影响基站阀控电池寿命原因及措施
叶向阳 华信邮电咨询设计研究院有限公司
摘 要 本文对目前造成基站阀控电池使用过程中容量下降、寿命缩短的各种原因进行分析和探讨,并提出相关改进措施.
关键词 阀控电池 使用寿命 改进措施
1 前言
基站蓄电池从目前使用情况来看, 普遍存在蓄电池容量下降过快,使用寿命短,甚至短短1~2年时间蓄电池的容量只有标称容量 的30%~40%,有的只有10%~20%,而大部分基站蓄电池经过1~4年运行,其容量只有其标称容量的50%左右,远远达不到其设计使用寿命,与交 换局站同类蓄电池相比,其使用寿命也大大降低,按蓄电池使用维护标准要求,蓄电池容量只要下降到其标称容量的80%,其使用寿命就终止 ,应对其进行更换,本文对造成基站蓄电池容量下降过快,使用寿命缩短的原因进行分析和探讨,并在此提出相关的改进措施,希望对各运营 商能有所帮助.本文蓄电池特指阀控式密封铅酸蓄电池.
2 影响基站蓄电池使用寿命的原因
从目前国内几家大型阀控式密封电池厂家生产电池的质量来讲,应都能满足各运营商要求,虽然各厂家生产蓄电池质量、性能上 有所差别,从现网调查使用情况来看, 笔者认为厂家生产蓄电池的质量因素应不是影响目前各运营商基站蓄电池容量下降过快、 使用寿命缩 短的主要原因.因为从阀控式密封电池产品结构、产品性能、基站蓄电池使用过程现场勘察情况等综合因素来看,结合交换局站使用情况,阀 控式密封电池在正常情况下使用1~4年后,其容量下降应不会这么快,因此笔者认为造成基站蓄电池容量下降过快、使用寿命缩短的主要原因 应在于基站本身蓄电池使用特点及其基站使用环境有关.笔者从浙江移动、浙江联通的调查情况来看,认为影响基站蓄电池容量下降过快、使 用寿命缩短的原因主要有以下几个方面.
第一,基站频繁停电、停电时间长、停电时间无规律,使蓄电池频繁充放电,是造成蓄电池容量下降过快和使用寿命缩短的一个 最主要原因.
根据目前厂家对基站报废蓄电池解剖情况来看, 导致蓄电池寿命终止的原因在于蓄电池负极板的硫酸化,这是蓄电池早期容量衰 竭(PCL)的一种典型现象.笔者认为造成蓄电池负极板产生硫酸化的原因可能有以下两个方面.
(1)基站停电频次过高,一天内停电数次,甚至连续停电数天, 使基站蓄电池在放电后尚未充足电的情况下又放电,蓄电池出 现欠充.如连续多次发生欠充,将造成蓄电池容量累积性亏损, 则该基站的蓄电池容量将在较短时间内下降,其使用寿命将较快终止.蓄电池 容量下降的速度与该基站蓄电池连续欠充的次数成一定的正比关系.造成蓄电池容量下降的内在原因在于,电池放电后在未充足电的情况下又 放电,正、负极在放电后生成的硫酸铅未能分别完全恢复成二氧化铅和金属铅的情况下,正、负极板又放电,使蓄电池产生欠充,连续多次欠 充,使负极板逐步硫酸化,产生不可逆转的结晶硫酸铅,特别是在蓄电池处于深度过放电的情况下,蓄电池负极板的硫酸化将更严重,硫酸化 的速度将更快,造成负极板表面被屏蔽,其功能逐步下降直至失效,导致蓄电池使用寿命下降直至终止. 从现有基站蓄电池实际使用情况分析 ,蓄电池发生累计欠充可能性是存在的.另外,蓄电池虽存在多次欠充,但二次欠充或多次欠充不是有规律连续发生的, 电池发生累计欠充可 能性及概率有多大,有待厂家及电池相关研究部门确定.
(2)笔者在这里提出另外一个观点,供蓄电池生产厂家和研究部门探讨.造成基站蓄电池容量下降、使用寿命缩短的最主要原因 是由蓄电池负极板硫酸化引起的,蓄电池累计欠充将导致负极板硫酸化外,蓄电池充放电循环次数增加或一定时间内充放电循环过度频繁是否 也将导致负极板硫酸化,或者是导致负极板硫酸化的一个重要因素, 因为笔者从浙江某运营公司基站蓄电池调研情况来看,是不能排除该方面 因素的.从调研收集相关存在蓄电池使用寿命缩短和报废的基站表明, 大部分基站蓄电池存在连续欠充可能性较小(2003年下半年至今年供电 情况除外),存在一次欠充情况是存在的,因为根据以往几年浙江全省各地区供电情况来讲, 供电情况相对正常,虽该部分基站平常停电次数 较多,一个月有数次,甚至更多,但二次停电间隔时间小于24h很少,根据基站设备配置和开关电源设置参数和蓄电池充电特性表明,绝大部分 基站电池只要充电时间大于24h,就能基本充足电,不会存在欠充问题.另外从基站告警信息来看,基站蓄电池一次欠充情况是存在,连续欠充 发生概率较少.但蓄电池充放电循环次数很多(与基站停电次数相同).从笔者掌握的资料和厂家反馈信息,目前信息产业部行业相关规定和 厂家提供循环次数, 均为理论上蓄电池应能达到的循环次数, 但蓄电池真正是否能达到该循环次数或随着循环次数增多及频繁程度会对蓄电 池造成什么影响,生产厂家都未进行过专门研究.同样的蓄电池使用在交换局站或供电情况正常的城区基站,其容量保持和使用寿命绝大部分 均正常.为什么停电频繁的基站会出现蓄电池容量下降过快、 寿命缩短的现象,而从实际调研收集资料分析,该部分基站发生累计欠充概率较 小,但充放电循环次数很多.因此基站蓄电池频繁充放电循环是否也将导致负极板硫酸化或是导致负极板硫酸化的主要因素, 或者说蓄电池频 繁充电循环将导致蓄电池产生累计欠充.众所周知,阀控式密封电池与以前防酸隔爆电池在生产制作工艺、板栅合金、极板厚度、酸液比重、 酸液数量等方面均有很大差别,这些差别是否会对阀控式密封电池充放电循环产生不良影响,随着充放电循环次数增加、频繁程度提高而导致 负极板逐步硫酸化, 因此笔者建议蓄电池生产厂家及研究部门能否对此课题进行专门研究, 笔者认为这将决定阀控式密封电池是否适合在充 放电循环次数较多的基站和场合使用, 或者阀控式密封电池只适用于浮充状态下使用.
当然造成蓄电池负极板硫酸化原因除上述原因外还有多种因素,如电解液或玻璃纤维棉杂质超标,使电池自放电速率加快.浮充 或均衡电压过低,使部分硫酸铅晶体不能被溶解.经常放电过量或经常小电流深放电,使蓄电池初期充电效率下降.电池工作环境温度过高, 杂质离子更为活跃,加速电池自放电.
根据目前电池生产厂家的规模、 生产工艺及技术水平, 造成基站蓄电池负极板硫酸化主要原因不在于产品质量,因在蓄电池正 常使用情况下,蓄电池负极板硫酸化的时间较长,从而造成蓄电池容量难以恢复.另外从使用情况分析,不同生产厂家,不管进口或国产电池 ,都存在该问题. 所以笔者认为造成基站蓄电池负极板硫酸化的主要原因在基站频繁停电, 经常过放电和小电流的深度过放电,造成蓄电池 欠充,欠充连续多次的发生,形成蓄电池累计欠充,基站充放电循环次数过度频繁,从而造成负极板不可逆转的硫酸化. 负极板的硫酸化是目 前影响基站蓄电池容量下降, 使用寿命缩短的主要原因所在.
第二,开关电源设置参数不合理,基站蓄电池欠压保护设置电压过低,复位电压设置过低,使蓄电池出现过放电甚至深度过放电 现象, 从另一方面加剧蓄电池负极板硫酸化,是使蓄电池容量下降,使用寿命缩短的另一个主要原因.
目前基站组合开关电源均设置低电压隔离保护功能或二次下电功能.当蓄电池放电至某一设定电压值时,开关电源系统将自动切 断对部分重负载供电或全部负载的供电,以保护蓄电池不过放电,确保蓄电池使用寿命.如电池最低欠压保护值设置过低,蓄电池将出现过放 电, 多次的过放电和过放电后未能及时补充电或充电不足都将严重影响电池使用寿命; 另外如开关电源复位电压设置过低,将使电池在放电过 程中出现重复多次放电; 具体电池最低欠压保护值设置应根据负载电流大小而设置, 而目前基站蓄电池最低欠压保护值一般设置在单体电池电 压每只1.8V左右,有的甚至设定为每只1.75V.根据阀控式密封电池的放电性能结合基站实际负载电流(目前基站实际负载电流绝大部分均小于 0.1C10A),基站电池最低欠压保护值应设置在电池单体电压每只1.8V左右.因此,目前基站蓄电池欠压保护设置参考电压过低,如基站长时间 停电,会使电池出现过放电,甚至是小电流深度过放电,而过放电的电池要完全充足电,恢复容量所需充电时间较长,深度过放电的电池在基 站现有唯一恒压充电条件下, 一般是很难完全恢复其额定容量的.所以开关电源参数设置不合理,从另一方面加剧电池负极板硫酸化, 从而 造成电池容量下降,使用寿命缩短.
第三,基站使用环境较恶劣.基站停电后,由于无空调,使基站环境温度逐步上升.或者由于空调故障,使基站室内温度偏高, 从而降低了蓄电池使用寿命.
室内基站均配置空调, 配置的空调为一般柜机或分体式空调, 长时间不间断使用使部分基站空调出现故障而停机,空调损坏后 有时得不到及时维修,而室内基站为封闭机房,空调停机后使基站室内温度大幅上升,彩钢板机房其室内温度甚至可达到70℃以上.另一方面 ,即使空调正常,而基站由于停电后,无交流电源,空调也无法制冷,特别在夏天,将使基站室内温度大幅上升,从而影响蓄电池正常工作. 室内温度过高一方面使阀控式密封电池内部失水量加剧,电解液饱和度下降(玻璃纤维棉隔膜内电解液减少)使电池容量降低和电池使用寿命 缩短.另一方面由于室内温度过高,将使蓄电池热失控效应加剧,从而造成蓄电池正极板腐蚀速率加剧、极板变形膨胀、电池外壳鼓胀甚至开 裂等,最后导致电池容量快速下降,电池寿命缩短,根据相关资料表明,当环境温度超过25℃时,每升高10℃,电池使用寿命将缩短1/2.
第四,基站停电后,蓄电池放电至终止电压,未及时进行补充电,也将导致电池容量下降和使用寿命缩短.
由于部分基站地处郊区或偏远山村等地, 市电供应状况较差,市电停电的次数多且停电时间较长,往往一旦市电停电后,蓄电池 放电至终止电压,市电还未恢复,这样一方面可能造成蓄电池过放电, 另一方面电池放电后又不能得到及时补充电,根据相关资料表明,电池 放电后如不能及时进行补充电,将使蓄电池容量逐步下降,经过几次循环后,蓄电池使用寿命将明显缩短.
笔者认为,上述4点原因是造成目前基站电池容量早期失效,使用寿命缩短的主要原因.当然影响蓄电池容量及使用寿命因素很多 ,正常使用情况下,影响蓄电池寿命主要因素是正极板腐蚀速度和玻璃纤维隔膜(AGM)中电解液饱和度.但基站由于自身所处环境(市电供应 、环境温度等)较特殊,真正影响蓄电池使用寿命主要原因在负极板硫酸化, 而造成负极板硫酸化的主要原因在于基站频繁停电, 造成蓄电 池累计欠充及使蓄电池循环次数增加;另外蓄电池欠压保护值的设置不当,基站室内温度过高,蓄电池放电后未及时补充电等方面进一步加剧 负极板硫酸化, 这也可从另一面解释为什么城区基站或供电状况好的基站电池使用寿命较其它类型基站长, 早期蓄电池使用寿命较近期电池 使用寿命长的原因.
3 如何延长基站蓄电池使用寿命
我们知道影响基站电池使用寿命的原因后, 在目前市电供应不能改善的前提下, 仍可采取相关措施来弥补或改善,从而延长蓄 电池使用寿命.笔者认为可从以下几个方面着手,采用综合措施,数者结合,改善基站机房环境,提高基站供电可靠性,确保移动通信畅通, 具体如下.
第一, 针对基站市电停电频繁造成蓄电池在未充足电的情况下又放电,建议采用以下措施弥补,增加蓄电池充入的电量.
(1)对目前基站组合开关电源中对蓄电池充电限流值参数进行调整, 目前开关电源中对蓄电池充电限流值一般设定为0.1C10A, 建议调整为0.15~0.2C10A(应根据季节做响应调整),但最大充电电流不能超过0.25C10A,以缩短蓄电池充电时间,增加蓄电池充电前期充入 的电量.(2)根据该基站停电次数及时间,如果停电次数多且停电时间长,建议对开关电源中均衡充电时间判别参数(充电时间和充电电流 值判别)进行调整,延长均衡充电时间,可比原设定延长20%~30%;另外建议调整开关电源均衡充电时间周期设置,把原设置一般3个月时间 周期调整为1个月或更短,对蓄电池进行均衡充电.
第二, 对基站组合开关电源内电池欠压保护设置电压值进行重新设定,提高蓄电池欠压保护的设置电压,尽量避免蓄电池出现过 放电和深度过放电(小电流过放电),具体设置要求如下,开关电源一次下电设置电压要求不低于46V,二次下电设置电压必须要求大于44V( 建议设置在44.4V).对负载电流小于1/3 I10A的基站,其放电时间尽可能不大于24h,即行切断(不管蓄电池欠压保护设置电压是否到了设定 值).具体可在开关电源内设置.
第三,改善基站机房室内环境,加装基站智能通风系统,解决基站由于市电停电或空调故障,机房内温升过高对蓄电池及通信设 备影响;基站加装智能通风系统,不但能节省大量能源,降低基站运行费用(这方面数据在浙江联通湖州分公司已通过试点验证, 并在全国联 通逐步推广),更能提高基站通信设备系统可靠性,降低通信设备故障率, 减少蓄电池热失控发生概率和降低电池失水速率,从而延长蓄电池 使用寿命.
第四,监控中心或OMC一旦接到基站停电告警后,应密切注意该基站运行情况, 一旦出现无线信号中断超过6h,应及时通知基站 维护人员携带发电机组赶赴现场进行发电,确保蓄电池因放电终止后能进行及时充电,延长蓄电池使用寿命.
第五,在工程前期站址勘察、设计阶段,一方面应选择供电质量好的供电线路; 另一方面应了解该基站市电供应情况(停电时间 、次数等),有重点的合理配置基站蓄电池容量, 而不应采取一刀切方式配置蓄电池组容量.
在选择基站开关电源设备时, 应选择交流输入范围宽、数字化程度高、智能化程度高、有完善的蓄电池管理功能的开关电源, 以缩短蓄电池充电时间和定期对蓄电池进行相关检测.
对于停电频繁,停电时间较长,且移动油机又无法到达的重要基站,可配置固定自动化柴油发电机组,解决基站供电问题.
4 结论
在目前全国范围内用电情况日趋紧张, 预计在今后2~3年内,市电供电状况将得不到彻底改善,因此基站的供电将比以往更差, 停电频率更高、停电时间将更长,蓄电池使用环境将更恶劣,如何确保基站通信畅通,提高通信可靠性,提升服务质量,同时又经济合理配置 通信设备是各运营商面临的一个课题, 因此如何延长蓄电池供电时间和使用寿命是该课题的一个最主要内容. 当然影响基站蓄电池寿命的因 素很多,在实际应用中,针对本文所论述影响蓄电池使用寿命的因素, 应同时采用多种相关措施加以改善,从而延长蓄电池使用寿命,提高通 信可靠性.
