通信基站電池的維護與修復

深圳市維迪澳環保科技有限公司 許鳳山(518110)
澳大利亞電池技術股份有限公司 趙鐵良(100089)

作為后備電源的大容量鉛酸蓄電池(以下簡稱“電池”)是基站電源的保障.在國內出現“電荒”的時候,后備電源的可靠性顯得格外重要.在長三角和珠三角地區,每周內停三供四的時間很多,甚至出現聽四供三更加嚴重的局面.多數處于野外的基站,其供電是難以保證都是采用一、二類電源的,這樣,電池的可靠性問題尤其嚴重.
雖然目前的科學技術飛速發展,近年鉛酸蓄電池的發展也比較快,基本上以大型閥控密封式鉛酸蓄電池代替了防算酸隔爆型電池.就是大型閥控密封式鉛酸蓄電池近些年也在發展.但是大容量的固定電池還是以鉛酸蓄電池為唯一的選擇.如何延長鉛酸蓄電池的正常使用壽命,一直是業內人士探討的主要問題.
相同的電池,在不同的設備條件、不同的使用條件和不同維護條件下使用壽命相差很大.這就需要在設備條件、使用條件和維護條件上尋找其差異.而電池失效的的幾個主要現象是:
a． 正極板軟化;
b． 正極板板柵腐蝕;
c． 負極板硫化;
d． 失水;
e． 少數電池出現熱失控(包括電池鼓脹).
下面,就以電池失效模式來探討設備條件、使用條件和維護條件對電池失效的影響及其應對方法.

一、 電池的失效模式及其原因

1、 電池的正極板軟化
電池的正極板是由板柵和活性物質組成的,其中活性物質的有效成分就是氧化鉛.放電的時候氧化鉛轉為硫酸鉛,充電的時候硫酸鉛轉為氧化鉛.氧化鉛是由α氧化鉛和β氧化鉛組成的,在2種氧化鉛中以其中α氧化鉛荷電能力小但是體積大,比為β氧化鉛堅硬,主要起支撐作用;β氧化鉛恰好相反,荷電能力大但是體積小,比為β氧化鉛軟,主要起荷電作用.α氧化鉛是在堿性環境中生成的,在電池內部一旦出現參與放電以后,在充電只能夠生產β氧化鉛.正極板的活性物質是多孔結構的,就與電解液——硫酸的接觸面積來說,多孔結構是平面的數十倍.如果α氧化鉛參與放電以后,重新充電以后只能夠生成β氧化鉛,這樣就失去了支撐,不僅僅會產生正極板活性物質脫落,而且脫落的活性物質還會堵塞正極板的微孔,導致正極板參與反應的真實面積下降,形成電池容量的下降.后備電源的電池使用年限要求比較嚴格,對電池的比容要求比較寬,因此后備電源使用的電池的后備電源的電池α氧化鉛和β氧化鉛比例比深循環的動力型電池大一些.為了減少α氧化鉛參與放電,一般控制放電深度僅僅為40%.隨著電池的使用時間的增加,電池的容量下降,新電池放電40%的電量,對于舊電池來說必然上超過40%的,所以舊電池就相當于放電深度深,電池的正極板軟化也會被加速.所以,電池的容量壽命曲線的后期下降速率遠遠高于中期.電池容量越小,放電深度越深,α氧化鉛損失也越多,正極板軟化也越嚴重,導致電池容量下降越快,形成了惡性循環.
這樣,電池的放電深度需要嚴格控制.實現這個控制的是靠基站的電源管理系統的國內和設置.目前控制電池放電深度的主要標準還是一次放電量和放電電壓.這樣,盡可能避免在應急的時候強制放電,而應該按照放電量來增加電池的容量.

2、 電池的正極板腐蝕
正極板的板柵中的鉛在充電過程中或被氧化為氧化鉛,并且不能夠再還原為鉛,形成正極板腐蝕.而氧化鉛的體積比鉛的體積大,形成體積線性增加變形,使正極板活性物質與板柵脫離,導致正極板失效.而過充電會嚴重加速正極板腐蝕.我們一般以為不會產生過充電狀態.實際上,基站的浮充電壓如果跟不上環境溫度的上升而進行下降的補償,過充電就產生了.如基站的空調不夠或者損壞,電池的過充電也會產生.這樣電池的正極板板柵在不同的使用條件下會有不同的腐蝕速度.長三角和珠三角地區的正極板腐蝕也會比內地嚴重,這與電池的使用環境溫度關系密切.

3、 電池的負極板硫化
電池放電以后,負極板的鉛轉換為硫酸鉛,如果不及時充電或者充電時間比較長,這些硫酸鉛晶體就會逐步聚積而形成粗大的硫酸鉛結晶,采用普通的充電方式是無法恢復的所以稱為不可逆硫酸鉛鹽化,簡稱硫化.
在折合單格電壓為2.25V的浮充狀態下,電池基本充滿電需要一周的時間,完全充滿電需要28天的時間,其間電池就處于欠充電狀態.在電池放電以后的12小時,就可以發現產生粗大的硫酸鉛結晶.在發生電荒的地區,電池的硫化相當嚴重.
在一般浮充狀態下使用,隨著日夜環境溫度的變化,硫酸鉛結晶也會聚積而形成粗大硫酸鉛結晶而導致硫化.
在冬季環境溫度比較低的時候,電池的浮充電壓應該相應的提升,如果浮充電設備沒有依據室溫相應的調解上升,電池欠充電就會產生,電池硫化也就產生了.
失水的電池相當于電解液的硫酸濃度上升,也形成了加速電池硫化的條件.
較快速的充電可以抑制電池的硫化,基站的充電電流相對都比較小,所以硫化程度比充電電流大的電池嚴重.另外,浮充電壓紋波越小,浮充電流的擾動越小,也形成了電池硫化的條件.
采用低銻合金的正極板的電池,浮充電壓比較低,也比其它鉛鈣錫鋁合金電池更加容易出現硫化.
從上面的硫化失效原因看看,很多電池的是無法避免的.特別是電池組發生單體電池落后的時候,個別落后的單體電池處于欠充電狀態,這樣該電池比其它電池更加容易硫化.
電池一旦出現硫化,靠單純的浮充和均充是無法解決的,必須采取其它措施.目前消除密封電池硫化的方法有化學法和脈沖法.化學法雖然會較快的消除負極板硫化,但是其副作用——增加電池自放電會比較明顯.這樣會形成新的失效模式.所以,除了應急處理以外,沒有任何電池制造商同意采用這種方法來修復電池.而脈沖修復硫化,屬于無損修復,這是近年來所廣泛提倡的方法.

4、 電池的失水
電池充電達到單體電池2.35V(25℃)以后,就會進入正極板大量析氧狀態,對于密封電池來說,負極板具備了氧復合能力.如果充電電流比較大,負極板的氧復合反應跟不上析氧的速度,氣體會頂開排氣閥而形成失水.如果充電電壓達到2.42V(25℃),電池的負極板會析氫,而氫氣不能夠類似氧循環那樣被正極板吸收,只能夠增加電池氣室的氣壓,最后會被排出氣室而形成失水.電池具備負的溫度特性,其析氣也與溫度特性一致.當電池溫升以后,電池的析氣電壓也會下降,溫升會導致電池容易析氣失水.長三角和珠三角地區夏季環境溫度比較高,如果沒有空調或者空調容量不足,會使電池失水增加.如果單體電池的浮充電壓折合為2.25V,在30℃的時候,電池失水比25℃條件下增加一倍,在40℃條件下,電池失水是25℃的8倍左右,除非相應的降低浮充電壓.
如果電池的正極板含銻,隨著銻的循環,部分的轉移到負極板上面.由于氫離子在銻還原的超電勢約低200mV,于是負極板銻的積累會導致電池的充電電壓降低,充電的大部分電流用來做水分解而形成失水.所以,我們認為在大型固定型電池中應該逐步淘汰低銻正極板的電池.另外,對在電池生產過程中,應該嚴格控制鉛鈣錫鋁正極板的含量.

5、 電池的熱失控
電池在均充狀態時,充電電壓會達到折合單格2.4V,這個電壓超過了電池正極板大量析氧的電壓,特別是在高溫環境中,大量析氧電壓會下降,這樣產生的析氧量會大幅度的增加.而正極板產生的氧氣在負極板會被吸收,吸收氧氣是明顯的放熱反應,電池的溫度會提升.如果電池已經出現失水,玻璃纖維隔板的無酸孔隙增加,會加速負極板吸收氧氣,產生的熱量會更多,電池溫升也更高.而電池的溫升也會加速正極板析氧,形成惡性循環——熱失控.在熱失控狀態下,析氧量增加,電池內的氣壓增加,當達到塑料電池外殼的玻璃點溫度的時候,電池開始鼓脹變型,這種變型除了影響電池內部的機械結構以外,還會形成電池漏氣,而導致更加嚴重的失水漏酸.
盡管電池熱失控現象發生的不多,但是一旦發生熱失控,電池的壽命會迅速提前結束.

6、 電池的不均衡
新電池的容量、開路電壓和內阻應該進行嚴格的配組.所以新電池一般離散性比較小.隨著電池使用,電池在制造工藝中必然存在的微小差距會被擴大.
如電池開閥壓的區別,會導致電池失水不同.失水多的電池相當于電池的硫酸比重提升,導致電池開路電壓增加,也是該單體電池的充電電壓相當于其它電池電壓高,而在串聯電池組中的其它電池分配的電壓就會下降,形成其它電池的欠充電.欠充電的電池內阻會增加,放電的時候電池電壓會更低,充電電壓跟不上,導致電池電壓高的更高,低的更低.
電池正極板軟化的差異隨著充放電也會被擴大.當電池正極板發生軟化的時候,脫落的活性物質會堵塞一部分微孔,正極板上單位面積的電流密度會增加,而增加電流密度的反應部分的充放電活性物質的膨脹收縮更加厲害,導致正極板軟化被加速,這樣就形成的容量落后的電池更加落后.
電池的負極板發生硫化,放電電流的密度也會增加,相當于增加了放電深度,硫酸鉛結晶會比較集中在放電部位,形成較大的硫酸鉛結晶.硫酸鉛結晶體積越大,其吸附能力也相對增加,導致硫化更加嚴重.而硫化的電池在放電過程中也相當于增加了放電深度,硫化也更加嚴重.所以,電池容量的下降也會形成惡性循環.
從電池的壽命容量曲線看,電池的容量總體上是逐步加速的.凡是電池出現不均衡,總是加速的.
對于電池的不均衡,目前唯一的充電方式是采用“均充”,其愿望是對充滿電的電池實現增加電池的副反應,把欠充電的電池充滿電.但是,實際上,這個作用不足以恢復電池的均衡.目前比較有效的方法還是采用單體電池的補足充電.可是一般基站和修復隊伍都不具備這個設備條件.

二、 對策

1、 設備管理與改造
a. 機房環境溫度對電池的壽命影響至關重要.除了配備相應的空調設備以外,應該增加和完善機房溫度的遙測,在中心機房就可以發現任意一個機房溫度超溫(高溫和低溫)報警,以便及時處理.
b. 檢測浮充電壓和均充電壓與環境溫度的的關系,應該依據電池的特性具備-3mV~-4mV/℃/單格 的特性.

2、 均衡充電和容量配組
為了防止電池落后,對單格電壓低的電池進行單獨充電.現在已經開發了2V/50A的充電器,可以用來給落后的電池單獨充電.也可以通過2V/50A的放電器對進行精確的容量測試.以便進行容量配組.

3、 消除硫化
消除電池硫化的方法有幾種方法,各有特點.
a. 水療法
如果硫化不太嚴重,可以使用較稀的電解液,密度在1.100g/cm3以下,即向電池中加水稀釋電解液,以提高硫酸鉛的溶解度.并用20h率以下的電流,在液溫30℃~40℃的范圍內較長時間充電,可能得以恢復.如果電解液密度較高,則充電時只進行水分解,活性物質難以恢復.對于密封電池來說,水療法是無法進行的.另外,水療法的成本和使用工時都比較大.現在有了脈沖修復的方法,已經很少見到水療法了.
b. 化學處理方法
采用化學添加劑,在電池發生硫化的時候使用.這種方法對消除硫化是行之有效的,但是其副作用不可忽視.主要問題是會形成自放電明顯增加,所以一般的電池制造商都不敢使用.
c. 大電流充電
若認為吸附是造成硫酸鹽化的原因,則可以用高電流密度充電(達100mA./cm2).在這樣的電流密度下,負極可以達到很負的電勢值,這時遠離零電荷點,使φ-φ(0)<0,改變了電極表面帶電的符號,表面活性物質會發生脫附,特別是對陰離子型的表面活性物質,這種有害的表面活性物質從電極表面上脫附以后,就可以使充電順利進行.目前國內幾乎沒有人使用這種方法處理不可逆硫酸鹽化,可能出于以下考慮:高電流密度下極化和歐姆壓降增加,這部分能量轉化為熱,使蓄電池內部溫度升高,同時又有大量的氣體析出,尤其是正極大量氣析出氣體,其沖刷作用易使活性物質脫落.
d. 脈沖修復
按照原子物理學和固體物理學的原理,硫離子具有5個不同的能級狀態,通常處于亞穩定能級狀態的離子趨向與遷落到最穩定的共價鍵能級而存在.在最低能級(即共價鍵能級狀態),硫離子包含8個原子的環形分子形式存在,這8個原子的環形分子模式是一種穩定的組合,難以被打碎,形成電池的不可逆硫酸鹽化——硫化.多次發生這樣的情況,就形成了一層類似與絕緣層一樣的硫酸鉛結晶.
要打碎這些硫酸鹽層的束縛,就要提升原子的能級到一定的程度,這時候在外層原子加帶的電子被激活到下一個更高的能帶,使原子之間解除束縛.每一個特定的能級都有唯一的諧振頻率,必須提供給一些能量,才能夠使得被激活的分子遷移到更高的能級狀態,太低得能量無法達到躍遷所需要的能量要求,但是,過高的能量會使已經脫離了束縛而躍遷的原子處于不穩定狀態,又回落到原來的能級.這樣,必須通過多次諧振,使得其中一次脫離了束縛,達到最活躍的能級狀態而又沒有回落的原來的能級,這樣,就轉化為溶解于電解液的自由離子,而參與電化學反應.
很高的電壓可以實現,就是大電流高電壓充電的方法,諧振也可以實現,就是脈沖諧波諧振的方法.
從固體物理上來講,任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿.一旦絕緣層被擊穿,粗大的硫酸鉛就會呈現導電狀態.如果對高電阻率的絕緣施加瞬間的高電壓,也可以擊穿大的硫酸鉛結晶.如果這個高電壓足夠短,并且進行限流,在打穿絕緣層的條件下,充電電流不大,也不至于形成大量析氣.電池析氣量強正相關于充電電流和充電時間,如果脈沖寬度足夠短,占空比足夠大,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結晶的條件下,同時發生的微充電來不及形成析氣.這樣,實現了脈沖消除硫化.
實現脈沖消除硫化和抑制電池硫化的方法,一般可以采用脈沖保護器和修復儀來處理.一般使用2類修復方法.其一為在線修復,把可以產生脈沖源的保護器并聯在電池的正負極柱上,使用電池或者充電器的電源或者使用外來的市電,就會有脈沖輸出到電池上面.這種修復方式所需要的能源很少,比較慢,但是由于常年并聯在電池極柱2端,慢也沒有關系.對于沒有硫化的電池,可以抑制電池的硫化.
其二為離線式的,可以產生快速的脈沖,脈沖電流相對比較大,產生脈沖的頻率比較高,脈沖占空比比較大.一些產品還具有自動控制.這種修復儀主要是用來修復已經硫化的電池.

三、 維迪澳產品的目前現狀和發展

1、保護器類產品
維迪澳以前開發了專門為100AH~500AH的電池的BH-06B型鉛酸蓄電池保護器,可以適合叉車電池、UPS電池和后備電源的電池使用,常年使用可以克服電池的硫化.其使用方法是在48V電池組中,每3個單格(6V)電池并聯一臺變換器.變換器也是從浮充電源中吸取能量,形成脈沖以后針對這些電池的需要,維迪澳公司開發了BH-06D型變換器,從浮充電源吸取的電流增加,但是修復脈沖電流也增加幾十倍,修復時間大大縮短,對電池的防止硫化的效果也好很多.今年二季度以后,用戶就可以享受更新的產品技術了.
對于保護器系列產品用戶最關心的問題莫過于加裝保護器以后的電源紋波問題.對于保護器來說,脈沖電流也就是1~2A的峰值電流,硫化的單體電池也就是2mΩ左右.所以附加紋波也就是在2~4mV,三只電池串聯也就是在10mV左右.而8臺保護器不是同步的,在最不利的狀態也沒有發生紋波超過20mV的,一般也就是在10mV以下.并聯保護器以后,電池內阻會持續下降,紋波也會下降.這也是我們沒有采用對48V串連電池組采用一個單一保護器的原因.通過簡單計算可以得知,如果每個電池的內阻都是2mΩ,48V電池組的內阻就有48mΩ,加1A的峰值脈沖電流,也會形成48mV的紋波電流.國外的產品是采用這樣的方案,其紋波電流遠遠大于我們產品的紋波.所以也僅僅在對紋波要求不大的電力系統中采用,對通訊系統中難以推廣.
這里應該說明的是,不同類型的保護器使用在不同容量的電池中,如果把適應小容量電池的保護器使用在大容量電池中,保護效果會很慢.如果把適應大容量電池的保護器使用在小容量電池上,紋波會超差.所以,BH-06B保護器僅僅適應于100AH~500AH,而BH06D適應于200AH~1000AH電池.所以BH-06D更加適合基站使用.
維迪澳公司電池的保護器系列產品在最近會有較大的發展.其系列產品有,8V中密電池保護器,適應于100AH~500AH、8V電池組.這是面向高爾夫球車的電池組的保護使用的.
有BH-48A型和BH-48B一般通訊離線備用電池保護的.這是考慮到備用電池組沒有更高的紋波要求而設計的.其中,BH-48A型采用有源的,使用市電,可以脫離浮充電源單獨使用.BH-48B是無源的,不能夠脫離市電使用.這2個產品將在5月份面市.
有BH-48E型的48V/1000AH~3000AH有源保護器.該產品主要是面向局站電池的離線保護修復.
有BH-2×6A的6路有源保護器,主要是針對2V/1000AH~2V/3000AH電池的有源保護器.其中6路輪流工作,電池的紋波僅僅相當于單體電池的紋波.這樣4臺儀器就可以應付一組48V1000AH~3000AH的電池組.
從這里看出,我們抑制紋波的方法與國外的方法不同.我們是采用輪流工作的方法,而國外是采用產生紋波加濾波的方法.國外的方法的紋波大,濾除設備龐雜,設備造價昂貴且穩定性欠佳.

2、電池修復系統
在大面積取得電動自行車鉛酸蓄電池和汽車啟動電池修復的成功經驗以后,現在開展了對基站和局站大容量電池的修復工作.
其中有:
——2V50A電池充電器,適用于200AH~1000AH電池的單體電池充電,未來會有2V/150A充電器.
——2V50A放電器,適用于200AH~1000AH電池的單體電池放電,未來會有2V/150A放電器.
以上2種產品是用來測試電池容量的輔助儀器,同時也可以用作補水充電使用.也可以為電池配組和均衡充電使用.與之配套的是:
——XF-02A型大容量鉛酸蓄電池修復儀,可以單獨對200AH/2V~1000AH/2V電池進行脈沖消除硫化使用.
配合大密電池的修復,我們也會制定一套標準化的修復工藝供用戶參考使用.

四、簡短的結語
鉛酸蓄電池的保護技術雖然不是誕生在中國,但是我們繼承了國外的先進技術,并且發展了這些先進技術,取得了目前暫時領先與國外的水平.雖然我們臥薪嘗膽,歷時6年時間,試驗無數,碩果累累,但是,產品真正的考驗還是最終用戶.我們要不斷的發展鉛酸蓄電池修復和保護技術,使國人首先享用這一個世界領先的技術,造福于祖國.