池非常有害的反应，又是一个很难完全避免的反应。 原因是VRLA 蓄电池采用稀硫酸作电解液，电池的开路电压（2.10 V ）已高于水的分解电压（1.2 V），只是因为氢和氧在铅和二氧化铅上的析出超电势与水的分解电压之和稍高于电池开路电压，才使铅蓄电池得以存在。但当电池充电电压逐渐升高到2.3 V以上时，就必然出现电解水反应，电压越高，则电解水反应成指数关系激烈增快，析氢和析氧的速度和量就越大。
电池厂家和用户在生产和使用过程中 都要竭尽全力避免或减小电解水反应，才能使电池的使用寿命延长。因为这个反应消耗水，又析出氢和氧，但VRLA 蓄电池采用贫液设计，电池中的水非常紧张，当电池失水量达到10%左右时，容量就会下降；含水量再降低，就放不出电来。
3、自放电反应
VRLA 蓄电池处于开路状态时，虽然没有外电流流过，不会出现电化学成流反应和电解水反应。但正极活性物PbO 2和负极活性物Pb 仍然会与稀硫酸产生化学反应，产生少量的氧和氢，同时生成硫酸铅，其总的结果相当于电池在放电，所以称为自放电反应。
酸的浓度越高，自放电反应速度就越快，因而在电池放电容量许可的条件下，应尽可能采用较稀的电解液。此外，当电解液或活性物质中含有杂质时，尤其是铁，其自放电反应速度就会显著增加，因而制造电池时的原材料应尽可能保证杂质含量合格，电池在使用和维护过程中也要竭力避免杂质进入电池。
4、氧复合反应
虽然铅蓄电池在充电时不可避免地会发生电解水反应，但研究结果表明， 正极的充电接受能力较负极差。正极的充电态达到70%时氧就开始析出，而负极充电到90%时才会析氢。此外，正极析出的氧跟新生成的负极活性物质铅Pb 可以很快起反应，利用这些特点，采取下列措施可以实现电池密封。
图1-1 VRLA 蓄电池结构示意图
VRLA 蓄电池在设计时采用“紧装配”结构，使用AGM 隔板和“贫液式”设计，使正极析出的氧很容易通过隔板到达负极，被新生成的负极活性物质铅Pb 吸收，复合成水。
O 2 + 2Pb → 2PbO
-------（8） -------（9） PbO + H2SO 4 → PbSO 4 +H2O
生成的PbSO 4在充电时又通过（4）式反应生成负极活性物质铅Pb ，如此以来达到了“阴极吸收”氧的目的。
图1-2 充电末期电池内部反应示意图
三、影响VRLA 蓄电池组使用寿命的原因
研究影响VRLA 蓄电池组使用寿命的原因，首先要了解影响单体电池寿命的主要因素。总结起来主要有两个方面：一是蓄电池自身特性决定的内在因素，二是外部环境及使用方法带来的外部因素。
1、影响VRLA 蓄电池使用寿命的内在因素
影响VRLA 蓄电池使用寿命的内在因素与产品设计、生产工艺、所用材料密切相关，主要反映在以下几个方面：
失水
VRLA 蓄电池为“贫液式”设计，其中的电解液量受到严格控制，且为出厂前一次性加注，一旦减少很难恢复。因此，当电解液中的水分减少到一定程度，就会引起VRLA 蓄电池失效。一般情况，VRLA 蓄电池隔膜中的电解液饱和度应大于95%，资料表明，如果VRLA 蓄电池电解液饱和度下降10%，其容量下降20%以上，按照蓄电池标准[2]，VRLA 蓄电池容量下降到额定容量的80%视其寿命终止。
造成VRLA 蓄电池失水的原因很多，一般来说，主要有以下几种情况[4]： ● 由于栅板腐蚀而失水；
● 由于氧复合不完全，有气体经安全阀排除而失水；
● 由于VRLA 蓄电池壳体内外压力不同，使水通过壳体材料渗透而失水； ● 由于安全阀设计不当，经常动作而失水；
● 长时间过充电，造成电解水产生过量气体经安全阀排出而失水； ● 其它非正常失水。
负极板硫化
VRLA 蓄电池在充电过程中，负极消耗硫酸铅（PbSO 4），生成海绵状铅（Pb ）；在放电过程中，负极消耗海绵状铅（Pb ）生成硫酸铅（PbSO 4）。整个充放电过程应该完全可逆，理想情况下，负极的活性物不会减少。
但是，实际运行中，如果放电后未及时充电，或者放电时间持续较长（例如小电流深度放电），或者长时间充电不足（例如长期搁置不用），由于硫酸铅本来在电解液中的溶解度较低，容易造成硫酸铅结晶，形成较大的结晶颗粒附着在极板上。当再次进行充电时，结晶后的硫酸铅很难参与反应，一方面直接减少了负极活性物使容量降低；另一方面，结晶后的硫酸铅附着在极板上，堵塞极板微孔，降低活性物有效面积，同时使电池内阻增大，降低电池容量。 正极板腐蚀
VRLA 蓄电池充电后期，当正极荷电状态超过70%以后，正极板除了发生
（6）式的正常反应外，同时发生（7）式的电解水反应。电解水在正极析氧，负极析氢。正极析出的氧气大部分扩散到负极被还原生成水，另一部分氧气将正极板氧化腐蚀，还有一部分通过安全阀排出电池。
正极板腐蚀，由金属铅生成PbO 2，需要耗氧气，因此造成蓄电池失水，降低蓄电池容量。PbO 2的摩尔体积比铅的摩尔体积大21%，由于PbO 2是铅经过固相反应氧化生成的，因而会在致密的腐蚀层中产生机械应力[5]。因此，正极腐蚀严重时会出现正极增长变形，造成活性物与栅板脱落，甚至正极板失效。 热失控
当VRLA 蓄电池电压超过正极板的析氧的电压（2.3V ），长时间大电流充电时，由于电解水产生大量气体。由于正极板产生的氧气可以扩散到在负极被吸收，吸收氧气是明显的放热反应，电池的温度会因此提升。如果电池已经出现失水，玻璃纤维隔板的无酸孔隙增加，会加快氧循环速度，产生的热量会更多，电池温升也更高。而电池的温升也会加速正极板析氧，形成恶性循环——热失控。在热
失控状态下，析氧量增加，电池内的气压增加，当达到塑料电池外壳的玻璃点温度的时候，电池开始鼓胀变型，这种变型除了影响电池内部的机械结构以外，还会形成电池漏气，而导致更加严重的失水漏酸。 尽管电池热失控现象发生的不多，但是一旦发生热失控，电池的寿命会迅速提前结束。
2、影响蓄电池使用寿命的外在因素
过充电
VRLA 蓄电池过充使得正极析氧，加速极板腐蚀，造成蓄电池失水，降低蓄电池容量。大量研究表明，蓄电池过充电超过5%，连续工作120天，其寿命减少50%[6]！这点也可以从YTD/799-2010标准“过充电寿命试验”一节得到印证。
图1-3 过充电对VRLA 蓄电池寿命的影响
图1-4：YTD/799-2010标准中规定的蓄电池寿命折算方法
图1-5 YTD/799-2010标准中过充电寿命的试验方法
按标准中的过充电试验条件：在25±5℃环境中，充电电流为0.02C 10，对于通信基站常用的500AH 蓄电池而言，相当于浮充电流为1A 时，连续工作30天，蓄电池的寿命将缩短1年！这实际上是利用过充电对蓄电池寿命的影响来完成蓄电池寿命的加速测试。
过放电
VRLA 蓄电池过放电，会造成负极硫酸铅结晶，形成很难参加充电反应的大颗粒硫酸铅（俗称负极硫酸盐化），造成负极活性物减少，内阻增加，降低蓄电池容量。因此，实际应用中应该尽量避免蓄电池过放电。
充电不足
VRLA 蓄电池长期充电不足，也会加速负极硫酸盐化，造成负极活性物减少，内阻增加，降低蓄电池容量。因此，一旦电池组出现放电，应尽快给电池组充电。对于浮充应用的VRLA 蓄电池组，要尽量保持电池组浮充电压的一致性，避免个别单体电池电压偏低长期处于充电不足状态，造成容量下降。
环境温度
图1-6 某厂家说明书中给出的温度与电池寿命关系图
环境温度对蓄电池寿命的影响是显而易见的，电池厂家在相关使用说明中都有明确的说明。通常认为，环境温度以25℃为参考点，每上升10℃，长时间工作蓄电池寿命降低50%！
图1-7 YTD/799-2010标准中高温加速浮充寿命的试验方法
通信行业标准YTD/799-2010中，对高温加速浮充寿命试验给出了具体方法，对于设计寿命为8年的蓄电池，60℃±2℃连续工作240天其寿命终止。
因此，对于长时间浮充运用的蓄电池，要求充电设备进行温度补偿设置。
四、如何延长蓄电池组的使用寿命
通过以上分析，我们对VRLA 蓄电池有了初步的认识，针对影响蓄电池寿命的各项因素，用户可以创造对VRLA 蓄电池工作有利的条件，延长蓄电池的使用寿命。总结起来，有以下几个方面：
1、 提供适宜的使用环境
VRLA 蓄电池对环境温度比较敏感，适宜的环境温度是延长VRLA 蓄电池使用寿命的基本条件。通常，增加空调设备是最好的解决方法，如果没有条件安装空调设备，则需要选择满足特殊环境应用的蓄电池。同时，相应充电设备应该设置合适的温度补偿系数，对蓄电池组进行温度补偿充电。
2、 选择优质的充电设备
对于充电设备的选择着重参考以下几个方面：
● 具有较好的恒流充电功能；
一般，VRLA 蓄电池初始充电要求采用0.1C ——0.25C 的充电电流进行恒流充电（不同厂家范围不同），过大的充电电流有损于蓄电池使用寿命，过小的充电电流使蓄电池容量充满时间较长，后备保障存在风险。
● 具有较好的恒压充电功能；
由于VRLA 蓄电池对充电电压又严格要求，因此，要求充电设备可设置充电电压满足不同型号蓄电池。电池厂家对充电设备输出电压精度也有要求，一般要求充电设备电压精度优于±2%（不同厂家要求不同）。但实际应用中，推荐充电设备电压输出精度优于0.5%为佳（现代电源技术完全能满足要求）。如果按厂家基本要求±2%计算，对于通信48V 电源系统配置的蓄电池组，一般25℃时浮充电压为54.0V ，电源输出要是出现+2%偏差，实际充电电压将达到55.1V ，蓄电池组有过充电危险；电源输出要是出现-2%偏差，实际充电电压将只有52.9V ，蓄电池组有充电不足的危险。
具有温度补偿功能；
由于，VRLA 蓄电池受环境温度影响较大，电池厂家要求用户使用蓄电池时，要对蓄电池的充电电压进行温度补偿。一般对于2V 单体电池，温度补偿系数为-3 mV/℃—-7mV/℃，不同厂家具体要求有差异，大部分厂家的温度补偿系数为-3mV/℃。因此，选用的充电设备应具备温度补偿功能，要求补偿系数可设置。
3、保证VRLA 蓄电池组有较好的一致性
蓄电池组不一致性形成原因
蓄电池不一致性的产生有两方面原因：
一方面是与生俱来的，是蓄电池设计生产过程中，由于工艺控制差异、材质差异，使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别，这种电池内部结构和材质上的不完全一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数值不可能完全一致；
另一方面是使用过程中的环境差异造成的，由于电池组中各个单体电池的环境温度、通风条件等差别的影响，使电池组各单体电池工作温度存在差异，从而使在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。 标准对蓄电池组一致性的要求
VRLA 蓄电池组的一致性主要体现在电压的一致性、内阻一致性和容量的一致性三个方面。对于成组使用的VRLA 蓄电池，一致性是非常重要的指标，电池厂家出厂配组就是要保证蓄电池组的一致性，一致性的好坏直接影响电池组的使用寿命。通信行业标准YTD/799-2010中对蓄电池组的一致性有明确要求：如图1-8、图1-9、图1-10所示。
图1-8
YTD/799-2010标准对蓄电池组电压一致性的要求
图1-9 YTD/799-2010标准对蓄电池组容量一致性的要求
图1-10 YTD/799-2010标准对蓄电池组内阻一致性的要求
蓄电池组不一致性如何影响其使用寿命
对于串联成组使用的VRLA 蓄电池，目前所有的充电设备都是针对整组蓄电池进行充电管理的。例如，48V 通信系统使用的VRLA 蓄电池组，通常是由24节
2V 单体电池组成。
一方面，由于蓄电池组各单体电池的容量总存在差异，当串联成组充电时，容量较小的单体电池电压上升较快，反之容量大的单体电池电压上升较慢；进入浮充后，电压上升较快的单体电池必然过充电，而电压上升慢的单体电池存在充电不足。因此，对于长期浮充的蓄电池组，必然存在一些单体电池长期过充电，而一些单体电池长期充电不足，两种情形都会造成蓄电池容量下降，原因已经在
第三节详细分析过，这里不再赘述。
另一方面，由于蓄电池组各单体电池的内阻也总存在差异，当串联成组充电时，内阻较大的单体电池电压上升较快，内阻较小的单体电池电压上升较慢；进入浮充后，电压上升较快的单体电池必然过充电，而电压上升慢的单体电池存在充电不足。因此，对于长期浮充的蓄电池组，必然存在一些单体电池长期过充电，而一些单体电池长期充电不足，两种情形都会造成蓄电池容量下降
综合上述两方面原因，都会使蓄电池组各单体电池之间的差异变得更大，如果不加以控制，将进一步加速电池组容量下降，形成恶性循环。这也是实际应用过程中，大部分VRLA 蓄电池组使用寿命远远低于设计寿命的主要原因。
五、电压一致性对电池组使用寿命影响实例
1、美国有线电视对电池失效的统计分析[7]
2005年，Brian Kuhn等人对美国中西部地区有线电视网络使用的846组12V 铅酸蓄电池（2538只）进行了统计分析，这些电池长时间处于浮充工作状态，与通信系统的后备电池应用相似。统计数据参见表1-1，分析发现，电池浮充电压偏差越大，其实际使用寿命越短。尤其是正偏差影响更大，电压长期偏高3.7%，电池寿命下降了69%；电压长期偏低3.7%，电池寿命下降了42%！其统计分析的结果与VRLA 电池失效原因是吻合的，正偏差的电池长期处于过充电状态，由于极板腐蚀，电池失水等原因，造成电池寿命缩短。负偏差的电池长期处于充电不足状态，造成负极硫酸盐化，容量下降。根据表1-1绘制了电池电压偏差分布图（图1-11）和电压偏差与电池寿命的关系图（图1-12）。
表1-1:对846组VRLA 电池（2538只）的统计结果
图1-11 电压偏差分布图
图1-12 电压偏差与电池寿命的关系图
2、主动均衡延长VRLA 电池寿命实验分析[8]
美国PowerDesigners, LLC的工程师Nasser H. Kutkut对两组相同的蓄电池做了电压平衡实验，第一组未采取均衡措施，第二组采用了“两两均衡”技术，对两组同型号电池在相同环境下做循环充放电实验。如图2-12，将两组蓄电池放置在恒温箱里，保持环境温度为25±1℃。
图1-12 相同环境下对两组电池充放电比较实验
实验以电池组容量降低到80%认为其寿命终止，从图1-13可以清晰看到，没有采取均衡措施的第一组电池，经过50个充放电周期后输出能量明显下降；而有均衡措施的第二组电池，在150个充放电循环里输出能量得到很好的保持（图中的尖峰为计算机通信错误所致）。
图1-13 电池循环次数与能量输出关系图
图1-14 电池循环次数与容量关系图
从图1-14清楚地看到，未采取均衡措施的第一组电池，随着充放电次数的增加，容量一直在降低。实验进行到169次充放电后，第一组电池的容量已经下降了35.5%。而采取了均衡措施的第二组电池，在前60
次充放电其容量一直回
升，从第61次后开始缓慢下降，但169次充放电后其容量比最初的容量还高了
2.6%！
表1-2：两组电池测试数据摘要
图1-15 第一组电池（无均衡）150次循环后的放电容量图
图1-16 第二组电池（有均衡）150次循环后的放电容量图
从图1-15和图1-16可以看出，经过150次充放电循环以后，未采取均衡措施的第一组电池放电容量只有14.25AH ，是初始容量的69.9%；而采取均衡措施的第二组电池150次充放电循环后放电容量仍达到22.55AH ，比初始容量还高。
图1-17 第一组电池（无均衡）第130次循环的充放电曲线
图1-18 第一组电池（无均衡）第130次循环的放电曲线部分
从图1-17和图1-18可以看到，第一组电池（无均衡）第130次充放电时，充电过程中3号电池电压明显低于其它电池，进入“均充”阶段，2号和4号电池已经过充了，但3号电池仍明显低于其它电池，处于未充满状态。随后的放电周期里，3号电池电压下降也明显比其它电池快，放电末期3号电池率先跌破10.5V ，成为电池组的“落后”电池。
图1-19 第二组电池（有均衡）第130次循环的充放电曲线
图1-20 第二组电池（有均衡）第130次循环的放电曲线部分
从图1-19和图1-20可以看到，第二组电池（有均衡）第130次充放电时，充电过程中所有电池电压总是保持一致，进入“均充”阶段仍然保持一致，放电期间所有电池仍然保持一致。这是因为测试采用的“两两均衡”技术，没有作任何限制，在整个充放电周期均进行均衡操作。当然，第二组电池经过150次循环容量不降反升，并不说明这组电池的寿命没有受到影响，为了了解采取均衡措施的第二组电池究竟可以工作多少个充放电循环。150次以后继续对第二组电池进行测试，并且每50次循环后做一次容量测试，结果如图1-21所示。
图1-21 两组电池寿命比较
测试结果显示，采取均衡措施的第二组电池一共进行了465次充放电循环，其中第425次开始，其容量降低到初始容量的80%。表1-3记录了第150次，第385次和第425次的测试结果。值得注意的是，没有采取均衡措施的第一组电池150次循环后容量降低到80%，采取均衡措施的第二组电池第400次循环后容量才降低到90%，但之后容量下降速度明显加快，仅仅在第425次循环容量降低到80%。通过两组电池在相同环境进行充放电循环测试看到，保持电池组电压均衡对延长电池组寿命是非常有意义的。
表1-3：第150、385、425次测试记录
图1-21是两组电池容量测试结果。结果清楚的看到第二组电池（有均衡）经过420个满循环后与第一组电池（无均衡）经过150个满循后容量下降到80%。有趣的是，进行测试的电池厂家给出的100%深度放电（DOD ）次数是250次。可见，没任何均衡措施时，电池组使用寿命只有厂家规定的电池寿命一半多一点；而采取均衡措施后，电池组的使用寿命比厂家规定的寿命高出将近一倍！二者比较起来，采取均衡措施以后，电池组的使用寿命提高了三倍！
为了测试的准确性，实验者用另外一组新电池代替第一组电池（依然没有采用均衡措施）进行了重复测试，测试结果是140次满循环后其容量下降到80%。
第二章 蓄电池均衡技术
一、蓄电池均衡技术概述
人们很早以前就认识到蓄电池组单体电池之间的不一致性对其性能的影响，早在开口电池时代，电池维护工程师就通过调节铅酸蓄电池电解液浓度的方法来改善蓄电池组的一致性，这可以算是早期出现的“物理性”电池均衡技术。但随着VRLA 蓄电池普及应用，原来这种通过调节电解液浓度的方法不再适用（因为VRLA 蓄电池是密封的）。
1、被动均衡技术
为了解决蓄电池组均衡问题，电池厂家提供了传统的“均衡充电”技术（简称“均充”）——所谓“均充”，就是将每个单格电池的充电电压提高大约100mV 进行充电。例如，对于2V 的电池，正常浮充电压为2.25V ，“均充”电压为2.35V 。当然，每个厂家具体要求不一样。一般，厂家要求放电容量超过20%，再次充电要进行“均充”，“均充”持续时间不超过24小时，推荐10个小时。如果长期浮充没有放电，则要求6个月启动“均充”一次。
“均充”技术是利用蓄电池过充电后，浮充电流会增大，从而给原来充电不足的单体电池补充充电。实际上是牺牲一部分单体电池过充电，为另一部分单体电池补充充电，这是不得已的办法。我们把这种“均衡充电”称为被动均衡充电。
2、主动均衡技术
随着电子技术的不断发展，人们在原有充电设备以外，借助相应电子设备实现蓄电池组的电压均衡——我们将这种方法称为主动均衡。从技术本质上看，主动均衡主要分三大类：电阻均衡技术、电容均衡技术和电感均衡技术。目前国内外很多研究机构，包括国内很多高校都在深入研究电池均衡技术，目前研究重点基本都着眼于电感均衡技术上。这个现象实际上也反应了电池均衡是有助于延长电池寿命的。下一节将详细介绍主动均衡技术的发展及应用情况。
二、主动均衡技术的发展[9]
1、电阻均衡器
图2-1 电阻均衡器原理示意图
如图2-1所示，电阻均衡器是最简单的电池均衡技术，它通过消耗能量的方式达到电池平衡。优点是电路结构简单，缺点是均衡器工作时要以发热的形式消耗电池能量，所以均衡电流较小，主要应用在小容量蓄电池。例如Linear Technology 公司生产的锂电池监测芯片LTC6802就采用这项均衡技术。
2、电容均衡器
图2-2 电容均衡器原理示意图
如图2-2所示，电容均衡技术是为了解决电阻均衡器消耗电池能量的缺陷而诞生的，采用开关技术将电压高的单体电池能量通过一个高压大功率电容转移到电压低的单体电池。与电阻均衡器相比，电容均衡器可提供更大的均衡电流，
但它自身缺点也很明显——控制电路
复杂，当单体电池之间差异很大时，将产生较大的浪涌电流，成本相对较高。
3、电感均衡器
图2-3 电感均衡器原理示意图
如图2-3是电感均衡器原理示意图，事实上，电感均衡器是应用最广泛的，原因是它完美地解决了电阻均衡器和电容均衡器存在的明显缺陷，可以实现大电流、大容量的电池组均衡。显然，最基本的电感均衡器，为了降低纹波对单体电池的影响，每个单体电池需要两个开关进行控制；同时，基于电感均衡的技术，可实现限制均衡电流，
限制启动压差等复杂控制，使均衡器工作更可靠、效率更高。因此，
控制电路复杂，制造成本高是电感均衡器的明显缺点。
4、Cuk 均衡器
图2-4 Cuk 均衡器原理示意图
如图2-4是Cuk 均衡器原理示意图，显然它集中了电容均衡器和电感均衡器的优点，图中的电容不需要像电容均衡器里的高压大功率电容，同时每个单体电池只需要一只控制开关，明显降低了基本控制电路的成本，但仍保留电感均衡器的控制特点。国外多家研究机构也基于此拓扑提出了多种均衡电路专利，但目前仍未见相应产品投入市场应用。例如：
最具代表性的有美国洛克希德. 马丁公司2000年在美国申请的专利——自动电池均衡电路（US006140800A ），同年在中国专利局提出申请并公开，2002年专利转移到BAE 系统控制有限公司，2006年在我国取得授权（专利号 CN 00117927.6），如图2-5所示；
图2-5 专利 CN 00117927.6的均衡电路
5、基于变压器的均衡器
图2-6 多绕组变压器均衡器原理示意图
最早提出基于变压器的均衡电路如图2-6所示——多绕组变压器均衡器，研究者认为只要保证各次边绕组与主边绕组的匝比一致（1：n ，n 为串联的单体电池数量），就可以实现均衡充电。然而，实际上这样的变压器很难生产出来，由于变压器分布参数、
绕组位置的不同
决定实际上每个绕组的输出电压差异很大。因此，这仅仅是一个理论性的均衡拓扑。为了解决上述问题，研究者进而提出如图2-7所示的均衡电路——多变压器均衡器。
图2-7 多变压器均衡器原理示意图
如图2-7所示的多变压器均衡器，采用匝比为1:1的n （n 为串联的单体电池数量）只变压器，自动实现电池组均衡。虽然这个拓扑结构比图2-6的拓扑优越了，然而实际生产中由于变压器铁芯材料的差异，以及变压器绕制工艺控制的难度，还是很难做到n 个变压器具有良好的一致性，因此还是很难产品化。尽管如此，国外研究机构仍然申请了专利保护，如图2-8到图2-10。2015年美国Linear Technology 公司正式推出用于锂电池均衡的IC 电路——LTC3300-2是基于多变压器均衡技术的“高效率双向均衡器”，如图2-11所示。
图2-8 US005956241A 专利均衡电路图
图2-9 US [1**********]1A1专利均衡电路
图2-10 US0055982143A 专利均衡电路图
图2-11 LTC3300-2实现“高效率双向均衡”
6、DC/DC均衡器
图2-12 DC/DC均衡器原理示意图
DC/DC均衡器原理如图2-12所示，利用嵌入式技术，在完成对VRLA 单体电池监测的同时，自动控制相应DC/DC模块（辅助充电）对电压较低的单体电池进行补充充电，最终使整组电池电压得到均衡。在DC/DC均衡技术中不存在均衡级联的问题，因此整体均衡效率与单个均衡效率是一样的（国内现有的DC/DC技术，效率很容易做到90%；对于2V 单体电池效率也能到达80%），特别适合用于电池数量较多的场合。该拓扑的优点是不要求DC/DC模块本身的一致性，解决了基于变压器的均衡器对自身绕组一致性要求的问题，同时还提高了均衡效率，这种均衡器是VRLA 电池均衡的最终解决方案。
例如，北京汇众实业总公司推出的HZ-BEM 蓄电池组在线维护装置就采用了这种拓扑结构。
三、VRLA 电池均衡技术的可行性分析
1、概述
虽然全世界很多研究机构都在对电池均衡技术进行研究，但电池均衡技术的实际发展并不乐观，尤其是针对VRLA 电池的均衡技术发展缓慢。近10年随着电动汽车的蓬勃发展，电池均衡技术也得到带动，主要是基于锂电池的均衡技术。针对VRLA 蓄电池组的均衡技术受到各方面因素制约，发展缓慢。
那么，机房基站常用的VRLA 电池均衡技术与汽车锂电池均衡技术有什么区别？
A 、 汽车锂电池为循环动力电池，用于机房基站的VRLA 电池为
浮充电池，二者的均衡侧重点不一样。动力电池要求充电过程及放电过程都必须均衡；浮充电池可以忽略充放电过程的均衡。
B 、 汽车锂电池单个Cell 容量较小，需要的均衡电流较小；用于
机房基站的VRLA 电池容量较大，需要的均衡电流较大。
C 、 汽车锂电池体积较小，均衡器与电池之间的连续较短，可以
采用多种灵活的均衡技术；用于机房基站的VRLA 电池体积较大，数量较多（例如，电力操作系统的220V 蓄电池组由103—108节2V 单体电池组成），因此，均衡器与蓄电池的连接线较长，限制了一些均衡技术的应用。
2、不适于VRLA 电池的均衡技术
电阻均衡器
早起出现的电阻均衡器由于采用直接耗能的均衡模式显然不适用于大容量的VRLA 电池组。否则，均衡过程产生大量的热，将影响VRLA 电池的正常工作环境；同时，也会给系统带来安全隐患。 电容均衡器
对于VRLA 电池组的均衡，如果采用电容均衡器，要求那只用于搬移能量的电容应具有较大的容量，否则起不到均衡作用。但是，如果电容的容量较大，当电池一致性较差时，在能量转移过程中容易产生电容“打火”现象，VRLA 电池出现过充时，可能排出易燃气体H 2。
显然这种环境不适合采用电容均衡技术。
3、适用于VRLA 电池的均衡技术及性能比较
电感均衡器
由于电感均衡器可以实现大电流均衡，并且在均衡电路中可增加相应检测及控制单元实现当单体电池压差达到设定值再启动均衡电路，这样既可以实现电池均衡，同时有效提高均衡效率。但由于基本的电感均衡技术存在电路成本较高、增加相应控制电路较为复杂，因此，它也仅仅是理论上适用于VRLA 电池均衡。真正要产品化，还是在其基础上改进后的其它均衡技术。
Cuk 均衡器
我们以美国洛克希德. 马丁公司的专利来进行分析，如图2-13是其原理示意图：
图2-13 洛克希德. 马丁公司推出的“两两均衡”电路
该电路的优点在于它不依赖外部其它智能设备干预，即可独立完成相邻两个单体电池之间的均衡。要实现N 只电池的均衡，需要如图2-13的N-1个部件。一旦相邻单体电池之间电压差达到一定值，将启动均衡电路，系统总能将电压最高的电池的能量“转移”到电压最低的一节单体电池，只是需要通过其它单体电池中间“传递”。由于电路简洁很容易模块化，模块可就近电池安装。其中的启动电路可根据需要设定相邻两只电池压差达到一定值时自动开始均衡工作，在无须对单体电池电压进行监测的应用场合，该技术很容易实现与VRLA 电池的集成。
该均衡电路应用在12V 的单体电池时，均衡效率可达到87%—90%，电路损耗主要是开关损耗，导通损耗相对较小；但应用在2V 单体电池时效率则只能达到80%左右，原因是图中续流二极管的压降对于2V 单体电池来说太高了！电路损耗除了开关损耗之外，导通损耗已经成为电路损耗的主要部分。
其实，该均衡技术即使应该在12V 的单体电池，当电池数量较多时（例如机房常用的400VUPS 系统，通常由32节12V 单体电池串联而成），如果第一节电池电压最高，而最后一节电压最低，那么系统需要通过中间其它电池“传递”31次才能完成均衡任务。电路均衡效率按最高值90%计算，通过31次“传递”后，电路的效率实际为：（90%）31=3.8%。这样跟电阻均衡几乎没有区别，均衡的能量绝大部分以发热的形式消耗。即使折中按15次“传递”计算，电路的均衡
效率实际为：（90%）15=20.6%。
因此，该均衡技术仅适用于单体电压较高，单体电池数量很少的场合，例如由4只12V 单体电池组成的通信用48V 基站电源后备电池系统就很适合采用此项均衡技术。总体均衡效率低就是制约该项均衡技术推出实用产品的根本原因。
基于变压器的均衡器
基于变压器的均衡器，有两种设计思想：
第一种是希望利用多绕组变压器，使每个绕组输出均衡的电压分别给相应的单体电池补充能量，使电池组达到平衡。由于实际生产中，变压器铁芯的差异以及绕制工艺的细微差别造成各绕组的输出很难到达均衡，因此这种设计最终很难实现产品化。
图2-14 Linear Technology 推出的“高效率双向均衡”IC
第二种设计思想，是利用变压器及相应的开关电路，希望将电压较高的单体电池能量回馈到电池组，通过电池组给电压较低的单体电池补充能量，从而达到电池组均衡的目的——例如，Linear Technology公司推出的LT3300-2芯片，就提供了一种双向均衡的拓扑，如图2-14所示。这种双向均衡电路从技术上看是可行的，但是电路结构较为复杂，产品化的成本较高。另外，由于均衡过程中电荷的传送是以高频交流的形式实现，对于电磁兼容要求较高的场合不适合采用此项均衡技术。由于VRLA 电池组体积较大，几十只单体电池组成的电池组，往往布线达到几十米，显然类似于LT3300-2这样的均衡技术不适宜。 DC/DC均衡器
图2-15 DC/DC均衡技术拓扑示意图
利用嵌入式技术，在完成对VRLA 单体电池监测的同时，自动控制相应DC/DC模块（辅助充电）对电压较低的单体电池进行补充充电，最终使整组电池电压得到均衡。DC/DC均衡技术的特点：
● 均衡效率高
与“两两均衡”技术不同，DC/DC均衡不存在均衡级联的问题，因此整体均衡效率与单个均衡效率是一样的（国内现有的DC/DC技术，效率很容易做到90%；对于2V 单体电池效率也能到达80%以上），特别适合用于电池数量较多的场合。
● 均衡时间短
DC/DC均衡技术很直接，哪个单体电池电压低，立即对它进行补充充电，均衡及时，整体均衡时间短，效果明显。“两两均衡”需要通过中间电池进行“传递”才能最终均衡，均衡时间长。
● 均衡过程中不产生谐波干扰
DC/DC均衡技术采用纯直流方式进行补充充电，DC/DC模块输出为直流信号，不会在VRLA 电池组中产生额外谐波。“两两均衡”技术是通过高频振荡传递能量，处于均衡的单体电池上存在谐波信号；“双向均衡”技术本身为了实现“双向均衡”其输出也是以“交流”信号传递能量，处于均衡的单体电池及电池组中都存在“均衡”时产生的谐波信号；
参考文献：
[1]Liu, Shengqing, Discussion on usage and maintenance of VRLA Battery Used for Telecommunication, Communications Today, 2006(3):62-65
刘圣庆. 通信用 VRLA 蓄电池使用与维护探讨[J]. 当代通信，2006(3):62-65
[2] Valve-Regulated Lead Acid Battery for Telecommunications YD/T799- 2010 通信用阀控式密封铅酸蓄电池 YD/T799- 2010
[3] 桂长清，阀控密封铅蓄电池的基本结构和工作原理. 通信电源技术，2006(1):68-70
[4] 周志敏，阀控式密封铅酸蓄电池实用技术. 中国电力出版社（2004）
[5] Detchko Pavlov，Lead-Acid Batteries:Science and Technology
德切柯. 巴普洛夫，铅酸蓄电池科学与技术，段喜春、苑松 翻译，机械工业出版社（2015）
[6]王鹤 等，延长阀控密封铅酸蓄电池寿命研究——过充电保护与温度补偿特性. 电源技术，2001(6):206-207
[7] Brian Kuhn, Lifetime Effects of Voltage and Voltage Imbalance on VRLA Batteries in Cable TV Network Power IEEE Int 2005
[8] Nasser H. Kutkut. Life Cycle Testing of Series Battery Strings with Individual Battery Equalizers
[9] Muhammad H.Rashid，Power Electronics Handbook 2011（V3 P1346-1347）