开关电源参数设置对基站蓄电池寿命的影响.doc

开关电源参数设置对基站电池寿命的影响(维护中心)阀控式铅酸蓄电池（VRLA）的安装使用是从八十年代末开始的，初期安装的电池主要为进口产品，九十年代中后期，国产VRLA电池在通信行业开始大面积使用。目前大多数厂家对阀控蓄电池的设计寿命都在10年以上，正常使用寿命应能保证8年，然而移动通信基站蓄电池，在实际使用中大部分电池只能用到3-5年时间，有的甚至只用到1-2年就寿命终止了，这不仅给企业造成了巨大的经济损失，而且给基站维护管理工作带来了很大的压力。影响阀控式铅酸蓄电池使用寿命的因素很多，但主要因素有：均浮充电压、充放电电流、环境温度、电池终止电压、电解液浓度等，就移动通信基站目前使用的开关电源设备及机房环境情况看，目前影响我省移动通信基站电池使用寿命除均浮充电压的设置、环境温度外，最重要的二个因素是电池放电电流和电池终止电压。因为基站载频数不同，电池的放电电流也不相同，终止电压的设定值也不同。这二项重要参数，厂家工程师在电源设备开通时并未根据移动基站的通信特点（即要求电池放电时长比较长），做相应的调整，也就是说根本没考虑电池放电率的问题（如：同样将电池终止电压设为1.8V，10小时率放电放出100%的容量，20小时率放出110%的容量），而是按标准格式进行参数设置。基站扩容后（或拆闲补忙），放电电流发生改变，电池的终止电压设定也应进行相应的调整，同样我们的基站维护人员也未根据电池放电率的改变而修改电池终止电压值。为了说明这二个因素对移动通信基站电池使用寿命的影响，先了解目前基站电池现状。我省移动通信基站蓄电池的容量配置一般为：城区基站48V/500AH电池二组，乡镇基站48V/300AH电池二组，而NOKIA基站的实际负载电流(放电电流)却比较小：2载频基站负载电流不到10A, 18载频基站负载电流也不到50A，乡镇覆盖站配置大多数为2载频，城区基站配置大多数也在18个载频以下。按放出电池额定容量80%的电量计算，基站事故停电，城区基站电池至少能支持16个小时，乡镇覆盖站至少可支持48小时以上，而实际情况并不理想，我省移动通信基站可能有相当数量的电池已放不出额定容量80%的电量了，也就是说电池寿命已接近终止了，如果不加强基站蓄电池的维护管理工作，今后用于电池更新改造的费用会逐年增多，也有可能会成倍地增长。2002年金网工程、新增基站及直放站工程、GSM七期工程基站蓄电池整体情况虽然还好，但从动环监控模拟量基站上传数据看，已发现了一些问题，如落后电池，容量下降、放电时长缩短等等。究其原因可能与开关电源参数设置有关，如基站事故长时间停电，因电池终止电压设置不合理，实际放出的电量远大于电池的额定容量，造成电池过放电，过放电会造成电池硫酸化，电池内阻增大，容量下降。VRLA电池使用寿命是否终止的判断依据是：在环境温度为25时，以10小时率放电，电池终止电压为1.8V，放出的电量低于电池额定容量的80%时，认为电池使用寿命终止。以下是蓄电池额定容量与实际容量的定义：额定容量：在规定的工作条件下，蓄电池能放出的最低电量称为额定容量。VRLA电池规定的工作条件为：10小时率电流放电，电池温度为25，放电终止电压为1.8V。实际容量：在特定的放电电流，电解液温度和放电终止电压等条件下，蓄电池实际放出的电量称为实际容量。移动通信基站电池现有条件并不符合电池的规定条件，比如放电电流比较小、环境温度变化比较大。从现网基站放电电流统计来看，目前城区基站放电电流大多数在20小时率以上，乡镇基站放电电流在30小时率以上,而一些乡镇覆盖站(或行政村基站)放电电流至少在40小时率以上。开关电源供应商按照通信电源维护规程要求，在设备出厂时，电池脱离电压设置值也是根据电池10小时率放电电流，单体电池终止电压1.8V而设的，考虑线路压降，一般设为44-45V，而移动通信基站的实际负载又远远大于电池的10小时率放电电流，如果事故停电致基站电池电压低于44V时，电池脱离开关动作，基站退出服务，而此时的基站电池放出的实际容量其实远远超过了电池的额定容量，很容易造成极板硫酸化。若此时不进行及时发电（也就是常说的充电不及时），那电池的正常使用寿命将受到严重影响。为确保移动基站电池的正常使用寿命，维护人员必须根据每个基站放电电流正确设置基站电池的终止电压（也即电池脱离电压），放电电流越小，电池的终止电压设置越高。抚州GSM四期工程城区基站因2000年供电部门城网改造，当时抚州公司只有一台10KVA的汽油机，根本无法满足城区大面积停电基站供电的需求，为了保证基站通信不中断,当时唯一的办法就是延长基站电池放电时长，因此将电池的终止电压重新调回至1.8V （起初设置是为2.00V）。 2000年初对抚州城区基站电池做例行核对性容量试验时，从放电试验数据分析，当时电池质量无任何问题，结果2000年4月开始停电，到2000年10月城网改造完成，在不到6个月的时间，基站所有电池均不同程度出现落后电池，几乎所有基站的电池均不能放出额定容量80%，电池使用寿命已近终止，给后期的基站维护工作带来非常大的压力。举此例的目的主要是为了更好的说明：移动通信基站电池终止电压的设定是影响电池正常使用寿命最关键的因素之一。当然前面提到的环境温度、均浮充电压、放电电流等，这几大因素也很重要，因此在电源设备参数设定过程中必须加以综合考虑，任何二者之间都存在着密切关系，任何一个参数设置不正确将会影响到基站电池的正常使用寿命。下面就影响移动通信基站蓄电池使用寿命的几大主要因素做个简单的阐述。一、充放电控制对电池寿命的影响通过对基站电池容量下降原因统计分析，电池的充放电控制不合理同样会造成的电池寿命终止。如电池早期容量损失、正负极板不可逆硫酸盐化、热失控、电解液干涸等都与放电控制的不合理有关。在移动通信基站系统中，为确保基站通信不中断，移动通信基站直流供电系统均采用开关电源设备与蓄电池组并联组成全浮充电供电模式。在浮充状态下，一部分电流用于供给基站设备使用，另一部分电流用于补充因电池自放电而损失的容量。浮充状态下充电电流与电池的浮充电压是密切相关的，为了确保基站蓄电池的正常使用寿命，在对电池的维护使用过程中，要充分结合基站环境温度变化随时调整开关电源的参数设置，并根据基站实际负荷情况合理设置蓄电池的放电终止电压，同时认真阅读蓄电池供应商提供的产品使用说明书及用户手册，为基站电池提供合理的使用条件，以确保电池的正常使用寿命。1、浮流电压的设置：浮充电压的设置对电池的寿命具有相当重要的影响，理论上浮充电压产生的电流量需达到补偿自放电及电池单放电电量和维持氧循环的需要。不合理的浮充电压主要影响电池以下两个方面：正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放。阀控铅酸蓄电池正极比传统式电池的正极使用条件恶劣，在不同的浮充电压条件下，正极腐蚀更为严重。特别是当电池的浮充电压超过2.30V/只时，板栅腐蚀现象加剧。而正极腐蚀则意味着电池失水，使电池的寿命缩短。电池内的氧气和氢气一经储存便产生气压，最终气体通过排气阀排放，造成电池失水。 目前江西移动网上使用的蓄电池主在有深圳华达、浙江南都、哈尔滨光宇、山东文隆、长沙丰日等供应商的产品，根据各供应商提供的产品说明书及用户手册，在环境温度为25时，蓄电池的浮充电压应设置在2.25V，允许变化范围为2.232.27V。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，最终使其寿命提前终止；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，不仅会使安全阀频繁开启导致失水增加，容量衰减；而且还会使电池内产生的热量来不及散掉，温度升高，形成恶性循环，造成热失控（电池膨胀），另外还会使板栅腐蚀加速，浮充使用寿命提前终止。 当然为了使电池既不欠充电，也不过充电，必须根据环境温度的变化来调整开关电源的浮充电压，通常的调节系数为3mV/。但决不是说有了浮充电压的调节系数，电池就可以在任意环境温度下使用。GFM系列电池可在-1545的环境中使用，但最佳使用温度这25，全浮充运行模式是蓄电池的最佳运行条件，运行时电池一直处于满荷电状态，在此条件下运行电池将达到最长的使用寿命。电池浮充运行时，电压应随环境作适当调整，下表为针对我省气候情况，列出不同坏境温度时电池的浮充电压设置参考值：（表一）环境温度（）浮充电压（V/只）0102.2911152.2616202.2520252.2326302.2131352.236402.19从上表可知，不同的环境温度，浮充电压的设置值是不同的，温度低时，浮充电压需调大，温度高时，浮充电压需降低。大家知道，浮充电压增大必然会引起浮充电流的增大，根据电化学理论，浮充电流增大务必会使电池的板栅腐蚀加速，寿命提前终止等一系列问题的产生；而温度高时，浮充电压减小，也会形成电池欠充电的一系列问题。为此，移动通信基站的空调设备制冷量选择、自启动性能、温度设置、机房环境等显得至关重要。目前基站安装的大部分设备排热在正面，建议新建基站的电池不能安装在设备的正面，以避开设备热源，电池多层安装时，也最好不要安装在电池柜内，以免影响散热，空调的导风口也不能直接对着电池。2、均衡充电方法对电池寿命的影响蓄电池组深度放电或长期浮充供电时，单体电池的电压和容量都可能出现不平衡现象。为了消除不平衡现象，一般做法是将浮充电压提高0.050.07V/C，但最高不得超过2.35V/C，充电时提高充电电压，这种充电方法叫做均衡充电。电信电源维护规程规定，阀控铅酸蓄电池遇到下列情况之一时，应进行均衡充电：两只以上单体电池的浮充电压低于2.18V； 放电深度超过20%；闲置不用的时间超过三个月；全浮充时间超过三个月。均衡充电时，通常采用恒压限流的方式。充电电压的设置也要根据电池的结构特点和环境温度来确定，环境温度为25时，单体阀控铅酸蓄电池的均衡充电电压应设置在2.35V，充电电流应小于0.25C10A，C10为蓄电池10小时率的放电容量。通常，环境温度每升高1，单体电池的均衡充电电压应下降3mV。需要注意的是：在按规定对电池进行均衡充电时，除了充电电压重要以外，均衡充电时间的设置也很重要。为了延长蓄电池的使用寿命，必须根据均衡充电的电压和电流，精确地设置均衡充电时间。也就是说，均衡充电过程中，当充电电流连续三小时不变时，必须立即转入浮充电状态，否则，将会严重过充电而影响电池的使用寿命。为此，务必要求开关电源厂家现场服务工程师，严格按蓄电池产品说明书中的相关技术要求设置开关电源监控模块的参数。正常情况下，一般充入电池的电量是其放出电量的1.2倍。电池放电后应及时充电。充电方法推荐如下：以0.1C10A（10小时率）的恒电流对电池组充电，到电池单体平均电压上升到2.352.40V,然后改用2.352.40V/单体进行恒压充电,直到充电结束。用上述方法进行充电，其充足电的标志，可以用以下两条中的任一条作为判断依据：充电时间1824小时（非深放电时间可短，如20放电深度的电池，充电时间可缩短为10小时。）电压恒定情况下，充电末期连续三小时充电电流值不变。在特殊情况下，电池组需尽快充足电，可采用快速充电方法：限流值0.15C10A，充电电压为2.352.40V/单体,充电时间设置10-24H（建议开关电源设置参照实行）。下图表示500AH VRLA电池在放电深度为100时，用0.1C10A的电流，限压2.35V（25）进行充电的特性曲线。从图中可以看出，完全放电后的蓄电池,充电15小时后,充入电量可达100以上。3、开关电源参数设定：在通信电源系统中，目前各厂商生产的开关电源产品均配有监控管理模块，通过监控模块可对整个系统的各种参数进行设置，且特性非常好，精度也非常高。为此在开关电源设备维护过程中对均衡充电电压及充电时间的设置与浮充电压的设置显得同样重要。如果电池的浮充电压设置正常或偏低，事故放电后来不及补电会形成不可逆硫酸盐化；如果电池的浮充电压设置偏高，电池正常浮充使用时会有过充电的问题，同样影响电池的使用寿命。根据目前全省各地市基站发电机配备情况，下面列出不同供电状况下移动基站开关电源参数设定参考值。推荐参数设置值一类供电 （省会城市基站）二类、三类供电（市县城区基站）四类及四类以上供电（乡镇基站）均充电压（V）2.352.352.35充电限流值（A）0.1 C100.1 C100.15 C10高压告警值（V）57.657.657.6低压告警值（V）484850电池脱离电压（V）464748浮充电压的温度补偿系数-3mV/单体-3mV/单体-3mV/单体高温告警（）353535均充周期3个月3个月1个月复电均充起始条件（容量）20%20%10%浮充转均充条件（mA/Ah）505050停电均充时间（h）101624退出均充条件（mA/Ah）555注：表中的电池脱离电压也只是参考值，维护人员应根据各个基站的具体情况做相应的调整。表中低压告警值设置稍偏高，主要原因考虑维护人员在接到动环监控系统发来的告警提示后，赶到基站发电需要一定的时间，同样维护人员可根据这段时间的长短，对此低压告警值做相应的调整。 三、蓄电池放电时，终止电压设置原则 由于阀控铅酸蓄电池在通信电源系统中作为备用电源使用，市电中断后，会立即转入放电状态，以保证直流电源不间断。因而蓄电池的放电使用也尤为重要。因移动通信基站电池容量配置大，而放电电流远远小于10小时放电率，为此放电时需要特别注意的是蓄电池的放电速率和放电终止电压，尤其是不同环境温度下的放电速率和放电终止电压的设定。由于不同的环境温度会极大地影响电池中电解液的冰点和活性物质的活性，为保证化学反应的充分进行，移动通信基站机房的环境温度最好控制在25左右。电池放电时终止电压的设定是为了防止放电过程中成组电池内出现各单体电池的电压和容量不平衡现象。通常，过放电越严重，下次充电时，落后电池越不容易恢复，这就将严重影响电池组的寿命。在通信电源系统中，通常阀控电池的放电速率为0.02C10、0.1C10、0.2C10或0.3C10A。为了防止过放电，不仅要尽可能地避免放电速率过小，而且还必须根据放电速率，同时结合环境温度，精确地设计放电的终止电压。我省乡镇覆盖基站放电速率一般在0.0150.025C，终止电压可设定为2.00V，城区及重要乡镇基站放电速率在0.0250.06C，终止电压可设定1.90-1.95V之间。由于浓差极化的存在，随着放电速率的增大，伴随着放电电流的增大，放电终止电压也应该越来越低，反