通信基站閥控鉛酸蓄電池修復試驗研究

白建峰，張 威

（中國聯合網絡通信有限公司內蒙古自治區分公司，內蒙古 呼和浩特 010050）

VRLA 廣泛應用于通信電源系統中[1]，當市電異常或斷電的情況下，VRLA 作為備用電源擔負著通信系統全部負荷，是直流供電系統的重要組成部分，其安全可靠的運行極為重要[2]。鉛酸電池憑借電壓特性平穩、單體電池容量大、安全性高和原材料豐富且可再生利用、價格低廉等一系列優勢，在通信基站UPB 電源領域占據著主導地位。理論上，VRLA 具有較高的可靠性和較長的使用壽命，然而由于使用環境差，不適當的使用和維護等因素，閥控蓄電池組的實際使用壽命遠不及理論壽命。研究顯示，鉛酸蓄電池在使用2～3 a 后，部分單體電池就可能出現失效電池[3]，從而影響整組電池的使用。分析閥控鉛酸蓄電池失效的主要因素，針對非物理損傷部分進行了修復試驗，增加其作為備用電源的服務時間，提升使用壽命，對增強直流系統的穩定性和可靠性，避免發生由于直流備用電源引起的供電事故有重要意義和價值。

1 閥控鉛酸電池失效原因分析

由于極板的種類、制造條件、使用方法有差異，最終導致蓄電池失效的原因各異[4-5]。其主要的失效有以下幾種情況。

1） 正極板的腐蝕變型。目前生產上使用的合金有3 類。一是傳統的鉛銻合金。銻的含量在4%～7%質量分數。二是低銻或超低銻合金，銻的含量在2%質量分數或者低于1%質量分數，含有錫、銅、鎘、硫等變型晶劑。三是鉛鈣系列。實際為鉛-鈣-錫-鋁四元合金，鈣的含量在0.06%～0.10%質量分數。

上述合金鑄成的正極板柵，在蓄電池充電過程中都會被氧化成硫酸鉛和二氧化鉛，最后導致喪失支撐活性物質的作用而使電池失效；或者由于二氧化鉛腐蝕層的形成，使鉛合金產生應力，使板柵長大變形，這種變形超過4%時將使極板整體遭到破壞，活性物質與板柵接觸不良而脫落，或在匯流排處短路。

2） 正極板活性物質脫落、軟化。除板柵長大引起活性物質脫落之外，隨著充放電的反復進行，二氧化鉛顆粒之間的結合也松弛和軟化，從板柵上脫落下來。板柵的制造、裝配的松緊和充放電條件等一系列因素，都對正極板活性物質的軟化、脫落有影響。

3） 不可逆硫酸鹽化。蓄電池過放電并且長期在放電狀態下貯存時，其負極將形成一種粗大的、難以接受充電的硫酸鉛結晶，此現象稱為不可逆硫酸鹽化。輕微的不可逆硫酸鹽化，尚可用一些方法使它恢復，嚴重時，則電極失效，充不進電。

4） 熱失效。對于少維護電池，要求充電電壓不超過單格2.4 V。在實際使用中，例如在汽車上，調壓裝置可能失控，充電電壓過高，從而充電電流過大，產生的熱將使電池電解液溫度升高，導致電池內阻下降；內阻的下降又加強了充電電流。電池的溫升和電流過大互相加強，最終不可控制，使電池變形、開裂而失效。雖然熱失控不是鉛酸蓄電池經常發生的失效模式，但也屢見不鮮。使用時應對充電電壓過高、電池發熱的現象予以注意。

此外，負極匯流排的腐蝕導致負極板失效及隔膜穿孔造成短路也是導致電池失效的原因。

2 活化液技術方案

造成電池使用壽命縮短的主要原因包括以下情況。密封閥控式鉛酸蓄電池，在充電過程中，正負極充電接受能力不同，正極約為70%的荷電態的時候開始出現析氧，負極約為90%的荷電態的時候開始出現析氫。從而導致失水電池失水，電解液的干涸。加之，蓄電池在使用過程中會造成不可避免的正極半柵腐蝕及電解液的不可逆硫酸鹽化。

針對上述情況采取有效措施，修復非物理損傷導致的電池失效，提升電池服役壽命。具體方案為：活性炭的加入可固化結晶硫酸鉛，同時提高電解液的導電性；添加硫酸鈉提供豐富的硫酸根離子，抑制二價鉛離子的溶解，添加稀土元素鈰和鑭，提供催化活性，降低蓄電池在充放電過程中的氧化還原能壘，提升反應速率；添加分散劑以使得活性炭均勻分布，增強其固化不容硫酸鉛，提高導電性。添加增稠劑，調控活化液流動性，以保護已腐蝕極板和格柵的作用。

3 電池篩選及修復液加注

1） 電池分類及標識。正常工況下，使用壽命5 年及以上的電池，按照每兩個自然年度劃分為一類。將選定電池組單體的安全閥打開，用自制極板強度檢查工具排查極板強度。經檢查確認極板完好的電池單體做好標識，用數字萬用表、手持式測容放電容量儀對電池靜態開路電壓及剩余容量測試檢查，做好記錄。按靜態開路電壓分類。靜態開路電壓為2.10 V 及以上者定義為A 類，靜態開路電壓為2.00 V～2.10 V 者定義為B 類，靜態開路電壓為2.00 V 以下者定義為C 類，分類做出標識。

2） 篩選檢查。自制極板強度檢查工具確認，已選定電池單體用數字萬用表和手持式測容測試儀測量并做好分類標記。將電池密閉閥打開后用自制極板強度檢查工具對電池正極匯流排兩片極板極耳輕輕撬動2～3 次，匯流排無松動者做好標識，準備下一步修復。有匯流排松動的電池則不做修復處理。經極板強度檢查確認完好后的電池單體，用數字萬用表測量電池測量靜態開路電壓，記錄并做好標識。經極板強度檢查確認完好后的電池單體，用100 A 的大電流手持式容量測試儀檢測電池的正、負極端子，一般情況，測量時間5～8 s，最大測量時間不能超過10 s，測量電池容量狀態、判斷電池短路、斷路故障。

3） 預選配組。預篩選好的電池以24 只為1 組整齊地碼放在電池轉運托盤上，做好標識，準備后續加液工序。

4） 注液修復。清理干凈配制容器槽，先往容器槽中加去離子水，再倒入一定比例的修復粉劑，同時緩慢攪拌均勻至基本無團狀顆粒物。將配備修復液攪拌均勻，檢查符合技術要求后，過濾加入加酸機儲液槽儲存待用。打開加酸機電源程序，設定加液量，將控制箱調節至手動，在模頭下面放上塑料盆，檢查手動狀態下各開關與相應動作是否一致。再按一次“抽液”按鈕，觀察氣泵能否將添加液抽至上部貯液箱，當添加液達至液位開關時，氣泵能否停止抽液。將夾緊旋至“放松”檔，觀察夾緊桿能否順利打開，是否有添加液流下，在夾緊閥在夾緊狀態時將真空旋鈕旋到“真空開”檔，觀察過渡筒及注液嘴有無吸氣現象，并觀察真空泵工作是否正常。拿2 只電池放在工作臺上，按下模頭下降按鈕，使加液模頭降低，調節電池定位裝置與加液模頭，使加液嘴剛好套住加液孔。啟動自動加液程序，按照加液量工藝參數，設定加液量。將電池每兩只一起靠緊定位裝置，按下加液按鈕，電池開始加液；此時應準備好另外電池放在加酸機工作臺上，待加液完畢后，將加好液的電池放在周轉架上，同時將準備好待加液的電池放入定位加液，啟動加液按鈕，依此循環。加完液的電池靜置24 h后，用吸管逐格檢查電池加液量，定量加液的電池查液時對于有多余液量的電池用吸管吸出，對少液的進行補液。液量檢查完畢的電池，清理閥座四周的余液及雜物，檢查合格后方可接線，準備充電。整理記錄，清潔場地，保養設備和工裝，關閉水、電、氣源。真空加酸機加液完畢后如無交接班，應將定量杯內的修復液全部放空。圖1 為電池修復流程圖。

圖1 電池修復流程圖

5） 歸位充電。電池加液檢查液面完畢，然后按照每回路根據充電機額定輸出電壓確定數量擺放好電池，注意電池擺放時必須保留每個電池不少于20 mm 間距。電池連線要用專用充電接線連接相鄰兩只電池的正負極將電池串聯連接（注意導線不得裸露、搭鐵，且連線牢固無松動，防止安全事故）。第一只電池和最后一只電池應分別剩下正極和負極需和充電架上的正負極相連接，要避免有連錯的故障發生。按每路電池規定的數量連好線后用萬用表測量每回路總電壓，檢查有無接反極，再逐只檢查每只電池電壓，對電壓偏差大的電池更換。按照充電工藝參數，根據每回路電池數量，計算好充電工藝參數，經核算正確后，再到充電機上設定充電工藝參數。設定完畢，接好電池與充電機的連線，檢查每回路連線是否正確無誤，作好充電記錄。設定好工藝參數檢查無誤后開始充電，充電時每兩小時測量一次并記錄電池溫度、電池電壓，若遇溫度過高的電池應立即停止充電，并隔離標識報告處理。加液前，將修復液搖勻（用時5 min）。表1 為充電工藝參數。

表1 充電工藝參數

放電電流50 A，記錄放電到1.8 V 的時間，每小時記錄1 次單體電池電壓，單體電壓1.9 V 后，10 min 記錄1 次單體電池電壓。抽酸時，電池里看不見流動液體為準。

6） 放電配組。提前設置好放電儀的各項參數，將放電儀的檢測線依次連接各只電池。檢查確認無誤后開始放電，記錄打印每只電池各時段的放電電壓，放電電壓低于平均值0.5 V 以上的電池，應作好不合格標識，充電完成后應挑出做報廢處理。每只電池標識好放電電壓，作為成組電池使用的依據之一。放完電的電池補充抽酸，在最后一階段充電結束后0.5～1.0 h 內用真空抽酸機逐只抽去單體內多余的酸，清理閥座四周和上表面的余酸，然后蓋上安全閥帽、閥片。充電結束后，先停止充電機，然后拆除電池與充電機連接線，再拆除電池組間連接線，慎防電池短路。電池標識好（采用充電配組電池要每只編號或標識），用真空泵吸凈電池表面及安全閥周圍的酸水，然后將電池放在規定的位置進行靜置。

4 修復效果測試及提升

對中國聯通內蒙古分公司下屬某基站進行了電解液性能及修復效果試驗。某基站電池屬2014 年出廠，投入基站使用的電池，該站兩組電池已經安全工作近7 年，但電池外觀完好，具備測試價值。剩余測試項目在該基站完成，為保證該站不斷站，從該站兩組電池中隨機選取一組作為測試對象。

用聯通自備FBI-0CT 放電儀對選定的電池組進行了放電，當電池組任一單體電壓降到1.8 V 時，放電儀停止放電，放電過程結束。經過1 h 12 min 3 s 后，7#電池的電壓降到了1.8 V 以下。

測試得到電池的初始狀態后，對改組電池進行了標準電解液的注液處置，注液的方案為，經測試完成，電壓低于2.0 V 的單體電池每塊注標準電解液500 mL，放電完畢，單體電壓仍＞2.0 V 的單體不做處理，以作為對照組。按照該方案注液完成后，對該組電池靜置72 h 后充電24 h。經24 h 充電后，以和上述同樣的方法對電池組再次放電測試。經過1 h 4 min 5 s 放電后，12#電池電壓首先降到1.8 V 以下，放電結束。

第一次注液放電結束后，對該組電池剩余8 個單體進行電解液補注后，經24 h 充電后，以和上述同樣的方法對電池組再次放電測試。在經過0 h 59 min 53 s 放電后，12#電池電壓首先降到1.8 V 以下，此時放電結束。表2 為某基站補充注液結束電池容量狀態。

圖2 為某基站電池組第一次注液前后容量對比。由圖2 可知，在改組電池中，在經過1 h 12 min 3 s 放電后，58.3%的電池單體仍保持標稱容量的75%，但性能最差的7#的容量僅為標稱容量的0.28%。短板決定整組電池的性能。從改組電池已經使用7 年多的實際情況看，改組電池的狀態還是比較好的。除了1#，4#，6#，9#，12#，16#，20#，24#電池外，第一次注液加注了其余16 塊電池。電池的整體容量相比初始狀態，是有提高。對于長期浮充的電池，均充能激活其潛在容量，這是試驗中發現的一個對基站電池維護有益的結論。

圖2 某基站電池組第一次注液前后容量對比

圖3 為某基站電池組單體初始容量。由圖3 可知，在經過1 h 4 min 5 s 放電后，12#單體電壓降到1.8V 以下，而12#單體在第一次注液中屬于未注液的單體。

圖3 某基站電池組單體初始容量

第二次注液將1#，4#，6#，9#，12#，16#，20#，24#電池注入相同的標準電解液，在經過0 h 59 min 53 s 放電后，12#單體再次電壓降幅達到預設極限。這表明，12#電池是改組最差的電池，影響該電池的主要因素不是電解液的缺失，而是其他原因。

圖4 為某基站電池組第二次注液前后容量對比。去除圖4 中7#單體的突變影響，單一分析電解液加注對電池組的性能提升分析，第一次加注電解液對電池容量性能提升的平均數為14.94%。

圖4 某基站電池組第二次注液前后容量對比

在對第一次加注液體的基礎上，對改其余電池加注標準電解液，第二次加注電解液對電池容量性能提升的平均數為22.96%。圖5 為某基站電池組兩次注液后容量提升率。

圖5 某基站電池組兩次注液后容量提升率

5 結束語

當市電異常或斷電的情況下，VRLA 作為備用電源擔負著通信系統全部負荷，是直流供電系統的重要組成部分，通過分析閥控鉛酸蓄電池失效的主要因素，針對非物理損傷部分進行了修復試驗，試驗結果證實配置的活化液可提升閥控鉛酸蓄電池的電池有效容量，增加其作為備用電源的服務時間，提升使用壽命，增強直流系統的穩定性，增強供電的可靠性，避免發生由于直流備用電源而引起的供電事故。