通信基站閥控鉛酸蓄電池修復(fù)試驗(yàn)研究

白建峰，張 威

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司內(nèi)蒙古自治區(qū)分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

VRLA 廣泛應(yīng)用于通信電源系統(tǒng)中[1]，當(dāng)市電異常或斷電的情況下，VRLA 作為備用電源擔(dān)負(fù)著通信系統(tǒng)全部負(fù)荷，是直流供電系統(tǒng)的重要組成部分，其安全可靠的運(yùn)行極為重要[2]。鉛酸電池憑借電壓特性平穩(wěn)、單體電池容量大、安全性高和原材料豐富且可再生利用、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)勢(shì)，在通信基站UPB 電源領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。理論上，VRLA 具有較高的可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命，然而由于使用環(huán)境差，不適當(dāng)?shù)氖褂煤途S護(hù)等因素，閥控蓄電池組的實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)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(xiàn)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(duì)非物理?yè)p傷部分進(jìn)行了修復(fù)試驗(yàn)，增加其作為備用電源的服務(wù)時(shí)間，提升使用壽命，對(duì)增強(qiáng)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，避免發(fā)生由于直流備用電源引起的供電事故有重要意義和價(jià)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(dǎo)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(chǎn)上使用的合金有3 類。一是傳統(tǒng)的鉛銻合金。銻的含量在4%～7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。二是低銻或超低銻合金，銻的含量在2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)或者低于1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，含有錫、銅、鎘、硫等變型晶劑。三是鉛鈣系列。實(shí)際為鉛-鈣-錫-鋁四元合金，鈣的含量在0.06%～0.10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

上述合金鑄成的正極板柵，在蓄電池充電過(guò)程中都會(huì)被氧化成硫酸鉛和二氧化鉛，最后導(dǎo)致喪失支撐活性物質(zhì)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(chǎn)生應(yīng)力，使板柵長(zhǎng)大變形，這種變形超過(guò)4%時(shí)將使極板整體遭到破壞，活性物質(zhì)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(zhì)脫落、軟化。除板柵長(zhǎng)大引起活性物質(zhì)脫落之外，隨著充放電的反復(fù)進(jìn)行，二氧化鉛顆粒之間的結(jié)合也松弛和軟化，從板柵上脫落下來(lái)。板柵的制造、裝配的松緊和充放電條件等一系列因素，都對(duì)正極板活性物質(zhì)的軟化、脫落有影響。

3） 不可逆硫酸鹽化。蓄電池過(guò)放電并且長(zhǎng)期在放電狀態(tài)下貯存時(shí)，其負(fù)極將形成一種粗大的、難以接受充電的硫酸鉛結(jié)晶，此現(xiàn)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(fù)，嚴(yán)重時(shí)，則電極失效，充不進(jìn)電。

4） 熱失效。對(duì)于少維護(hù)電池，要求充電電壓不超過(guò)單格2.4 V。在實(shí)際使用中，例如在汽車上，調(diào)壓裝置可能失控，充電電壓過(guò)高，從而充電電流過(guò)大，產(chǎn)生的熱將使電池電解液溫度升高，導(dǎo)致電池內(nèi)阻下降；內(nèi)阻的下降又加強(qiáng)了充電電流。電池的溫升和電流過(guò)大互相加強(qiáng)，最終不可控制，使電池變形、開(kāi)裂而失效。雖然熱失控不是鉛酸蓄電池經(jīng)常發(fā)生的失效模式，但也屢見(jiàn)不鮮。使用時(shí)應(yīng)對(duì)充電電壓過(guò)高、電池發(fā)熱的現(xiàn)象予以注意。

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

2 活化液技術(shù)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(guò)程中，正負(fù)極充電接受能力不同，正極約為70%的荷電態(tài)的時(shí)候開(kāi)始出現(xiàn)析氧，負(fù)極約為90%的荷電態(tài)的時(shí)候開(kāi)始出現(xiàn)析氫。從而導(dǎo)致失水電池失水，電解液的干涸。加之，蓄電池在使用過(guò)程中會(huì)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(duì)上述情況采取有效措施，修復(fù)非物理?yè)p傷導(dǎo)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(jié)晶硫酸鉛，同時(shí)提高電解液的導(dǎo)電性；添加硫酸鈉提供豐富的硫酸根離子，抑制二價(jià)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(guò)程中的氧化還原能壘，提升反應(yīng)速率；添加分散劑以使得活性炭均勻分布，增強(qiáng)其固化不容硫酸鉛，提高導(dǎo)電性。添加增稠劑，調(diào)控活化液流動(dòng)性，以保護(hù)已腐蝕極板和格柵的作用。

3 電池篩選及修復(fù)液加注

1） 電池分類及標(biāo)識(shí)。正常工況下，使用壽命5 年及以上的電池，按照每?jī)蓚€(gè)自然年度劃分為一類。將選定電池組單體的安全閥打開(kāi)，用自制極板強(qiáng)度檢查工具排查極板強(qiáng)度。經(jīng)檢查確認(rèn)極板完好的電池單體做好標(biāo)識(shí)，用數(shù)字萬(wàn)用表、手持式測(cè)容放電容量?jī)x對(duì)電池靜態(tài)開(kāi)路電壓及剩余容量測(cè)試檢查，做好記錄。按靜態(tài)開(kāi)路電壓分類。靜態(tài)開(kāi)路電壓為2.10 V 及以上者定義為A 類，靜態(tài)開(kāi)路電壓為2.00 V～2.10 V 者定義為B 類，靜態(tài)開(kāi)路電壓為2.00 V 以下者定義為C 類，分類做出標(biāo)識(shí)。

2） 篩選檢查。自制極板強(qiáng)度檢查工具確認(rèn)，已選定電池單體用數(shù)字萬(wàn)用表和手持式測(cè)容測(cè)試儀測(cè)量并做好分類標(biāo)記。將電池密閉閥打開(kāi)后用自制極板強(qiáng)度檢查工具對(duì)電池正極匯流排兩片極板極耳輕輕撬動(dòng)2～3 次，匯流排無(wú)松動(dòng)者做好標(biāo)識(shí)，準(zhǔn)備下一步修復(fù)。有匯流排松動(dòng)的電池則不做修復(fù)處理。經(jīng)極板強(qiáng)度檢查確認(rèn)完好后的電池單體，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電池測(cè)量靜態(tài)開(kāi)路電壓，記錄并做好標(biāo)識(shí)。經(jīng)極板強(qiáng)度檢查確認(rèn)完好后的電池單體，用100 A 的大電流手持式容量測(cè)試儀檢測(cè)電池的正、負(fù)極端子，一般情況，測(cè)量時(shí)間5～8 s，最大測(cè)量時(shí)間不能超過(guò)10 s，測(cè)量電池容量狀態(tài)、判斷電池短路、斷路故障。

3） 預(yù)選配組。預(yù)篩選好的電池以24 只為1 組整齊地碼放在電池轉(zhuǎn)運(yùn)托盤上，做好標(biāo)識(shí)，準(zhǔn)備后續(xù)加液工序。

4） 注液修復(fù)。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(fù)粉劑，同時(shí)緩慢攪拌均勻至基本無(wú)團(tuán)狀顆粒物。將配備修復(fù)液攪拌均勻，檢查符合技術(shù)要求后，過(guò)濾加入加酸機(jī)儲(chǔ)液槽儲(chǔ)存待用。打開(kāi)加酸機(jī)電源程序，設(shè)定加液量，將控制箱調(diào)節(jié)至手動(dòng)，在模頭下面放上塑料盆，檢查手動(dòng)狀態(tài)下各開(kāi)關(guān)與相應(yīng)動(dòng)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(dāng)添加液達(dá)至液位開(kāi)關(guān)時(shí)，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(kāi)，是否有添加液流下，在夾緊閥在夾緊狀態(tài)時(shí)將真空旋鈕旋到“真空開(kāi)”檔，觀察過(guò)渡筒及注液嘴有無(wú)吸氣現(xiàn)象，并觀察真空泵工作是否正常。拿2 只電池放在工作臺(tái)上，按下模頭下降按鈕，使加液模頭降低，調(diào)節(jié)電池定位裝置與加液模頭，使加液嘴剛好套住加液孔。啟動(dòng)自動(dòng)加液程序，按照加液量工藝參數(shù)，設(shè)定加液量。將電池每?jī)芍灰黄鹂烤o定位裝置，按下加液按鈕，電池開(kāi)始加液；此時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備好另外電池放在加酸機(jī)工作臺(tái)上，待加液完畢后，將加好液的電池放在周轉(zhuǎn)架上，同時(shí)將準(zhǔn)備好待加液的電池放入定位加液，啟動(dòng)加液按鈕，依此循環(huán)。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(shí)對(duì)于有多余液量的電池用吸管吸出，對(duì)少液的進(jìn)行補(bǔ)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(zhǔn)備充電。整理記錄，清潔場(chǎng)地，保養(yǎng)設(shè)備和工裝，關(guān)閉水、電、氣源。真空加酸機(jī)加液完畢后如無(wú)交接班，應(yīng)將定量杯內(nèi)的修復(fù)液全部放空。圖1 為電池修復(fù)流程圖。

圖1 電池修復(fù)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(jù)充電機(jī)額定輸出電壓確定數(shù)量擺放好電池，注意電池?cái)[放時(shí)必須保留每個(gè)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(fù)極將電池串聯(lián)連接（注意導(dǎo)線不得裸露、搭鐵，且連線牢固無(wú)松動(dòng)，防止安全事故）。第一只電池和最后一只電池應(yīng)分別剩下正極和負(fù)極需和充電架上的正負(fù)極相連接，要避免有連錯(cuò)的故障發(fā)生。按每路電池規(guī)定的數(shù)量連好線后用萬(wàn)用表測(cè)量每回路總電壓，檢查有無(wú)接反極，再逐只檢查每只電池電壓，對(duì)電壓偏差大的電池更換。按照充電工藝參數(shù)，根據(jù)每回路電池?cái)?shù)量，計(jì)算好充電工藝參數(shù)，經(jīng)核算正確后，再到充電機(jī)上設(shè)定充電工藝參數(shù)。設(shè)定完畢，接好電池與充電機(jī)的連線，檢查每回路連線是否正確無(wú)誤，作好充電記錄。設(shè)定好工藝參數(shù)檢查無(wú)誤后開(kāi)始充電，充電時(shí)每?jī)尚r(shí)測(cè)量一次并記錄電池溫度、電池電壓，若遇溫度過(guò)高的電池應(yīng)立即停止充電，并隔離標(biāo)識(shí)報(bào)告處理。加液前，將修復(fù)液搖勻（用時(shí)5 min）。表1 為充電工藝參數(shù)。

表1 充電工藝參數(shù)

放電電流50 A，記錄放電到1.8 V 的時(shí)間，每小時(shí)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(shí)，電池里看不見(jiàn)流動(dòng)液體為準(zhǔn)。

6） 放電配組。提前設(shè)置好放電儀的各項(xiàng)參數(shù)，將放電儀的檢測(cè)線依次連接各只電池。檢查確認(rèn)無(wú)誤后開(kāi)始放電，記錄打印每只電池各時(shí)段的放電電壓，放電電壓低于平均值0.5 V 以上的電池，應(yīng)作好不合格標(biāo)識(shí)，充電完成后應(yīng)挑出做報(bào)廢處理。每只電池標(biāo)識(shí)好放電電壓，作為成組電池使用的依據(jù)之一。放完電的電池補(bǔ)充抽酸，在最后一階段充電結(jié)束后0.5～1.0 h 內(nèi)用真空抽酸機(jī)逐只抽去單體內(nèi)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(jié)束后，先停止充電機(jī)，然后拆除電池與充電機(jī)連接線，再拆除電池組間連接線，慎防電池短路。電池標(biāo)識(shí)好（采用充電配組電池要每只編號(hào)或標(biāo)識(shí)），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(guī)定的位置進(jìn)行靜置。

4 修復(fù)效果測(cè)試及提升

對(duì)中國(guó)聯(lián)通內(nèi)蒙古分公司下屬某基站進(jìn)行了電解液性能及修復(fù)效果試驗(yàn)。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(jīng)安全工作近7 年，但電池外觀完好，具備測(cè)試價(jià)值。剩余測(cè)試項(xiàng)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(jī)選取一組作為測(cè)試對(duì)象。

用聯(lián)通自備FBI-0CT 放電儀對(duì)選定的電池組進(jìn)行了放電，當(dāng)電池組任一單體電壓降到1.8 V 時(shí)，放電儀停止放電，放電過(guò)程結(jié)束。經(jīng)過(guò)1 h 12 min 3 s 后，7#電池的電壓降到了1.8 V 以下。

測(cè)試得到電池的初始狀態(tài)后，對(duì)改組電池進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)電解液的注液處置，注液的方案為，經(jīng)測(cè)試完成，電壓低于2.0 V 的單體電池每塊注標(biāo)準(zhǔn)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(duì)照組。按照該方案注液完成后，對(duì)該組電池靜置72 h 后充電24 h。經(jīng)24 h 充電后，以和上述同樣的方法對(duì)電池組再次放電測(cè)試。經(jīng)過(guò)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(jié)束。

第一次注液放電結(jié)束后，對(duì)該組電池剩余8 個(gè)單體進(jìn)行電解液補(bǔ)注后，經(jīng)24 h 充電后，以和上述同樣的方法對(duì)電池組再次放電測(cè)試。在經(jīng)過(guò)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(shí)放電結(jié)束。表2 為某基站補(bǔ)充注液結(jié)束電池容量狀態(tài)。

圖2 為某基站電池組第一次注液前后容量對(duì)比。由圖2 可知，在改組電池中，在經(jīng)過(guò)1 h 12 min 3 s 放電后，58.3%的電池單體仍保持標(biāo)稱容量的75%，但性能最差的7#的容量?jī)H為標(biāo)稱容量的0.28%。短板決定整組電池的性能。從改組電池已經(jīng)使用7 年多的實(shí)際情況看，改組電池的狀態(tài)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(tài)，是有提高。對(duì)于長(zhǎng)期浮充的電池，均充能激活其潛在容量，這是試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)對(duì)基站電池維護(hù)有益的結(jié)論。

圖2 某基站電池組第一次注液前后容量對(duì)比

圖3 為某基站電池組單體初始容量。由圖3 可知，在經(jīng)過(guò)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(biāo)準(zhǔn)電解液，在經(jīng)過(guò)0 h 59 min 53 s 放電后，12#單體再次電壓降幅達(dá)到預(yù)設(shè)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(duì)比。去除圖4 中7#單體的突變影響，單一分析電解液加注對(duì)電池組的性能提升分析，第一次加注電解液對(duì)電池容量性能提升的平均數(shù)為14.94%。

圖4 某基站電池組第二次注液前后容量對(duì)比

在對(duì)第一次加注液體的基礎(chǔ)上，對(duì)改其余電池加注標(biāo)準(zhǔn)電解液，第二次加注電解液對(duì)電池容量性能提升的平均數(shù)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(jié)束語(yǔ)

當(dāng)市電異常或斷電的情況下，VRLA 作為備用電源擔(dān)負(fù)著通信系統(tǒng)全部負(fù)荷，是直流供電系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)分析閥控鉛酸蓄電池失效的主要因素，針對(duì)非物理?yè)p傷部分進(jìn)行了修復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)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(wù)時(shí)間，提升使用壽命，增強(qiáng)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)供電的可靠性，避免發(fā)生由于直流備用電源而引起的供電事故。