高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池應(yīng)用與發(fā)展思路

董 宏，賴世能

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣山510630）

0 引 言

在哥本哈根會議倡導(dǎo)全球節(jié)能減碳的國際大趨勢下，通信行業(yè)也勢必要接受大幅降低能耗的新挑戰(zhàn)。移動基站、接入網(wǎng)點(diǎn)、戶外機(jī)柜等需要冷卻的對象主要是通信主設(shè)備、蓄電池、開關(guān)電源等，普通閥控式密閉鉛酸蓄電池對溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，蓄電池在此環(huán)境下可獲得較長的壽命。若其運(yùn)行溫度每升高10℃，使用壽命約降低一半。目前業(yè)界開始推出高溫型鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池等一系列新型蓄電池，大大降低了蓄電池對環(huán)境溫度的要求，擴(kuò)展了蓄電池對環(huán)境的耐受能力。若這些蓄電池能有效使用，可以有效減少通信機(jī)房對空調(diào)的依賴程度，實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

新型高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池（下面簡稱“高溫型電池”的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在可以減少空調(diào)的使用，降低用電量。以無線通信基站為例，大約有50%的能耗是由基站空調(diào)消耗掉，而基站空調(diào)大多數(shù)情況都是由于蓄電池的工作溫度需求而不得不將工作溫度設(shè)定在25℃以下，從而增加了站點(diǎn)能耗。如果使用新型高溫型電池，在保障設(shè)備性能不降低的前提下提升站點(diǎn)工作溫度，甚至可以不使用空調(diào)，從而達(dá)到降低基站能耗的目的。中國電信通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了新型高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池在通信局站應(yīng)用效果，驗(yàn)證了該類電池在通信領(lǐng)域推廣試驗(yàn)的可行性。

1 高溫型電池應(yīng)用的前提

隨著技術(shù)進(jìn)步，目前移動基站、戶外機(jī)柜等主設(shè)備、傳送設(shè)備等都可持續(xù)工作在40℃左右的機(jī)房溫度環(huán)境中。但作為機(jī)房設(shè)備的一部分，蓄電池卻無法在如此高溫環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，成為機(jī)房整體升溫改造的瓶頸。

基站內(nèi)各類設(shè)備工作環(huán)境分析：

（1）無線通訊設(shè)備：大部分標(biāo)稱為－5℃～55℃，最高工作溫度范圍都在50℃。

（2）傳輸設(shè)備：工作溫度范圍標(biāo)稱為0～45℃。

（3）電源設(shè)備：智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)和交流配電箱對環(huán)境溫度的要求也不是特別高，在－5℃～40℃都能正常工作。

（4）空調(diào)設(shè)備：基站空調(diào)適合機(jī)房內(nèi)較高溫度，最高工作溫度可高達(dá)50℃以上。

（5）蓄電池：標(biāo)稱使用溫度為25℃，長期運(yùn)行若溫度升高10℃，使用壽命約降低一半。

通信基站空調(diào)的能耗在基站能耗中占相當(dāng)大的比例，而提高電池的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度是解決問題的核心，若將基站溫度調(diào)高至35℃，基站節(jié)能將帶來質(zhì)的變化。提高通信后備電池的高溫性能，減少電池對機(jī)房、基站內(nèi)空調(diào)設(shè)施的依賴，是通信運(yùn)營商節(jié)能減排的途徑之一。

2 高溫環(huán)境下普通閥控密封鉛酸電池主要失效模式

普通閥控密封鉛酸電池在高溫環(huán)境下使用的失效機(jī)理主要有如下原因：

（1）失水

電解液少、氣體復(fù)合效率低、安全閥失效、殼體裂紋。

（2）正極活性物質(zhì)軟化、脫落

常規(guī)鉛膏配方及和膏工藝不合理，沒有形成高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)。

（3）正板柵腐蝕

合金板柵不耐腐蝕、板柵筋條截面積偏小、極板表面積小造成極化電流大、極柱斷裂。

（4）負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化

充電效率低，短時間內(nèi)無法充足電。

（5）殼體鼓殼、裂紋

殼體壁太薄、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、殼體材料不耐高溫。

3 高溫型電池技術(shù)要點(diǎn)及發(fā)展思路

高溫型電池區(qū)別于普通的通信用閥控密封鉛酸蓄電池的方面，就是在不超過40℃的環(huán)境下，能夠正常使用，且使用壽命不發(fā)生縮短現(xiàn)象。極端溫度在不超過60℃情況下，電池殼體不發(fā)生變形，電池能夠正常充放電，而不會短時間內(nèi)發(fā)生熱失控。

（1）適用溫度范圍廣

通信用高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池可在－20℃～＋60℃范圍內(nèi)使用，可長期在35℃～40℃的環(huán)境溫度下使用，蓄電池可使用的極限溫度為－40℃～＋75℃。

（2）浮充壽命長

35℃下，設(shè)計(jì)浮充壽命達(dá)10年。高溫電池按正常AGM閥控電池招標(biāo)的質(zhì)保時間進(jìn)行質(zhì)保。

（3）快速充電能力

高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池具有在短時間內(nèi)快速充滿電的能力。

（4）高溫浮充無熱失控跡象

在70℃條件下，以2.25 V／cell浮充72 h，浮充電流應(yīng)逐漸減小，高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池在高溫下應(yīng)無熱失控跡象。

（5）殼體結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)

應(yīng)采用特定的高強(qiáng)度耐高溫型ABS材質(zhì)，比普通電池ABS材料熱變形溫度提升至少10℃。殼體采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小殼體內(nèi)應(yīng)力的存在，防止殼體在高溫下產(chǎn)生裂紋，保證電池在長期高溫下不會發(fā)生鼓殼變形，保證電池在長期使用過程中，電池單體始終處于緊壓縮的狀態(tài)，有效防止正極板活性物質(zhì)膨脹和脫落，電池放電時，隔板中的硫酸可以及時輸送到極板中，保證電池的放電性能。

（6）特殊的板柵合金及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)采用特定板柵合金，提高了板柵在高溫下的耐腐蝕性，板柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時提高耐受大電流放電的能力。

（7）特殊鉛膏配方

添加新型耐高溫添加劑，提高活性物質(zhì)間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合力度，減緩正極活性物質(zhì)在高溫條件下的泥化現(xiàn)象。正極活性物質(zhì)中添加特殊材料，使得極板化成均勻，保證電池的一致性能及循環(huán)性能。負(fù)極添加合適新型添加劑，提高電池的充電接收能力，有力地避免了電池在循環(huán)使用后期的硫酸鹽化現(xiàn)象。

（8）特殊配方AGM隔板

隔板作為蓄電池的“第三電極”，起著非常重要的作用，高溫型電池采用了特殊配方隔板。

隔板中采用新型添加劑（合成憎水纖維），保證氧復(fù)合必要的通道，提高氧復(fù)合效率，減少高溫條件下的失水速率。

采用特殊配方隔板，提高細(xì)纖維含量到50%以上，一方面提高隔板孔率及平均孔徑的均勻性，可以增大含酸量，防止高溫下失水造成的容量衰減，并有效防止電解液分層；另一方面提高濕態(tài)保壓強(qiáng)度至35 kPa以上，有效防止正極活性物質(zhì)的脫落。

（9）低電解液密度

采用低的電解液密度，保證成品電池電解液密度不高于1.28 g／cm3，增加電解液體積，一方面可以很大程度上降低蓄電池的板柵腐蝕速度；另一方面，可以解決蓄電池在高溫運(yùn)行下因失水而造成的蓄電池容量不足現(xiàn)象。

總之，采用了特殊的技術(shù)和工藝，從技術(shù)層面解決了電池在高溫下使用壽命短的缺點(diǎn)，通過高溫性能壽命測試，能夠滿足通信基站電源系統(tǒng)的使用要求，對通信系統(tǒng)節(jié)能減排具有極高的推廣價值，符合通信備用電源未來的發(fā)展趨勢。高溫型閥控密封式鉛酸蓄電池可以進(jìn)行快速充電，使得電池在短時間內(nèi)充滿電，防止電池因充電不足而影響壽命。

4 高溫型電池的壽命要求及測試方案

4.1 壽命要求

高溫型電池的壽命要求如表1。

表1 高溫型電池的壽命要求

過充電壽命試驗(yàn)中，每30 d折合壽命1年。高溫加速浮充壽命中，每次折合壽命1年。

4.2 容量測試方案

（1）完全充電的蓄電池靜置1 h～24 h，在25℃±5℃環(huán)境中開始放電。

（2）放電開始前后應(yīng)測量蓄電池的端電壓；放電時應(yīng)測量電流，其電流波動不得超過規(guī)定值的1%。

（3）放電期間應(yīng)測量蓄電池的端電壓及室溫，10 h率試驗(yàn)的測量時間間隔為1 h，3 h率試驗(yàn)的測量時間間隔為0.5 h，1 h率試驗(yàn)的測量時間間隔為10 min；在放電末期應(yīng)隨時測量，以便準(zhǔn)確地確定蓄電池終止電壓的時間。

（4）蓄電池放電時，如果溫度不是25℃，則需將實(shí)測容量按公式（1）換算成25℃基準(zhǔn)溫度時的容量Ce，

式中，t為放電時的環(huán)境溫度；K為溫度系數(shù)：10 h率容量試驗(yàn)時，K＝0.006／℃；3 h率容量試驗(yàn)時，K＝0.008／℃；1 h率容量試驗(yàn)時，K＝0.01／℃。

5）放電終止電壓應(yīng)符合表2的規(guī)定；10 h率容量第一次循環(huán)應(yīng)達(dá)到0.95C10；在第三次循環(huán)之前，10 h率容量應(yīng)達(dá)到C10，3 h率容量應(yīng)達(dá)到0.75C10，1 h率容量應(yīng)達(dá)到0.55C10。

表2 高溫型電池放電率

4.3 過充電壽命試驗(yàn)

按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）按4.2規(guī)定的方法完成容量試驗(yàn)達(dá)到額定值的蓄電池，經(jīng)完全充電后，在25℃±5℃環(huán)境中，以0.02C10恒定電流方式進(jìn)行連續(xù)充電30 d；

（2）每30 d的連續(xù)恒定電流充電后，按4.2規(guī)定的方法進(jìn)行一次1 h率容量試驗(yàn)，然后再以0.02C10恒定電流方式進(jìn)行連續(xù)充電30 d；

（3）重復(fù)充、放電，直至蓄電池容量低于1h率額定容量的80%并再次試驗(yàn)，確認(rèn)仍低于80%時結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表1的要求。

4.4 高溫加速浮充壽命試驗(yàn)

按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）按4.2規(guī)定的方法完成容量試驗(yàn)達(dá)到額定值的蓄電池，經(jīng)完全充電后，在60℃±2℃環(huán)境中，以Uflo電壓連續(xù)充電30 d；

（2）將蓄電池取出，放置24 h～36 h，在25℃±5℃環(huán)境中按4.2規(guī)定的方法進(jìn)行一次3 h率容量試驗(yàn)，作為一個試驗(yàn)循環(huán)，折合壽命1年；

（3）重復(fù)（1）、（2），直至蓄電池容量低于3 h率額定容量的80%并再次試驗(yàn)，確認(rèn)仍低于80%時結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表1的要求。

4.5 循環(huán)耐久性試驗(yàn)

按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）按4.2規(guī)定的方法完成容量試驗(yàn)達(dá)到額定值的蓄電池，經(jīng)完全充電后，在25℃±2℃環(huán)境中，以2I10的電流放電2 h（電流偏差不超過±1%），立即用廠家規(guī)定的浮充電壓（限流0.2C10）充電22 h，測量并記錄放電2 h及充電22 h時蓄電池的電壓、電流值及表面溫度值；

（2）“放電2 h及充電22 h”構(gòu)成一個循環(huán)，每49次循環(huán)后，第50次按4.2規(guī)定的方法進(jìn)行一次10 h率容量試驗(yàn)；

（3）重復(fù)（1）、（2），直至蓄電池容量低于10 h率額定容量的80%并再次試驗(yàn)，確認(rèn)仍低于80%時結(jié)束試驗(yàn)，最后50次循環(huán)不計(jì)入大循環(huán)次數(shù)之內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表1的要求。

4.6 高溫電池其它循環(huán)耐久性測試方案

A 方案：16：8（55℃下，0.05C恒流放16 h，0.15C限流、2.35 V恒 壓充8 h作為1個小循環(huán)，每10個循環(huán)后，在25℃下查一次10 h率容量，當(dāng)10 h率容量低于初始容量的80%時結(jié)束。）

B方案：8：16（55℃下，0.1C恒流放8 h，0.15C限流、2.35 V恒壓充16 h作為1個小循環(huán)，每10個循環(huán)后，在25℃下查一次10 h率容量，當(dāng)10 h率容量低于初始容量的80%時結(jié)束。）

每10個循環(huán)折合壽命1年。

注：可從以上四種循環(huán)耐久性測試方法中任選一種進(jìn)行試驗(yàn)。

5 高溫型電池應(yīng)用的幾個原則建議

高溫型電池應(yīng)用建議：

（1）高溫型電池主要應(yīng)用容量為100 Ah至300 Ah，最大不超過500 Ah。

（2）優(yōu)先應(yīng)用在沒有空調(diào)的戶外機(jī)柜、RRU機(jī)柜及其它不能安裝空調(diào)的機(jī)房或基站。

（3）有空調(diào)的機(jī)房或基站，可以應(yīng)用高溫型電池，但首先需確認(rèn)通信主設(shè)備及傳輸設(shè)備所能允許的溫度范圍與高溫型電池的運(yùn)行范圍相匹配。

（4）35℃下，設(shè)計(jì)浮充壽命達(dá)10年。高溫電池按正常AGM閥控電池承諾的質(zhì)保時間進(jìn)行質(zhì)保。