如何提高基站电源蓄电池的寿命

摘要：随着近几年国内无线通信的不断增长及海外通信的发展，移动基站通信设备不断增加。发现有大量基站使用的蓄电池运行1年到1年半时间，放电时间大大缩短，影响通信设备正常工作。本文阐述了蓄电池寿命的定义和影响蓄电池寿命的因素，就基站电源运行过程中蓄电池的损坏原因做了分析，提出了如何延长基站蓄电池使用寿命的方法探求。 叙词：基站电源特点，蓄电池寿命，频繁停电，高温，均充 Abstract：Along with the growth of domestic wireless communications and the development of overseas communications in recent years, the number of the mobile communications base station equipments is increasing. After one or one and a half years, the discharge times of large number of batteries used in base stations are shorten heavily. This affects the proper operation of the communications equipments. In this paper, the definition of battery life time and the factor affecting this time are made, and analyses the reasons causing battery failures occurred during the operation of these power supplies, and then proposes how to extend the life time of batteries used in base stations. Keyword：characteristics of power for base stations, life-time of battery, Frequent Power Failures, High temperature, Equalizing Charge
1、概述
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，容量只有其标称容量的50%左右，远远达不到设计使用寿命。与交换局站同类蓄电池相比，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。
2、影响基站电源蓄电池寿命的因素
2.1 蓄电池寿命的定义
蓄电池的寿命一般是这样定义的，浮充状态下为3-5年或3-8年，并不是说蓄电池在频繁放电状态下使用多少年。对处于非浮充状态下工作的蓄电池，其寿命是按照循环放电次数和放电深度两个因素衡量，如表1所示。简单地以能使用多少年来衡量，是不正确的。

表1：蓄电池放电深度与使用寿命之间的关系（25℃）

放电深度（%）	设计充放电循环次数
5	10000
20	2000
50	800
100	350

对于蓄电池的循环放电次数来说，必须是在蓄电池放电后充足电能，要充足电能充电时间至少需要24小时（依据YD/T799-2002的规定）。对于充电不足的情况，其循环放电次数很难确定，肯定要低于表1中描述的数据。
所以，蓄电池实际能使用多长时间完全取决于该站点的电网情况。假如某一个站点一个月停电10次，每次放到终止电压，每隔3天停一次电，每次蓄电池都能充足电量，机房环境温度25℃，那么蓄电池可以使用2年。如果每月停电超过15次，那么蓄电池的使用寿命就很难说了，有可能可以用1年，有可能用6个月，这就要取决于停电的实际情况了。
2.2 蓄电池放电深度的定义
放电深度对电池使用寿命的影响也非常大。电池放电深度越深，其循环使用次数就越少,如表1所示，因此在使用时应避免深度放电。[p]

图1 蓄电池放电曲线

上图是蓄电池生产厂家提供的150AH/12V蓄电池放电曲线。在实际使用时根据不同的负载电流选定不同的放电终止电压。在该放电曲线中，以10小时放电和5小时放电曲线为例，对于10小时放电（负载电流为15A）来说，如果放电到终止电压11V（44V），此时蓄电池放出的容量大约为100%。一般情况下，为了保护蓄电池尽量避免其深度放电，放电深度最好≤80%，终止电压在46V左右，放电时间约为8小时。对于5小时的放电率来说（负载电流为25.2A），终止电压10.8V（43.2V）放出100%容量，在实际使用时放电深度≤80%，终止电压在45.6左右，放电时间为4小时。
2.3 蓄电池寿命终止的几种因素
对于阀控密封铅酸蓄电池来说，有四种失效模式：正极板腐蚀、失水、热失控、硫酸盐化。其中正极板栅腐蚀由于合金工艺技术的提高，腐蚀速度非常慢，一般是10-15年。
失水的途径比较多：节流阀设计不合理，频繁开启；电源对蓄电池频繁均充；环境温度过高。其中高温是最主要的因素，高温会加速蓄电池失水速度，导致蓄电池容量下降。以25℃为基准，当蓄电池运行环境上升10℃，寿命减少50%。如图2所示。

图2 温度对蓄电池运行寿命的影响

热失控是蓄电池在充电过程中产生热量不能及时释放出，温度和化学反应之间形成一个正回馈，出现失控。热失控对蓄电池是毁灭性的，造成蓄电池外壳变形“鼓肚子”，严重的会造成蓄电池爆炸。热失控的原因是机房环境温度高超过45℃、高温下浮充电压过高（没有温度补偿功能）、充电电流超过设计值（超过2.5C10）。
硫酸盐化就是硫酸盐的堆积，即在极板上生成白色坚硬的硫酸铅结晶，颗粒比较大活性低。充电时非常难于转化为活性物质的硫酸铅，导致电池容量下降或功能衰退。硫酸盐化的原因是电池在安装使用前曾长时间搁置储存（超过3个月）、持续过放电或经常过量放电或小电流深放电、环境温度过高或过低、经常充电不足和没有定期执行均充。
3 影响基站电池运行寿命的原因
3.1 基站供电蓄电池的工作环境
位置偏远，交流电供电不稳定或者频繁停电，甚至根本就没有交流电。例如国内偏远山区以及落后国家电力供应不足等；基站没有空调或是户外站点，环境温度高，超过35℃；站点偏远且数量多，无法做到精细化维护，维护无法按照要求实施，处于没有维护或很少维护的状况。
3.2 影响基站电源蓄电池运行寿命的因素
通过对国内基站蓄电池损坏情况分析，采集了新疆、浙江、陕西、云南几个省蓄电池损坏的标本并结合海外越南、埃及、巴基斯坦、埃塞俄比亚基站电源的损坏数据，得出影响蓄电池运行寿命有如下几个因素。
3.2.1 交流频繁停电
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，或者基站根本就没有交流电，通过柴油发电机和蓄电池交替供电，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。
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，蓄电池长时间处于欠充状态（饥饿状态）。如连续多次发生欠充，将造成蓄电池容量累积性亏损，硫酸盐化加剧，蓄电池容量将在较短时间内下降，其使用寿命将较快终止。[p]
3.2.2 蓄电池存储时间太长
蓄电池在存放过程中存在自放电，如果长时间不能得到补充，那么就会出现硫酸盐化现象。这种现象如果没有得到及时改善，那么蓄电池容量会降低甚至损坏不能使用。另外，蓄电池存贮的环境温度对蓄电池容量影响也非常大，存储温度高加速蓄电池容量下降，如表2所示。

表2：蓄电池存放时间与环境温度对容量的影响

3.2.3 基站的自然环境
基站停电后，空调停机。由于基站为封闭机房，使基站室内温度大幅上升。温度过高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，缩短使用寿命。
3.2.4 电池安装开通质量
蓄电池的安装是否符合规范，对蓄电池的使用使命影响非常大。安装时没有将蓄电池之间的连接器固定螺钉拧紧，接线柱与连接器之间接触电阻增大，在充放电时产生大量热量而烧坏，造成整组蓄电池损坏；蓄电池温度传感器没有安装或安装错误，在温度高时会因为无法调整充电电压到合适值，蓄电池出现热失控现象，造成蓄电池损坏；开通时没有在监控单元中调整蓄电池管理参数至合理值，造成蓄电池损坏。
3.2.5 开关电源蓄电池管理参数
开关电源涉及到蓄电池管理的参数有蓄电池容量、充电电流系数、均浮充电压、一二次下电电压、自动均充的条件、温度补偿电压。如果这些参数设置不合理，那么会对蓄电池的寿命造成影响。例如一二次下电电压设置电压过低，使蓄电池出现过放电甚至深度过放电现象， 加剧蓄电池负极板硫酸盐化，是使蓄电池容量下降，使用寿命缩短的另一个主要原因。
3.3 频繁停电对蓄电池寿命影响分析
对于阀控铅酸密封免维护电池来说，负极板的硫酸盐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。造成基站蓄电池负极板硫酸盐化的主要原因是基站频繁停电，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盐化。这种电池在解剖化验后，其PbSO4含量明显偏高。在多次不能充足的情况下，随着时间的推移蓄电池容量就会逐渐减少，直至失效。
对于频繁停电的基站，经常会出现电池正在充电时电网停电，电池立即由充电状态转入放电状态，正板上的二氧化铅转换成硫酸铅。放电过程中，市电恢复，电池由放电状态转为充电状态，正板的硫酸铅转化为二氧化铅。如果此时对电池的充电时间不够长又再次停电（电池此时还没有进入浮充状态），则正板上二氧化铅不具有活性成分，仅仅是作为二氧化铅存在，但不能提供能量。这种脉冲式停电方式，导致决定电池容量的正极板上的活性物质存在，但不具备提供容量能力，同时又不会形成不可逆的硫酸铅(硫酸盐化)。一段时间后，正极板上部分活性物质永久失效，电池容量下降，对于使用者来说，直接的反应就是供电时间不足。如图3所示。

图3 多次不充分充电对蓄电池运行寿命的影响

4 延长基站供电蓄电池寿命的方法
根据造成基站蓄电池运行寿命减少的因素，结合实际情况我们提供如下几个延长蓄电池寿命的方法。[p]
4.1 针对频繁停电延长蓄电池使用寿命方法
对于频繁停电的站点，需要通过增加固定油机或者移动油机来保障蓄电池在停电后能得到及时补充充电，或者避免蓄电池深度放电。对过于频繁停电的站点，除了采用上面的方法之外，还需要采取特殊的蓄电池来解决问题，即使用GEL电池。GEL在循环使用寿命上比AGM多1.5倍至2倍，详细情况如表3所示。另外对于这样的站点一定要使用2V电池，尽量避免使用12V电池。
对于没有交流电的站点，柴油发电机很难保证（油价上涨和不能及时加油），需要采取新的供电方案，可以考虑太阳能电源供电系统，给基站设备供电。
表3 AGM和GEL电池循环使用寿命对比

type	Designed floating life	Cycle life
AGM	8 years (20℃)	80% depth, discharge cycle≤450 times, it must to be complete charge after discharge
GEL	15 years (20℃)	80% depth, discharge cycle≤1000 times, it must to be complete charge after discharge

4.2 减少蓄电池过放并及时补充
4.2.1 减少蓄电池过放
在电源供电方案初期，需要根据负载电流，结合蓄电池的放电曲线配置比较合适的蓄电池容量，在要求的放电时间内避免蓄电池过放，一般原则是在规定放电时间到了以后蓄电池放出的容量≤80%。
在电源开通后，如果暂时没有市电接入或者暂时不使用电池，那么必须断开蓄电池的所有负载（关闭蓄电池空开或拔掉熔丝，关闭监控单元的供电），使蓄电池处于开路状态。避免蓄电池小电流放电，造成蓄电池容量下降或者失效。
在蓄电池管理方面，尽量避免蓄电池在仓库放置时间超过3个月。如果超过3个月不能安装，那么就要考虑通过充电器，对蓄电池进行充电。
根据实际使用情况调整蓄电池欠压保护的电压，尽量避免蓄电池出现过放电和深度过放电（小电流过放电）。对于频繁停电的站点，为了延长蓄电池运行寿命，要求一次负载下电电压≥47V，二次下电电压≥46V。
4.2.2 及时对蓄电池补充充电
在电源开通后，人工控制执行对蓄电池均衡充电，均衡充电时间≥10小时。对于频繁停电的站点，可以增加蓄电池充电电流，以缩短蓄电池充电时间增加充电前期充入的电量。通过监控单元，将充电电流系数调高为（1.8～2.2）C10，最大充电电流系数不能超过2.5C10。
根据该基站停电次数及时间，对于停电次数多且停电时间长的情况，延长均衡充电时间。改变均衡充电时间周期设置，把原设置一般180天周期调整为30天或15天，以减少硫酸盐化现象的发生。
4.3 减少高温对蓄电池寿命的影响
如果蓄电池安装在机房或者房舱内，那么需要安装空调确保机房环境在合适的温度。
对于户外电源，为了确保蓄电池的工作温度在合适范围内，需要在电池柜上搭建凉棚避免阳光直射；可以通过地埋的方式，把蓄电池放在专门的地窖内，确保蓄电池的工作环境温度不会太高；户外电源最好使用温度范围比较宽的GEL电池，以减少高温或低温对电池造成的严重影响，以延长使用寿命。
4.4 定期维护
在蓄电池的使用过程中需要对其做相应的维护。由于蓄电池在运行一段时间后，就会出现个别电池落后（一般情况下落后电池端电压不得小于正常的20mV）或失效的现象。如果不及时发现，那么落后的电池会越来越落后，直至失效。失效的电池会导致其他好的电池随时间推移慢慢失效，进而使整个电池组报废。一般要对蓄电池每隔3个月进行一次维护，主要是检查蓄电池组中有无漏液、有无“臌肚子现象”、有无落后电池存在、蓄电池连接处有无锈蚀和固定螺钉松动、环境温度是否正常等等。只有做到及时发现及时处理，才能确保蓄电池的正常寿命。