基站蓄电池精细化维护延长蓄电池使用寿命的探讨与实践(海南).doc

基站蓄电池精细化维护延长蓄电池使用寿命的探讨与实践黎 勇（中国联通海南分公司）【摘 要】叙述了高频开关电源的配置，分析了影响基站蓄电池使用寿命的主要原因，以及阐述了如何对基站阀控式蓄电池进行精细化管理延长蓄电池使用寿命。通信网络心脏的电源，对保障通信网络安全可靠运行起着至关重要的作用。保障通信网络供电不中断的关键环节一是稳定可靠的交流电，主要靠可靠的市电以及油机供电保障，二是交流电中断后直流后备电源（蓄电池）的供电保障，这里重点对直流供电系统中高频开关电源以及蓄电池组的使用配置、维护以及检测等精细化管理相关问题进行探讨。直流供电系统由整流设备、蓄电池组和直流配电设备组成。直流供电系统向通信设备提供直流电源。一、高频开关电源整流器的配置 1、通信设备耗电量 对已经在网上运行的某种设备，再次扩容时，可以参考该种设备的长期运行负荷，结合设备供应商提供的数据，得出较合理的设备耗电量；对于不曾使用过的设备，则可采用通信设备供应商提供的数据。但应注意，同类型、同规模的交换、数据、智能网等设备，不同厂家的产品耗电量相差是较大的。2、 整流器配置通信电源设备的配置应该满足设备的最大耗电量。采用高频开关型整流器的局(站)，应按n1冗余方式确定整流器的配置。其中n只主用，n10时，1只备用；n10时，每10只备用1只。主用整流器的总容量应按负荷电流和电池的均充电流(10小时率充电电流)(无人站除外)之和确定。 48V直流供电系统，蓄电池大部分时间处在浮充运行方式，当前使用的阀控式密封铅酸蓄电池，浮充电压在2.232.27V/只，即系统电压通常在53.5254.48V。 通信设备受电端子上电压变动范围应在4057 V之间，蓄电池放电终止电压通常设置为1.80 V/只，即蓄电池组放电终止电压为43.2 V，低压告警点一般设置为44.4V。配置开关电源整流器，还应考虑整流器的均分负载性能。当系统在大于半载状态工作时，其均分负载的不平衡值应不超过直流输出电流额定值的5。 系统整流器的配置亦没必要太大，大了也是一种浪费。阀控式密封铅酸蓄电池最大充电电流不应超过电池安时数C10的25，即每100 A，充电电流不应超过25 A。应合理地设置蓄电池充电电流，充电电流太小，蓄电池充电时间过长；充电电流太大，会损伤蓄电池，缩短其寿命，通常以10小时率充电电流为宜。 二、基站用阀控式蓄电池精细化管理，延长蓄电池使用寿命下面分析影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素,谈如何作好阀控式蓄电池精细化维护管理。影响阀控式蓄电池使用寿命的主要原因在放电终止电压下蓄电池组能放出的最少电量的电池是衡量蓄电池寿命的主要指标，而与蓄电池容量有关的因素较多，如设计不周密、制造不精良、安装不正确、维护不完善等均对蓄电池的使用寿命有一定的影响。下面主要从使用维护的角度分析影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素。1.1、环境温度环境温度过高对蓄电池使用寿命的影响很大，温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短。蓄电池在25的环境下可获得较长的寿命，长期运行温度若升高10，使用寿命约降低一半。当电源处于浮充工作状态时，需要通过降低浮充电压来进行补偿，补偿系数为环境温度每上升1，每节电池单体（2V的单体）的浮充电压降低35mv。要注意的是，温度补偿功能只能在一定的范围内起作用，蓄电池最好是工作在的环境下。1.2、过度充电长期过充电状态下，正极因析氧反应，水被消耗，H增加，从而导致正极附近酸度增加，板栅腐蚀加速，使板栅变薄加速电池的腐蚀，使电池容量降低；同时因水损耗加剧，将使蓄电池有干涸的危险，从而影响蓄电池的寿命。1.3、过度放电蓄电池过度放电主要发生在交流电源停电后，蓄电池长时间为负载供电。当蓄电池被过度放电到其电压过低甚至为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，在电池的阴极造成“硫酸盐化”。因硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，蓄电池的使用寿命就越短。1.4、长期浮充电直流系统的开关电源提供的浮充电流对阀控式蓄电池而言有三个作用：供日常性负载电流、补充蓄电池自放电的损失、维持蓄电池内氧循环。若蓄电池在长期浮充电状态下，只充电而不放电，势必会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻增大，容量大幅下降，从而造成蓄电池使用寿命下降。1.5、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，会造成蓄电池容量下降过快和使用寿命缩短。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。1.6、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，使蓄电池容量下降，使用寿命缩短。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。另外，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。2、如何对基站阀控式蓄电池进行精细化管理延长蓄电池使用寿命2.1、改善基站机房室内环境，做好空调的维护保养，同时可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。并使用高频开关电源的电池温度补偿功能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，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。密封电池应工作在适宜的环境温度下环境温度对密封的放电容量、寿命、自放电、内阻等方面都有较大影响。一般开关电源都有温度补偿功能，但其灵敏度和调整幅度毕竟有限。密封电池的最佳工作环境温度为20-25度。关于高频开关电源的电池温度补偿功能。如果基站空调出现故障，会使环境温度变化较大，这对电池内部的化学反应速度有很大的影响。电池静置时，通常要求在040的条件下。温度太高将会使得电池的自放电加剧。而电池在使用时条件更苛刻，通常要求在2025之间。在这种条件下，电池性能最佳，寿命最长。低温，会使得电池容量降低，充电接收能力下降，充放电循环寿命下降；高温，会使得反应加剧，导致失水，板栅腐蚀增加。因此，动力环境监控系统设置有电池及环境过温告警，一旦电池温度过高，系统就会发出告警。当电池不是工作在电池厂家推荐的最佳温度下时，电池的充电电压应进行调整。温度越高，充电电压越低，称为“温度补偿”。 开关电源的温度补偿功能就是要将温度对电池的影响减至最小，但绝不是说有了充电电压的调节系数，电池就可以在任意环境温度下使用。要知道，温度低时，由于浮充电压增大，同样会引起浮充电流增大，板栅腐蚀加速等一系列的问题；而温度高时，浮充电压减小，也会形成电池充电不足等一系列问题。2.2、开关电源浮充电压值和均、浮充转换电池值应正确设置通信用蓄电池的充电方式主要是浮充电和均衡充电两种。为了延长阀控电池的使用寿命，必须了解不同充电方式的充电特点和充电要求，严格按照要求对蓄电池进行充电。开头电源参数设置不当，会使密封电池由于长期的过充或过放，造成“失水”和活性物质硫化，致使电池容量减小，寿命缩短。如果阀控式蓄电池投入使用的日期距出厂日期时间较长，电池经过长期的自放电，容量必然大量损失，并且由于单体电池自放电大小的差异，致使电池的比重、端电压等出现不均衡，投入使用前应用均充电压进行初充电，用于补充电电池自放电情况，均匀电池端电压，否则，个别电池会进一步扩展成落后电池并会导致整组电池不可用。另外，如果蓄电池长期不投入使用，闲置时间超过3个月后，应该对电池进行一次补充电。由于移动基站机房大多为无人值守机房，一般铅酸蓄电池充电均被设置在浮充位置。这样能有效地减少电解液的损耗，较好地发挥免维电池的少维优点，并能延长铅酸蓄电池的使用年限。 在浮充状态下，充电电流除维持电池的自放电以外，还维持电池内的氧循环，但是浮充状态下充电电流又是与电池的浮充电压密切相关的。因此，为了使阀控铅酸蓄电池有较长的使用寿命，在电池使用过程中，要根据电池制造的原材料及结构特点和环境温度等几方面的情况，设定其开关整流电源对电池的浮充电压。根据通信用阀控密封铅酸蓄电池行业标准YD/T7992002的规定，在环境温度25时浮充电压允许变化范围为2.202.27V。浮充电压设置过低，电池长期处于欠充电状态，不仅会在电池极板内部形成不可逆的硫酸盐化，而且还会在活性物质和板栅之间形成高电阻阻挡层，使电池的内阻增加、容量下降。浮充电压设置过高，电池长期处于过充电状态，会使电池充电电流增大，电池负极析出的H2和正极析出的O2气体难以全部再化合成H2O，造成电池失水，板栅腐蚀加速，使用寿命提前终止。因此，开关电源的运行与维护过程中，应根据电池厂家提供的资料进行浮充电压设置，如电池厂家推荐的单体电池浮充电压为2.23V，此时应设置开关整流电源的浮充电压为53.5V。但长时间的浮充会使电解液里游离子物质的活性减弱和使铅酸蓄电池端电压产生不均衡，严重时甚至会使个别电池单体正、负极反转，即发生“反极”现象。因而，一定时期内维护人员应对长期处于浮充的铅酸蓄电池进行一次均衡充电，一般一年内至少要进行一次，在有些乡镇基站，特别是市电供电不正常的基站，蓄电池在一次放电时间较长时，也要及时采取均衡充电措施。为了延长蓄电池的使用寿命，要求开关整流电源系统要检测电池放电情况，根据放电时间和放电电流积分计算放电容量，放电容量达到20要能在监控模块上记录下来,在市电正常后要进行均充。同时在开关整流电源系统监控模块上可以设置定期均充周期，一般推荐是3个月。在均衡充电时，电池单体电压一般控制在2.35V以下，最高不能超过2.40V。充56小时（注意，一次均充时间不宜太长），对于市电不稳定的地区,如果开关整流电源在市电正常后不能进行均充,维护人员要根据电池的放电情况,通过动力环境监控系统,在监控中心进行远端手动遥控开关整流电源对电池均充。正常浮充的情况下，充电电流极小，电池负极析出的H2和正极析出的O2几乎完全化合成H2O；在均充时如果电流过大，气体难以再化合，导致电池内部气压增大，引起排气阀门开启，造成电池失水。因此，在电池均充或浮充时候要限制电池的充电电流，称为“限流值”。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0.150.2C10A（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。 对于通信用开关整流电源系统，从整流器控制限流点的方法可以分为调压型和调限流点型两种。 调限流点型开关整流电源统监控模块首先根据电池限流值和负载电流的大小，计算出系统限流值以及分配到每个整流模块的限流值，然后把此参数下发给各个整流模块即可。同时每隔一段时间，监控模块根据负载电流的变化和检测到的电池电流值，重新计算调整限流值并且下发。监控模块不需调压，只把温度补偿后的浮充，均充电压值下发即可。此种方式，电池可以获得恒定的充电电流。调压型开关整流电源系统监控模块通过闭环调整整流模块电压来达到限流。当电池充电电流大于1.1倍限流值时，降低整流模块电压；当电池充电电流小于0.9倍限流值时，提高整流模块电压，直至到达预设定电压点为止；其它情况则维持整流器输出电压不变。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。2.3、阀控铅酸蓄电池的过放电保护（二次下电功能）如前所述，电池的过放电会对电池的使用寿命造成很大的影响，所以，基站用开关整流器的过放电保护功能也是其一项重要的指标。蓄电池额定容量，我国采用的是10小时率标称值(国外有的采用8小时率标称值)，即在环境温度为25、蓄电池以 10小时率电流放电、在放电终止电压为1.80 V/只时，蓄电池放出的容量为其额定容量。 基站用开关整流器的二次下电功能可以对电池进行过放电保护。即当交流电源停电后电池放电，在电池电压低于一次下电电压后，切断耗电量较大的次要负载，以维持重要负载较长的工作时间；在低于二次下电电压后切断所有负载，保护电池防止过放电。为了提高系统的可靠性，一般要求下电电路具备软硬件双重保护。硬件保护一般指电池电压在低于39V时必然下电，高于47V时不允许下电，下电电压点一般不可任意设置。软件下电保护电压点一般可以根据电池容量和放电电流进行设置或组合电源系统自行调节。对于蓄电池来说，二次下电的保护电压应该是电池放电终止电压，而在通信电源系统中，一般都将蓄电池组的下电电压保护点设置在43V，单体电池的终止电压约为1.8V。但是蓄电池的终止电压是与电池正负极的三种极化密切相关的，终止1.8V/Cell的设置是针对大约0.1C左右的放电速率而定的。由于极化的存在，电池在不同的放电电流情况下，终止电压是不同的。大电流放电时，终止电压较低；小电流放电时，终止电压较高。如果负载在某一个固定的下电电压点下电，大电流放电可能造成放电不足，不能有效延长负载工作时间；小电流放电可能造成过放电，影响电池使用寿命。例如一个300A的整流电源的后备电池组为500Ah，负载为50A（0.1C）时放电终止电压约43V，而负载为25A（0.05C）时，放电终止电压大约为45.6V，如果将下电电压设置为43V，对于60A负载，电池放电不足，而对于10A负载则是过放电。这样，在负载较轻的情况下，如果下电电压设置值还是和负载较重情况下的一样，就会使得电池长年工作在深度放电状态下，这将使电池的实际使用寿命大为缩短。蓄电池下电保护应根据负荷情况调整。由于目前基站蓄电池的容量配置一般都大于10小时，有时甚至是20小时以上，为了既能保障通信设备正常工作，又不至于使蓄电池过放电，应根据蓄电池厂家的使用要求以及基站的实际情况双方协商确定蓄电池终止电压，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），不妨把蓄电池放电终止电压设置在1.811.85V/只。具体设置建议如下，开关电源一次下电设置电压不低于46V，二次下电设置电压大于44V（建议设置在44.4V）。对负载电流小于1/3I10A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。2.4、充分利用动力与环境集中监控系统基站动力环境监控系统是保证基站配套设备在无人值守条件下，正常运行的远端在线重要测试工具，是配套设备维护用基础网络，是保障远端电源系统稳定、可靠地运行基础。利用监控系统可早期发现电池故障，特别是在市电下稳定情况下尤其重要。对一些不能按要求自动检测电池的放电情况对电池进行均浮充转换的开关电源，应按要求在监控中心进行远端手动遥控开关整流电源对电池均充。在市电较为稳定的情况下，开关整流电源均浮充转换不易被人们重视，因为从上面的分析我们已经认识了电池均充掌握不当，对电池的使用寿命也有较大的负面影响；对于市电不稳定的地区,如果停电平凡，在市电恢复正常后开关整流电源不能对电池进行均充,维护人员要根据电池的放电情况（放出实际容量）,及整流设备对电池的充电电流，通过动力环境监控系统,在监控中心进行远端手动遥控开关整流电源对电池均充。另外，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，一旦出现宏基站停电掉站情况，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。因为市电的供给不足,易造成阀控密封式铅酸蓄电池的过度放电,除开关整流器的二次下电对电池进行过放电保护外，阀控密封式铅酸蓄电池放电后必须在12h内补充电，否则将造成蓄电池的永久性容量损失不易还原。2.5、工程勘察、设计、设备选型的方面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。2.6蓄电池的日常维护及节能即使做到了以上要求，我们仍须重视和加强铅酸蓄电池的日常检查维护，做好如下工作：如基站机房增添新设备时，安放位置不得影响铅酸蓄电池的通风；维护人员每次进基站机房都应仔细观察一下电池表面是否清洁，有无腐蚀漏液现象；对每个电池单体