【转贴】通信基站电池的维护与修复

通信基站电池的维护与修复

深圳市维迪澳环保科技有限公司 许凤山(518110)
澳大利亚电池技术股份有限公司 赵铁良(100089)

作为后备电源的大容量铅酸蓄电池(以下简称“电池”)是基站电源的保障.在国内出现“电荒”的时候,后备电源的可靠性显得格外重要.在长三角和珠三角地区,每周内停三供四的时间很多,甚至出现听四供三更加严重的局面.多数处于野外的基站,其供电是难以保证都是采用一、二类电源的,这样,电池的可靠性问题尤其严重.
虽然目前的科学技术飞速发展,近年铅酸蓄电池的发展也比较快,基本上以大型阀控密封式铅酸蓄电池代替了防算酸隔爆型电池.就是大型阀控密封式铅酸蓄电池近些年也在发展.但是大容量的固定电池还是以铅酸蓄电池为唯一的选择.如何延长铅酸蓄电池的正常使用寿命,一直是业内人士探讨的主要问题.
相同的电池,在不同的设备条件、不同的使用条件和不同维护条件下使用寿命相差很大.这就需要在设备条件、使用条件和维护条件上寻找其差异.而电池失效的的几个主要现象是:
a． 正极板软化;
b． 正极板板栅腐蚀;
c． 负极板硫化;
d． 失水;
e． 少数电池出现热失控(包括电池鼓胀).
下面,就以电池失效模式来探讨设备条件、使用条件和维护条件对电池失效的影响及其应对方法.

一、 电池的失效模式及其原因

1、 电池的正极板软化
电池的正极板是由板栅和活性物质组成的,其中活性物质的有效成分就是氧化铅.放电的时候氧化铅转为硫酸铅,充电的时候硫酸铅转为氧化铅.氧化铅是由α氧化铅和β氧化铅组成的,在2种氧化铅中以其中α氧化铅荷电能力小但是体积大,比为β氧化铅坚硬,主要起支撑作用;β氧化铅恰好相反,荷电能力大但是体积小,比为β氧化铅软,主要起荷电作用.α氧化铅是在碱性环境中生成的,在电池内部一旦出现参与放电以后,在充电只能够生产β氧化铅.正极板的活性物质是多孔结构的,就与电解液——硫酸的接触面积来说,多孔结构是平面的数十倍.如果α氧化铅参与放电以后,重新充电以后只能够生成β氧化铅,这样就失去了支撑,不仅仅会产生正极板活性物质脱落,而且脱落的活性物质还会堵塞正极板的微孔,导致正极板参与反应的真实面积下降,形成电池容量的下降.后备电源的电池使用年限要求比较严格,对电池的比容要求比较宽,因此后备电源使用的电池的后备电源的电池α氧化铅和β氧化铅比例比深循环的动力型电池大一些.为了减少α氧化铅参与放电,一般控制放电深度仅仅为40%.随着电池的使用时间的增加,电池的容量下降,新电池放电40%的电量,对于旧电池来说必然上超过40%的,所以旧电池就相当于放电深度深,电池的正极板软化也会被加速.所以,电池的容量寿命曲线的后期下降速率远远高于中期.电池容量越小,放电深度越深,α氧化铅损失也越多,正极板软化也越严重,导致电池容量下降越快,形成了恶性循环.
这样,电池的放电深度需要严格控制.实现这个控制的是靠基站的电源管理系统的国内和设置.目前控制电池放电深度的主要标准还是一次放电量和放电电压.这样,尽可能避免在应急的时候强制放电,而应该按照放电量来增加电池的容量.

2、 电池的正极板腐蚀
正极板的板栅中的铅在充电过程中或被氧化为氧化铅,并且不能够再还原为铅,形成正极板腐蚀.而氧化铅的体积比铅的体积大,形成体积线性增加变形,使正极板活性物质与板栅脱离,导致正极板失效.而过充电会严重加速正极板腐蚀.我们一般以为不会产生过充电状态.实际上,基站的浮充电压如果跟不上环境温度的上升而进行下降的补偿,过充电就产生了.如基站的空调不够或者损坏,电池的过充电也会产生.这样电池的正极板板栅在不同的使用条件下会有不同的腐蚀速度.长三角和珠三角地区的正极板腐蚀也会比内地严重,这与电池的使用环境温度关系密切.

3、 电池的负极板硫化
电池放电以后,负极板的铅转换为硫酸铅,如果不及时充电或者充电时间比较长,这些硫酸铅晶体就会逐步聚积而形成粗大的硫酸铅结晶,采用普通的充电方式是无法恢复的所以称为不可逆硫酸铅盐化,简称硫化.
在折合单格电压为2.25V的浮充状态下,电池基本充满电需要一周的时间,完全充满电需要28天的时间,其间电池就处于欠充电状态.在电池放电以后的12小时,就可以发现产生粗大的硫酸铅结晶.在发生电荒的地区,电池的硫化相当严重.
在一般浮充状态下使用,随着日夜环境温度的变化,硫酸铅结晶也会聚积而形成粗大硫酸铅结晶而导致硫化.
在冬季环境温度比较低的时候,电池的浮充电压应该相应的提升,如果浮充电设备没有依据室温相应的调解上升,电池欠充电就会产生,电池硫化也就产生了.
失水的电池相当于电解液的硫酸浓度上升,也形成了加速电池硫化的条件.
较快速的充电可以抑制电池的硫化,基站的充电电流相对都比较小,所以硫化程度比充电电流大的电池严重.另外,浮充电压纹波越小,浮充电流的扰动越小,也形成了电池硫化的条件.
采用低锑合金的正极板的电池,浮充电压比较低,也比其它铅钙锡铝合金电池更加容易出现硫化.
从上面的硫化失效原因看看,很多电池的是无法避免的.特别是电池组发生单体电池落后的时候,个别落后的单体电池处于欠充电状态,这样该电池比其它电池更加容易硫化.
电池一旦出现硫化,靠单纯的浮充和均充是无法解决的,必须采取其它措施.目前消除密封电池硫化的方法有化学法和脉冲法.化学法虽然会较快的消除负极板硫化,但是其副作用——增加电池自放电会比较明显.这样会形成新的失效模式.所以,除了应急处理以外,没有任何电池制造商同意采用这种方法来修复电池.而脉冲修复硫化,属于无损修复,这是近年来所广泛提倡的方法.

4、 电池的失水
电池充电达到单体电池2.35V(25℃)以后,就会进入正极板大量析氧状态,对于密封电池来说,负极板具备了氧复合能力.如果充电电流比较大,负极板的氧复合反应跟不上析氧的速度,气体会顶开排气阀而形成失水.如果充电电压达到2.42V(25℃),电池的负极板会析氢,而氢气不能够类似氧循环那样被正极板吸收,只能够增加电池气室的气压,最后会被排出气室而形成失水.电池具备负的温度特性,其析气也与温度特性一致.当电池温升以后,电池的析气电压也会下降,温升会导致电池容易析气失水.长三角和珠三角地区夏季环境温度比较高,如果没有空调或者空调容量不足,会使电池失水增加.如果单体电池的浮充电压折合为2.25V,在30℃的时候,电池失水比25℃条件下增加一倍,在40℃条件下,电池失水是25℃的8倍左右,除非相应的降低浮充电压.
如果电池的正极板含锑,随着锑的循环,部分的转移到负极板上面.由于氢离子在锑还原的超电势约低200mV,于是负极板锑的积累会导致电池的充电电压降低,充电的大部分电流用来做水分解而形成失水.所以,我们认为在大型固定型电池中应该逐步淘汰低锑正极板的电池.另外,对在电池生产过程中,应该严格控制铅钙锡铝正极板的含量.

5、 电池的热失控
电池在均充状态时,充电电压会达到折合单格2.4V,这个电压超过了电池正极板大量析氧的电压,特别是在高温环境中,大量析氧电压会下降,这样产生的析氧量会大幅度的增加.而正极板产生的氧气在负极板会被吸收,吸收氧气是明显的放热反应,电池的温度会提升.如果电池已经出现失水,玻璃纤维隔板的无酸孔隙增加,会加速负极板吸收氧气,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.

6、 电池的不均衡
新电池的容量、开路电压和内阻应该进行严格的配组.所以新电池一般离散性比较小.随着电池使用,电池在制造工艺中必然存在的微小差距会被扩大.
如电池开阀压的区别,会导致电池失水不同.失水多的电池相当于电池的硫酸比重提升,导致电池开路电压增加,也是该单体电池的充电电压相当于其它电池电压高,而在串联电池组中的其它电池分配的电压就会下降,形成其它电池的欠充电.欠充电的电池内阻会增加,放电的时候电池电压会更低,充电电压跟不上,导致电池电压高的更高,低的更低.
电池正极板软化的差异随着充放电也会被扩大.当电池正极板发生软化的时候,脱落的活性物质会堵塞一部分微孔,正极板上单位面积的电流密度会增加,而增加电流密度的反应部分的充放电活性物质的膨胀收缩更加厉害,导致正极板软化被加速,这样就形成的容量落后的电池更加落后.
电池的负极板发生硫化,放电电流的密度也会增加,相当于增加了放电深度,硫酸铅结晶会比较集中在放电部位,形成较大的硫酸铅结晶.硫酸铅结晶体积越大,其吸附能力也相对增加,导致硫化更加严重.而硫化的电池在放电过程中也相当于增加了放电深度,硫化也更加严重.所以,电池容量的下降也会形成恶性循环.
从电池的寿命容量曲线看,电池的容量总体上是逐步加速的.凡是电池出现不均衡,总是加速的.
对于电池的不均衡,目前唯一的充电方式是采用“均充”,其愿望是对充满电的电池实现增加电池的副反应,把欠充电的电池充满电.但是,实际上,这个作用不足以恢复电池的均衡.目前比较有效的方法还是采用单体电池的补足充电.可是一般基站和修复队伍都不具备这个设备条件.

二、 对策

1、 设备管理与改造
a. 机房环境温度对电池的寿命影响至关重要.除了配备相应的空调设备以外,应该增加和完善机房温度的遥测,在中心机房就可以发现任意一个机房温度超温(高温和低温)报警,以便及时处理.
b. 检测浮充电压和均充电压与环境温度的的关系,应该依据电池的特性具备-3mV~-4mV/℃/单格 的特性.

2、 均衡充电和容量配组
为了防止电池落后,对单格电压低的电池进行单独充电.现在已经开发了2V/50A的充电器,可以用来给落后的电池单独充电.也可以通过2V/50A的放电器对进行精确的容量测试.以便进行容量配组.

3、 消除硫化
消除电池硫化的方法有几种方法,各有特点.
a. 水疗法
如果硫化不太严重,可以使用较稀的电解液,密度在1.100g/cm3以下,即向电池中加水稀释电解液,以提高硫酸铅的溶解度.并用20h率以下的电流,在液温30℃~40℃的范围内较长时间充电,可能得以恢复.如果电解液密度较高,则充电时只进行水分解,活性物质难以恢复.对于密封电池来说,水疗法是无法进行的.另外,水疗法的成本和使用工时都比较大.现在有了脉冲修复的方法,已经很少见到水疗法了.
b. 化学处理方法
采用化学添加剂,在电池发生硫化的时候使用.这种方法对消除硫化是行之有效的,但是其副作用不可忽视.主要问题是会形成自放电明显增加,所以一般的电池制造商都不敢使用.
c. 大电流充电
若认为吸附是造成硫酸盐化的原因,则可以用高电流密度充电(达100mA./cm2).在这样的电流密度下,负极可以达到很负的电势值,这时远离零电荷点,使φ-φ(0)<0,改变了电极表面带电的符号,表面活性物质会发生脱附,特别是对阴离子型的表面活性物质,这种有害的表面活性物质从电极表面上脱附以后,就可以使充电顺利进行.目前国内几乎没有人使用这种方法处理不可逆硫酸盐化,可能出于以下考虑:高电流密度下极化和欧姆压降增加,这部分能量转化为热,使蓄电池内部温度升高,同时又有大量的气体析出,尤其是正极大量气析出气体,其冲刷作用易使活性物质脱落.
d. 脉冲修复
按照原子物理学和固体物理学的原理,硫离子具有5个不同的能级状态,通常处于亚稳定能级状态的离子趋向与迁落到最稳定的共价键能级而存在.在最低能级(即共价键能级状态),硫离子包含8个原子的环形分子形式存在,这8个原子的环形分子模式是一种稳定的组合,难以被打碎,形成电池的不可逆硫酸盐化——硫化.多次发生这样的情况,就形成了一层类似与绝缘层一样的硫酸铅结晶.
要打碎这些硫酸盐层的束缚,就要提升原子的能级到一定的程度,这时候在外层原子加带的电子被激活到下一个更高的能带,使原子之间解除束缚.每一个特定的能级都有唯一的谐振频率,必须提供给一些能量,才能够使得被激活的分子迁移到更高的能级状态,太低得能量无法达到跃迁所需要的能量要求,但是,过高的能量会使已经脱离了束缚而跃迁的原子处于不稳定状态,又回落到原来的能级.这样,必须通过多次谐振,使得其中一次脱离了束缚,达到最活跃的能级状态而又没有回落的原来的能级,这样,就转化为溶解于电解液的自由离子,而参与电化学反应.
很高的电压可以实现,就是大电流高电压充电的方法,谐振也可以实现,就是脉冲谐波谐振的方法.
从固体物理上来讲,任何绝缘层在足够高的电压下都可以击穿.一旦绝缘层被击穿,粗大的硫酸铅就会呈现导电状态.如果对高电阻率的绝缘施加瞬间的高电压,也可以击穿大的硫酸铅结晶.如果这个高电压足够短,并且进行限流,在打穿绝缘层的条件下,充电电流不大,也不至于形成大量析气.电池析气量强正相关于充电电流和充电时间,如果脉冲宽度足够短,占空比足够大,就可以在保证击穿粗大硫酸铅结晶的条件下,同时发生的微充电来不及形成析气.这样,实现了脉冲消除硫化.
实现脉冲消除硫化和抑制电池硫化的方法,一般可以采用脉冲保护器和修复仪来处理.一般使用2类修复方法.其一为在线修复,把可以产生脉冲源的保护器并联在电池的正负极柱上,使用电池或者充电器的电源或者使用外来的市电,就会有脉冲输出到电池上面.这种修复方式所需要的能源很少,比较慢,但是由于常年并联在电池极柱2端,慢也没有关系.对于没有硫化的电池,可以抑制电池的硫化.
其二为离线式的,可以产生快速的脉冲,脉冲电流相对比较大,产生脉冲的频率比较高,脉冲占空比比较大.一些产品还具有自动控制.这种修复仪主要是用来修复已经硫化的电池.

三、 维迪澳产品的目前现状和发展

1、保护器类产品
维迪澳以前开发了专门为100AH~500AH的电池的BH-06B型铅酸蓄电池保护器,可以适合叉车电池、UPS电池和后备电源的电池使用,常年使用可以克服电池的硫化.其使用方法是在48V电池组中,每3个单格(6V)电池并联一台变换器.变换器也是从浮充电源中吸取能量,形成脉冲以后针对这些电池的需要,维迪澳公司开发了BH-06D型变换器,从浮充电源吸取的电流增加,但是修复脉冲电流也增加几十倍,修复时间大大缩短,对电池的防止硫化的效果也好很多.今年二季度以后,用户就可以享受更新的产品技术了.
对于保护器系列产品用户最关心的问题莫过于加装保护器以后的电源纹波问题.对于保护器来说,脉冲电流也就是1~2A的峰值电流,硫化的单体电池也就是2mΩ左右.所以附加纹波也就是在2~4mV,三只电池串联也就是在10mV左右.而8台保护器不是同步的,在最不利的状态也没有发生纹波超过20mV的,一般也就是在10mV以下.并联保护器以后,电池内阻会持续下降,纹波也会下降.这也是我们没有采用对48V串连电池组采用一个单一保护器的原因.通过简单计算可以得知,如果每个电池的内阻都是2mΩ,48V电池组的内阻就有48mΩ,加1A的峰值脉冲电流,也会形成48mV的纹波电流.国外的产品是采用这样的方案,其纹波电流远远大于我们产品的纹波.所以也仅仅在对纹波要求不大的电力系统中采用,对通讯系统中难以推广.
这里应该说明的是,不同类型的保护器使用在不同容量的电池中,如果把适应小容量电池的保护器使用在大容量电池中,保护效果会很慢.如果把适应大容量电池的保护器使用在小容量电池上,纹波会超差.所以,BH-06B保护器仅仅适应于100AH~500AH,而BH06D适应于200AH~1000AH电池.所以BH-06D更加适合基站使用.
维迪澳公司电池的保护器系列产品在最近会有较大的发展.其系列产品有,8V中密电池保护器,适应于100AH~500AH、8V电池组.这是面向高尔夫球车的电池组的保护使用的.
有BH-48A型和BH-48B一般通讯离线备用电池保护的.这是考虑到备用电池组没有更高的纹波要求而设计的.其中,BH-48A型采用有源的,使用市电,可以脱离浮充电源单独使用.BH-48B是无源的,不能够脱离市电使用.这2个产品将在5月份面市.
有BH-48E型的48V/1000AH~3000AH有源保护器.该产品主要是面向局站电池的离线保护修复.
有BH-2×6A的6路有源保护器,主要是针对2V/1000AH~2V/3000AH电池的有源保护器.其中6路轮流工作,电池的纹波仅仅相当于单体电池的纹波.这样4台仪器就可以应付一组48V1000AH~3000AH的电池组.
从这里看出,我们抑制纹波的方法与国外的方法不同.我们是采用轮流工作的方法,而国外是采用产生纹波加滤波的方法.国外的方法的纹波大,滤除设备庞杂,设备造价昂贵且稳定性欠佳.

2、电池修复系统
在大面积取得电动自行车铅酸蓄电池和汽车启动电池修复的成功经验以后,现在开展了对基站和局站大容量电池的修复工作.
其中有:
——2V50A电池充电器,适用于200AH~1000AH电池的单体电池充电,未来会有2V/150A充电器.
——2V50A放电器,适用于200AH~1000AH电池的单体电池放电,未来会有2V/150A放电器.
以上2种产品是用来测试电池容量的辅助仪器,同时也可以用作补水充电使用.也可以为电池配组和均衡充电使用.与之配套的是:
——XF-02A型大容量铅酸蓄电池修复仪,可以单独对200AH/2V~1000AH/2V电池进行脉冲消除硫化使用.
配合大密电池的修复,我们也会制定一套标准化的修复工艺供用户参考使用.

四、简短的结语
铅酸蓄电池的保护技术虽然不是诞生在中国,但是我们继承了国外的先进技术,并且发展了这些先进技术,取得了目前暂时领先与国外的水平.虽然我们卧薪尝胆,历时6年时间,试验无数,硕果累累,但是,产品真正的考验还是最终用户.我们要不断的发展铅酸蓄电池修复和保护技术,使国人首先享用这一个世界领先的技术,造福于祖国.