高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池應用與發展思路

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全球節能減碳的國際大趨勢下，通信行業也勢必要接受大幅降低能耗的新挑戰。移動基站、接入網點、戶外機柜等需要冷卻的對象主要是通信主設備、蓄電池、開關電源等，普通閥控式密閉鉛酸蓄電池對溫度要求較高，標準使用溫度為25℃，蓄電池在此環境下可獲得較長的壽命。若其運行溫度每升高10℃，使用壽命約降低一半。目前業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境溫度的要求，擴展了蓄電池對環境的耐受能力。若這些蓄電池能有效使用，可以有效減少通信機房對空調的依賴程度，實現顯著的節能效果。

新型高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池（下面簡稱“高溫型電池”的經濟性主要體現在可以減少空調的使用，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消耗掉，而基站空調大多數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定在25℃以下，從而增加了站點能耗。如果使用新型高溫型電池，在保障設備性能不降低的前提下提升站點工作溫度，甚至可以不使用空調，從而達到降低基站能耗的目的。中國電信通過現場試驗驗證了新型高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池在通信局站應用效果，驗證了該類電池在通信領域推廣試驗的可行性。

1 高溫型電池應用的前提

隨著技術進步，目前移動基站、戶外機柜等主設備、傳送設備等都可持續工作在40℃左右的機房溫度環境中。但作為機房設備的一部分，蓄電池卻無法在如此高溫環境下長期穩定工作，成為機房整體升溫改造的瓶頸。

基站內各類設備工作環境分析：

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

（2）傳輸設備：工作溫度范圍標稱為0～45℃。

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

（4）空調設備：基站空調適合機房內較高溫度，最高工作溫度可高達50℃以上。

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

通信基站空調的能耗在基站能耗中占相當大的比例，而提高電池的標準工作溫度是解決問題的核心，若將基站溫度調高至35℃，基站節能將帶來質的變化。提高通信后備電池的高溫性能，減少電池對機房、基站內空調設施的依賴，是通信運營商節能減排的途徑之一。

2 高溫環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境下使用的失效機理主要有如下原因：

（1）失水

電解液少、氣體復合效率低、安全閥失效、殼體裂紋。

（2）正極活性物質軟化、脫落

常規鉛膏配方及和膏工藝不合理，沒有形成高強度結構的活性物質。

（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）負極活性物質硫酸鹽化

充電效率低，短時間內無法充足電。

（5）殼體鼓殼、裂紋

殼體壁太薄、結構設計不合理、殼體材料不耐高溫。

3 高溫型電池技術要點及發展思路

高溫型電池區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℃的環境下，能夠正常使用，且使用壽命不發生縮短現象。極端溫度在不超過60℃情況下，電池殼體不發生變形，電池能夠正常充放電，而不會短時間內發生熱失控。

（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℃范圍內使用，可長期在35℃～40℃的環境溫度下使用，蓄電池可使用的極限溫度為－40℃～＋75℃。

（2）浮充壽命長

35℃下，設計浮充壽命達10年。高溫電池按正常AGM閥控電池招標的質保時間進行質保。

（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，浮充電流應逐漸減小，高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池在高溫下應無熱失控跡象。

（5）殼體結構及材料設計

應采用特定的高強度耐高溫型ABS材質，比普通電池ABS材料熱變形溫度提升至少10℃。殼體采用特殊結構設計，減小殼體內應力的存在，防止殼體在高溫下產生裂紋，保證電池在長期高溫下不會發生鼓殼變形，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，有效防止正極板活性物質膨脹和脫落，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構設計

應采用特定板柵合金，提高了板柵在高溫下的耐腐蝕性，板柵結構進行獨特結構設計，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，提高活性物質間網絡結構的結合力度，減緩正極活性物質在高溫條件下的泥化現象。正極活性物質中添加特殊材料，使得極板化成均勻，保證電池的一致性能及循環性能。負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使用后期的硫酸鹽化現象。

（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），保證氧復合必要的通道，提高氧復合效率，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；另一方面提高濕態保壓強度至35 kPa以上，有效防止正極活性物質的脫落。

（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行下因失水而造成的蓄電池容量不足現象。

總之，采用了特殊的技術和工藝，從技術層面解決了電池在高溫下使用壽命短的缺點，通過高溫性能壽命測試，能夠滿足通信基站電源系統的使用要求，對通信系統節能減排具有極高的推廣價值，符合通信備用電源未來的發展趨勢。高溫型閥控密封式鉛酸蓄電池可以進行快速充電，使得電池在短時間內充滿電，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℃環境中開始放電。

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

（3）放電期間應測量蓄電池的端電壓及室溫，10 h率試驗的測量時間間隔為1 h，3 h率試驗的測量時間間隔為0.5 h，1 h率試驗的測量時間間隔為10 min；在放電末期應隨時測量，以便準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℃，則需將實測容量按公式（1）換算成25℃基準溫度時的容量Ce，

式中，t為放電時的環境溫度；K為溫度系數：10 h率容量試驗時，K＝0.006／℃；3 h率容量試驗時，K＝0.008／℃；1 h率容量試驗時，K＝0.01／℃。

5）放電終止電壓應符合表2的規定；10 h率容量第一次循環應達到0.95C10；在第三次循環之前，10 h率容量應達到C10，3 h率容量應達到0.75C10，1 h率容量應達到0.55C10。

表2 高溫型電池放電率

4.3 過充電壽命試驗

按以下步驟進行試驗：

（1）按4.2規定的方法完成容量試驗達到額定值的蓄電池，經完全充電后，在25℃±5℃環境中，以0.02C10恒定電流方式進行連續充電30 d；

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

（3）重復充、放電，直至蓄電池容量低于1h率額定容量的80%并再次試驗，確認仍低于80%時結束試驗，試驗結果應符合表1的要求。

4.4 高溫加速浮充壽命試驗

按以下步驟進行試驗：

（1）按4.2規定的方法完成容量試驗達到額定值的蓄電池，經完全充電后，在60℃±2℃環境中，以Uflo電壓連續充電30 d；

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

（3）重復（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，確認仍低于80%時結束試驗，試驗結果應符合表1的要求。

4.5 循環耐久性試驗

按以下步驟進行試驗：

（1）按4.2規定的方法完成容量試驗達到額定值的蓄電池，經完全充電后，在25℃±2℃環境中，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”構成一個循環，每49次循環后，第50次按4.2規定的方法進行一次10 h率容量試驗；

（3）重復（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，確認仍低于80%時結束試驗，最后50次循環不計入大循環次數之內，試驗結果應符合表1的要求。

4.6 高溫電池其它循環耐久性測試方案

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，每10個循環后，在25℃下查一次10 h率容量，當10 h率容量低于初始容量的80%時結束。）

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，每10個循環后，在25℃下查一次10 h率容量，當10 h率容量低于初始容量的80%時結束。）

每10個循環折合壽命1年。

注：可從以上四種循環耐久性測試方法中任選一種進行試驗。

5 高溫型電池應用的幾個原則建議

高溫型電池應用建議：

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

（2）優先應用在沒有空調的戶外機柜、RRU機柜及其它不能安裝空調的機房或基站。

（3）有空調的機房或基站，可以應用高溫型電池，但首先需確認通信主設備及傳輸設備所能允許的溫度范圍與高溫型電池的運行范圍相匹配。

（4）35℃下，設計浮充壽命達10年。高溫電池按正常AGM閥控電池承諾的質保時間進行質保。