影響基站閥控電池壽命原因及措施



       葉向陽 華信郵電咨詢設計研究院有限公司


  摘 要 本文對目前造成基站閥控電池使用過程中容量下降、壽命縮短的各種原因進行分析和探討,并提出相關改進措施.

  關鍵詞 閥控電池 使用壽命 改進措施

  1 前言

  基站蓄電池從目前使用情況來看, 普遍存在蓄電池容量下降過快,使用壽命短,甚至短短1~2年時間蓄電池的容量只有標稱容量 的30%~40%,有的只有10%~20%,而大部分基站蓄電池經(jīng)過1~4年運行,其容量只有其標稱容量的50%左右,遠遠達不到其設計使用壽命,與交 換局站同類蓄電池相比,其使用壽命也大大降低,按蓄電池使用維護標準要求,蓄電池容量只要下降到其標稱容量的80%,其使用壽命就終止 ,應對其進行更換,本文對造成基站蓄電池容量下降過快,使用壽命縮短的原因進行分析和探討,并在此提出相關的改進措施,希望對各運營 商能有所幫助.本文蓄電池特指閥控式密封鉛酸蓄電池.

  2 影響基站蓄電池使用壽命的原因

  從目前國內(nèi)幾家大型閥控式密封電池廠家生產(chǎn)電池的質(zhì)量來講,應都能滿足各運營商要求,雖然各廠家生產(chǎn)蓄電池質(zhì)量、性能上 有所差別,從現(xiàn)網(wǎng)調(diào)查使用情況來看, 筆者認為廠家生產(chǎn)蓄電池的質(zhì)量因素應不是影響目前各運營商基站蓄電池容量下降過快、 使用壽命縮 短的主要原因.因為從閥控式密封電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品性能、基站蓄電池使用過程現(xiàn)場勘察情況等綜合因素來看,結(jié)合交換局站使用情況,閥 控式密封電池在正常情況下使用1~4年后,其容量下降應不會這么快,因此筆者認為造成基站蓄電池容量下降過快、使用壽命縮短的主要原因 應在于基站本身蓄電池使用特點及其基站使用環(huán)境有關.筆者從浙江移動、浙江聯(lián)通的調(diào)查情況來看,認為影響基站蓄電池容量下降過快、使 用壽命縮短的原因主要有以下幾個方面.

  第一,基站頻繁停電、停電時間長、停電時間無規(guī)律,使蓄電池頻繁充放電,是造成蓄電池容量下降過快和使用壽命縮短的一個 最主要原因.

  根據(jù)目前廠家對基站報廢蓄電池解剖情況來看, 導致蓄電池壽命終止的原因在于蓄電池負極板的硫酸化,這是蓄電池早期容量衰 竭(PCL)的一種典型現(xiàn)象.筆者認為造成蓄電池負極板產(chǎn)生硫酸化的原因可能有以下兩個方面.

  (1)基站停電頻次過高,一天內(nèi)停電數(shù)次,甚至連續(xù)停電數(shù)天, 使基站蓄電池在放電后尚未充足電的情況下又放電,蓄電池出 現(xiàn)欠充.如連續(xù)多次發(fā)生欠充,將造成蓄電池容量累積性虧損, 則該基站的蓄電池容量將在較短時間內(nèi)下降,其使用壽命將較快終止.蓄電池 容量下降的速度與該基站蓄電池連續(xù)欠充的次數(shù)成一定的正比關系.造成蓄電池容量下降的內(nèi)在原因在于,電池放電后在未充足電的情況下又 放電,正、負極在放電后生成的硫酸鉛未能分別完全恢復成二氧化鉛和金屬鉛的情況下,正、負極板又放電,使蓄電池產(chǎn)生欠充,連續(xù)多次欠 充,使負極板逐步硫酸化,產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)晶硫酸鉛,特別是在蓄電池處于深度過放電的情況下,蓄電池負極板的硫酸化將更嚴重,硫酸化 的速度將更快,造成負極板表面被屏蔽,其功能逐步下降直至失效,導致蓄電池使用壽命下降直至終止. 從現(xiàn)有基站蓄電池實際使用情況分析 ,蓄電池發(fā)生累計欠充可能性是存在的.另外,蓄電池雖存在多次欠充,但二次欠充或多次欠充不是有規(guī)律連續(xù)發(fā)生的, 電池發(fā)生累計欠充可 能性及概率有多大,有待廠家及電池相關研究部門確定.

  (2)筆者在這里提出另外一個觀點,供蓄電池生產(chǎn)廠家和研究部門探討.造成基站蓄電池容量下降、使用壽命縮短的最主要原因 是由蓄電池負極板硫酸化引起的,蓄電池累計欠充將導致負極板硫酸化外,蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)增加或一定時間內(nèi)充放電循環(huán)過度頻繁是否 也將導致負極板硫酸化,或者是導致負極板硫酸化的一個重要因素, 因為筆者從浙江某運營公司基站蓄電池調(diào)研情況來看,是不能排除該方面 因素的.從調(diào)研收集相關存在蓄電池使用壽命縮短和報廢的基站表明, 大部分基站蓄電池存在連續(xù)欠充可能性較小(2003年下半年至今年供電 情況除外),存在一次欠充情況是存在的,因為根據(jù)以往幾年浙江全省各地區(qū)供電情況來講, 供電情況相對正常,雖該部分基站平常停電次數(shù) 較多,一個月有數(shù)次,甚至更多,但二次停電間隔時間小于24h很少,根據(jù)基站設備配置和開關電源設置參數(shù)和蓄電池充電特性表明,絕大部分 基站電池只要充電時間大于24h,就能基本充足電,不會存在欠充問題.另外從基站告警信息來看,基站蓄電池一次欠充情況是存在,連續(xù)欠充 發(fā)生概率較少.但蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)很多(與基站停電次數(shù)相同).從筆者掌握的資料和廠家反饋信息,目前信息產(chǎn)業(yè)部行業(yè)相關規(guī)定和 廠家提供循環(huán)次數(shù), 均為理論上蓄電池應能達到的循環(huán)次數(shù), 但蓄電池真正是否能達到該循環(huán)次數(shù)或隨著循環(huán)次數(shù)增多及頻繁程度會對蓄電 池造成什么影響,生產(chǎn)廠家都未進行過專門研究.同樣的蓄電池使用在交換局站或供電情況正常的城區(qū)基站,其容量保持和使用壽命絕大部分 均正常.為什么停電頻繁的基站會出現(xiàn)蓄電池容量下降過快、 壽命縮短的現(xiàn)象,而從實際調(diào)研收集資料分析,該部分基站發(fā)生累計欠充概率較 小,但充放電循環(huán)次數(shù)很多.因此基站蓄電池頻繁充放電循環(huán)是否也將導致負極板硫酸化或是導致負極板硫酸化的主要因素, 或者說蓄電池頻 繁充電循環(huán)將導致蓄電池產(chǎn)生累計欠充.眾所周知,閥控式密封電池與以前防酸隔爆電池在生產(chǎn)制作工藝、板柵合金、極板厚度、酸液比重、 酸液數(shù)量等方面均有很大差別,這些差別是否會對閥控式密封電池充放電循環(huán)產(chǎn)生不良影響,隨著充放電循環(huán)次數(shù)增加、頻繁程度提高而導致 負極板逐步硫酸化, 因此筆者建議蓄電池生產(chǎn)廠家及研究部門能否對此課題進行專門研究, 筆者認為這將決定閥控式密封電池是否適合在充 放電循環(huán)次數(shù)較多的基站和場合使用, 或者閥控式密封電池只適用于浮充狀態(tài)下使用.

  當然造成蓄電池負極板硫酸化原因除上述原因外還有多種因素,如電解液或玻璃纖維棉雜質(zhì)超標,使電池自放電速率加快.浮充 或均衡電壓過低,使部分硫酸鉛晶體不能被溶解.經(jīng)常放電過量或經(jīng)常小電流深放電,使蓄電池初期充電效率下降.電池工作環(huán)境溫度過高, 雜質(zhì)離子更為活躍,加速電池自放電.

  根據(jù)目前電池生產(chǎn)廠家的規(guī)模、 生產(chǎn)工藝及技術水平, 造成基站蓄電池負極板硫酸化主要原因不在于產(chǎn)品質(zhì)量,因在蓄電池正 常使用情況下,蓄電池負極板硫酸化的時間較長,從而造成蓄電池容量難以恢復.另外從使用情況分析,不同生產(chǎn)廠家,不管進口或國產(chǎn)電池 ,都存在該問題. 所以筆者認為造成基站蓄電池負極板硫酸化的主要原因在基站頻繁停電, 經(jīng)常過放電和小電流的深度過放電,造成蓄電池 欠充,欠充連續(xù)多次的發(fā)生,形成蓄電池累計欠充,基站充放電循環(huán)次數(shù)過度頻繁,從而造成負極板不可逆轉(zhuǎn)的硫酸化. 負極板的硫酸化是目 前影響基站蓄電池容量下降, 使用壽命縮短的主要原因所在.

  第二,開關電源設置參數(shù)不合理,基站蓄電池欠壓保護設置電壓過低,復位電壓設置過低,使蓄電池出現(xiàn)過放電甚至深度過放電 現(xiàn)象, 從另一方面加劇蓄電池負極板硫酸化,是使蓄電池容量下降,使用壽命縮短的另一個主要原因.

  目前基站組合開關電源均設置低電壓隔離保護功能或二次下電功能.當蓄電池放電至某一設定電壓值時,開關電源系統(tǒng)將自動切 斷對部分重負載供電或全部負載的供電,以保護蓄電池不過放電,確保蓄電池使用壽命.如電池最低欠壓保護值設置過低,蓄電池將出現(xiàn)過放 電, 多次的過放電和過放電后未能及時補充電或充電不足都將嚴重影響電池使用壽命; 另外如開關電源復位電壓設置過低,將使電池在放電過 程中出現(xiàn)重復多次放電; 具體電池最低欠壓保護值設置應根據(jù)負載電流大小而設置, 而目前基站蓄電池最低欠壓保護值一般設置在單體電池電 壓每只1.8V左右,有的甚至設定為每只1.75V.根據(jù)閥控式密封電池的放電性能結(jié)合基站實際負載電流(目前基站實際負載電流絕大部分均小于 0.1C10A),基站電池最低欠壓保護值應設置在電池單體電壓每只1.8V左右.因此,目前基站蓄電池欠壓保護設置參考電壓過低,如基站長時間 停電,會使電池出現(xiàn)過放電,甚至是小電流深度過放電,而過放電的電池要完全充足電,恢復容量所需充電時間較長,深度過放電的電池在基 站現(xiàn)有唯一恒壓充電條件下, 一般是很難完全恢復其額定容量的.所以開關電源參數(shù)設置不合理,從另一方面加劇電池負極板硫酸化, 從而 造成電池容量下降,使用壽命縮短.

  第三,基站使用環(huán)境較惡劣.基站停電后,由于無空調(diào),使基站環(huán)境溫度逐步上升.或者由于空調(diào)故障,使基站室內(nèi)溫度偏高, 從而降低了蓄電池使用壽命.

  室內(nèi)基站均配置空調(diào), 配置的空調(diào)為一般柜機或分體式空調(diào), 長時間不間斷使用使部分基站空調(diào)出現(xiàn)故障而停機,空調(diào)損壞后 有時得不到及時維修,而室內(nèi)基站為封閉機房,空調(diào)停機后使基站室內(nèi)溫度大幅上升,彩鋼板機房其室內(nèi)溫度甚至可達到70℃以上.另一方面 ,即使空調(diào)正常,而基站由于停電后,無交流電源,空調(diào)也無法制冷,特別在夏天,將使基站室內(nèi)溫度大幅上升,從而影響蓄電池正常工作. 室內(nèi)溫度過高一方面使閥控式密封電池內(nèi)部失水量加劇,電解液飽和度下降(玻璃纖維棉隔膜內(nèi)電解液減少)使電池容量降低和電池使用壽命 縮短.另一方面由于室內(nèi)溫度過高,將使蓄電池熱失控效應加劇,從而造成蓄電池正極板腐蝕速率加劇、極板變形膨脹、電池外殼鼓脹甚至開 裂等,最后導致電池容量快速下降,電池壽命縮短,根據(jù)相關資料表明,當環(huán)境溫度超過25℃時,每升高10℃,電池使用壽命將縮短1/2.

  第四,基站停電后,蓄電池放電至終止電壓,未及時進行補充電,也將導致電池容量下降和使用壽命縮短.

  由于部分基站地處郊區(qū)或偏遠山村等地, 市電供應狀況較差,市電停電的次數(shù)多且停電時間較長,往往一旦市電停電后,蓄電池 放電至終止電壓,市電還未恢復,這樣一方面可能造成蓄電池過放電, 另一方面電池放電后又不能得到及時補充電,根據(jù)相關資料表明,電池 放電后如不能及時進行補充電,將使蓄電池容量逐步下降,經(jīng)過幾次循環(huán)后,蓄電池使用壽命將明顯縮短.

  筆者認為,上述4點原因是造成目前基站電池容量早期失效,使用壽命縮短的主要原因.當然影響蓄電池容量及使用壽命因素很多 ,正常使用情況下,影響蓄電池壽命主要因素是正極板腐蝕速度和玻璃纖維隔膜(AGM)中電解液飽和度.但基站由于自身所處環(huán)境(市電供應 、環(huán)境溫度等)較特殊,真正影響蓄電池使用壽命主要原因在負極板硫酸化, 而造成負極板硫酸化的主要原因在于基站頻繁停電, 造成蓄電 池累計欠充及使蓄電池循環(huán)次數(shù)增加;另外蓄電池欠壓保護值的設置不當,基站室內(nèi)溫度過高,蓄電池放電后未及時補充電等方面進一步加劇 負極板硫酸化, 這也可從另一面解釋為什么城區(qū)基站或供電狀況好的基站電池使用壽命較其它類型基站長, 早期蓄電池使用壽命較近期電池 使用壽命長的原因.

  3 如何延長基站蓄電池使用壽命

  我們知道影響基站電池使用壽命的原因后, 在目前市電供應不能改善的前提下, 仍可采取相關措施來彌補或改善,從而延長蓄 電池使用壽命.筆者認為可從以下幾個方面著手,采用綜合措施,數(shù)者結(jié)合,改善基站機房環(huán)境,提高基站供電可靠性,確保移動通信暢通, 具體如下.

  第一, 針對基站市電停電頻繁造成蓄電池在未充足電的情況下又放電,建議采用以下措施彌補,增加蓄電池充入的電量.

  (1)對目前基站組合開關電源中對蓄電池充電限流值參數(shù)進行調(diào)整, 目前開關電源中對蓄電池充電限流值一般設定為0.1C10A, 建議調(diào)整為0.15~0.2C10A(應根據(jù)季節(jié)做響應調(diào)整),但最大充電電流不能超過0.25C10A,以縮短蓄電池充電時間,增加蓄電池充電前期充入 的電量.(2)根據(jù)該基站停電次數(shù)及時間,如果停電次數(shù)多且停電時間長,建議對開關電源中均衡充電時間判別參數(shù)(充電時間和充電電流 值判別)進行調(diào)整,延長均衡充電時間,可比原設定延長20%~30%;另外建議調(diào)整開關電源均衡充電時間周期設置,把原設置一般3個月時間 周期調(diào)整為1個月或更短,對蓄電池進行均衡充電.

  第二, 對基站組合開關電源內(nèi)電池欠壓保護設置電壓值進行重新設定,提高蓄電池欠壓保護的設置電壓,盡量避免蓄電池出現(xiàn)過 放電和深度過放電(小電流過放電),具體設置要求如下,開關電源一次下電設置電壓要求不低于46V,二次下電設置電壓必須要求大于44V( 建議設置在44.4V).對負載電流小于1/3 I10A的基站,其放電時間盡可能不大于24h,即行切斷(不管蓄電池欠壓保護設置電壓是否到了設定 值).具體可在開關電源內(nèi)設置.

  第三,改善基站機房室內(nèi)環(huán)境,加裝基站智能通風系統(tǒng),解決基站由于市電停電或空調(diào)故障,機房內(nèi)溫升過高對蓄電池及通信設 備影響;基站加裝智能通風系統(tǒng),不但能節(jié)省大量能源,降低基站運行費用(這方面數(shù)據(jù)在浙江聯(lián)通湖州分公司已通過試點驗證, 并在全國聯(lián) 通逐步推廣),更能提高基站通信設備系統(tǒng)可靠性,降低通信設備故障率, 減少蓄電池熱失控發(fā)生概率和降低電池失水速率,從而延長蓄電池 使用壽命.

  第四,監(jiān)控中心或OMC一旦接到基站停電告警后,應密切注意該基站運行情況, 一旦出現(xiàn)無線信號中斷超過6h,應及時通知基站 維護人員攜帶發(fā)電機組趕赴現(xiàn)場進行發(fā)電,確保蓄電池因放電終止后能進行及時充電,延長蓄電池使用壽命.

  第五,在工程前期站址勘察、設計階段,一方面應選擇供電質(zhì)量好的供電線路; 另一方面應了解該基站市電供應情況(停電時間 、次數(shù)等),有重點的合理配置基站蓄電池容量, 而不應采取一刀切方式配置蓄電池組容量.

  在選擇基站開關電源設備時, 應選擇交流輸入范圍寬、數(shù)字化程度高、智能化程度高、有完善的蓄電池管理功能的開關電源, 以縮短蓄電池充電時間和定期對蓄電池進行相關檢測.

  對于停電頻繁,停電時間較長,且移動油機又無法到達的重要基站,可配置固定自動化柴油發(fā)電機組,解決基站供電問題.

  4 結(jié)論

  在目前全國范圍內(nèi)用電情況日趨緊張, 預計在今后2~3年內(nèi),市電供電狀況將得不到徹底改善,因此基站的供電將比以往更差, 停電頻率更高、停電時間將更長,蓄電池使用環(huán)境將更惡劣,如何確保基站通信暢通,提高通信可靠性,提升服務質(zhì)量,同時又經(jīng)濟合理配置 通信設備是各運營商面臨的一個課題, 因此如何延長蓄電池供電時間和使用壽命是該課題的一個最主要內(nèi)容. 當然影響基站蓄電池壽命的因 素很多,在實際應用中,針對本文所論述影響蓄電池使用壽命的因素, 應同時采用多種相關措施加以改善,從而延長蓄電池使用壽命,提高通 信可靠性.