高温型阀控式密封铅酸蓄电池应用与发展思路

董 宏，赖世能

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广山510630）

0 引 言

在哥本哈根会议倡导全球节能减碳的国际大趋势下，通信行业也势必要接受大幅降低能耗的新挑战。移动基站、接入网点、户外机柜等需要冷却的对象主要是通信主设备、蓄电池、开关电源等，普通阀控式密闭铅酸蓄电池对温度要求较高，标准使用温度为25℃，蓄电池在此环境下可获得较长的寿命。若其运行温度每升高10℃，使用寿命约降低一半。目前业界开始推出高温型铅酸电池和磷酸铁锂电池等一系列新型蓄电池，大大降低了蓄电池对环境温度的要求，扩展了蓄电池对环境的耐受能力。若这些蓄电池能有效使用，可以有效减少通信机房对空调的依赖程度，实现显著的节能效果。

新型高温型阀控式密封铅酸蓄电池（下面简称“高温型电池”的经济性主要体现在可以减少空调的使用，降低用电量。以无线通信基站为例，大约有50%的能耗是由基站空调消耗掉，而基站空调大多数情况都是由于蓄电池的工作温度需求而不得不将工作温度设定在25℃以下，从而增加了站点能耗。如果使用新型高温型电池，在保障设备性能不降低的前提下提升站点工作温度，甚至可以不使用空调，从而达到降低基站能耗的目的。中国电信通过现场试验验证了新型高温型阀控式密封铅酸蓄电池在通信局站应用效果，验证了该类电池在通信领域推广试验的可行性。

1 高温型电池应用的前提

随着技术进步，目前移动基站、户外机柜等主设备、传送设备等都可持续工作在40℃左右的机房温度环境中。但作为机房设备的一部分，蓄电池却无法在如此高温环境下长期稳定工作，成为机房整体升温改造的瓶颈。

基站内各类设备工作环境分析：

（1）无线通讯设备：大部分标称为－5℃～55℃，最高工作温度范围都在50℃。

（2）传输设备：工作温度范围标称为0～45℃。

（3）电源设备：智能高频开关电源系统和交流配电箱对环境温度的要求也不是特别高，在－5℃～40℃都能正常工作。

（4）空调设备：基站空调适合机房内较高温度，最高工作温度可高达50℃以上。

（5）蓄电池：标称使用温度为25℃，长期运行若温度升高10℃，使用寿命约降低一半。

通信基站空调的能耗在基站能耗中占相当大的比例，而提高电池的标准工作温度是解决问题的核心，若将基站温度调高至35℃，基站节能将带来质的变化。提高通信后备电池的高温性能，减少电池对机房、基站内空调设施的依赖，是通信运营商节能减排的途径之一。

2 高温环境下普通阀控密封铅酸电池主要失效模式

普通阀控密封铅酸电池在高温环境下使用的失效机理主要有如下原因：

（1）失水

电解液少、气体复合效率低、安全阀失效、壳体裂纹。

（2）正极活性物质软化、脱落

常规铅膏配方及和膏工艺不合理，没有形成高强度结构的活性物质。

（3）正板栅腐蚀

合金板栅不耐腐蚀、板栅筋条截面积偏小、极板表面积小造成极化电流大、极柱断裂。

（4）负极活性物质硫酸盐化

充电效率低，短时间内无法充足电。

（5）壳体鼓壳、裂纹

壳体壁太薄、结构设计不合理、壳体材料不耐高温。

3 高温型电池技术要点及发展思路

高温型电池区别于普通的通信用阀控密封铅酸蓄电池的方面，就是在不超过40℃的环境下，能够正常使用，且使用寿命不发生缩短现象。极端温度在不超过60℃情况下，电池壳体不发生变形，电池能够正常充放电，而不会短时间内发生热失控。

（1）适用温度范围广

通信用高温型阀控式密封铅酸蓄电池可在－20℃～＋60℃范围内使用，可长期在35℃～40℃的环境温度下使用，蓄电池可使用的极限温度为－40℃～＋75℃。

（2）浮充寿命长

35℃下，设计浮充寿命达10年。高温电池按正常AGM阀控电池招标的质保时间进行质保。

（3）快速充电能力

高温型阀控式密封铅酸蓄电池具有在短时间内快速充满电的能力。

（4）高温浮充无热失控迹象

在70℃条件下，以2.25 V／cell浮充72 h，浮充电流应逐渐减小，高温型阀控式密封铅酸蓄电池在高温下应无热失控迹象。

（5）壳体结构及材料设计

应采用特定的高强度耐高温型ABS材质，比普通电池ABS材料热变形温度提升至少10℃。壳体采用特殊结构设计，减小壳体内应力的存在，防止壳体在高温下产生裂纹，保证电池在长期高温下不会发生鼓壳变形，保证电池在长期使用过程中，电池单体始终处于紧压缩的状态，有效防止正极板活性物质膨胀和脱落，电池放电时，隔板中的硫酸可以及时输送到极板中，保证电池的放电性能。

（6）特殊的板栅合金及结构设计

应采用特定板栅合金，提高了板栅在高温下的耐腐蚀性，板栅结构进行独特结构设计，同时提高耐受大电流放电的能力。

（7）特殊铅膏配方

添加新型耐高温添加剂，提高活性物质间网络结构的结合力度，减缓正极活性物质在高温条件下的泥化现象。正极活性物质中添加特殊材料，使得极板化成均匀，保证电池的一致性能及循环性能。负极添加合适新型添加剂，提高电池的充电接收能力，有力地避免了电池在循环使用后期的硫酸盐化现象。

（8）特殊配方AGM隔板

隔板作为蓄电池的“第三电极”，起着非常重要的作用，高温型电池采用了特殊配方隔板。

隔板中采用新型添加剂（合成憎水纤维），保证氧复合必要的通道，提高氧复合效率，减少高温条件下的失水速率。

采用特殊配方隔板，提高细纤维含量到50%以上，一方面提高隔板孔率及平均孔径的均匀性，可以增大含酸量，防止高温下失水造成的容量衰减，并有效防止电解液分层；另一方面提高湿态保压强度至35 kPa以上，有效防止正极活性物质的脱落。

（9）低电解液密度

采用低的电解液密度，保证成品电池电解液密度不高于1.28 g／cm3，增加电解液体积，一方面可以很大程度上降低蓄电池的板栅腐蚀速度；另一方面，可以解决蓄电池在高温运行下因失水而造成的蓄电池容量不足现象。

总之，采用了特殊的技术和工艺，从技术层面解决了电池在高温下使用寿命短的缺点，通过高温性能寿命测试，能够满足通信基站电源系统的使用要求，对通信系统节能减排具有极高的推广价值，符合通信备用电源未来的发展趋势。高温型阀控密封式铅酸蓄电池可以进行快速充电，使得电池在短时间内充满电，防止电池因充电不足而影响寿命。

4 高温型电池的寿命要求及测试方案

4.1 寿命要求

高温型电池的寿命要求如表1。

表1 高温型电池的寿命要求

过充电寿命试验中，每30 d折合寿命1年。高温加速浮充寿命中，每次折合寿命1年。

4.2 容量测试方案

（1）完全充电的蓄电池静置1 h～24 h，在25℃±5℃环境中开始放电。

（2）放电开始前后应测量蓄电池的端电压；放电时应测量电流，其电流波动不得超过规定值的1%。

（3）放电期间应测量蓄电池的端电压及室温，10 h率试验的测量时间间隔为1 h，3 h率试验的测量时间间隔为0.5 h，1 h率试验的测量时间间隔为10 min；在放电末期应随时测量，以便准确地确定蓄电池终止电压的时间。

（4）蓄电池放电时，如果温度不是25℃，则需将实测容量按公式（1）换算成25℃基准温度时的容量Ce，

式中，t为放电时的环境温度；K为温度系数：10 h率容量试验时，K＝0.006／℃；3 h率容量试验时，K＝0.008／℃；1 h率容量试验时，K＝0.01／℃。

5）放电终止电压应符合表2的规定；10 h率容量第一次循环应达到0.95C10；在第三次循环之前，10 h率容量应达到C10，3 h率容量应达到0.75C10，1 h率容量应达到0.55C10。

表2 高温型电池放电率

4.3 过充电寿命试验

按以下步骤进行试验：

（1）按4.2规定的方法完成容量试验达到额定值的蓄电池，经完全充电后，在25℃±5℃环境中，以0.02C10恒定电流方式进行连续充电30 d；

（2）每30 d的连续恒定电流充电后，按4.2规定的方法进行一次1 h率容量试验，然后再以0.02C10恒定电流方式进行连续充电30 d；

（3）重复充、放电，直至蓄电池容量低于1h率额定容量的80%并再次试验，确认仍低于80%时结束试验，试验结果应符合表1的要求。

4.4 高温加速浮充寿命试验

按以下步骤进行试验：

（1）按4.2规定的方法完成容量试验达到额定值的蓄电池，经完全充电后，在60℃±2℃环境中，以Uflo电压连续充电30 d；

（2）将蓄电池取出，放置24 h～36 h，在25℃±5℃环境中按4.2规定的方法进行一次3 h率容量试验，作为一个试验循环，折合寿命1年；

（3）重复（1）、（2），直至蓄电池容量低于3 h率额定容量的80%并再次试验，确认仍低于80%时结束试验，试验结果应符合表1的要求。

4.5 循环耐久性试验

按以下步骤进行试验：

（1）按4.2规定的方法完成容量试验达到额定值的蓄电池，经完全充电后，在25℃±2℃环境中，以2I10的电流放电2 h（电流偏差不超过±1%），立即用厂家规定的浮充电压（限流0.2C10）充电22 h，测量并记录放电2 h及充电22 h时蓄电池的电压、电流值及表面温度值；

（2）“放电2 h及充电22 h”构成一个循环，每49次循环后，第50次按4.2规定的方法进行一次10 h率容量试验；

（3）重复（1）、（2），直至蓄电池容量低于10 h率额定容量的80%并再次试验，确认仍低于80%时结束试验，最后50次循环不计入大循环次数之内，试验结果应符合表1的要求。

4.6 高温电池其它循环耐久性测试方案

A 方案：16：8（55℃下，0.05C恒流放16 h，0.15C限流、2.35 V恒 压充8 h作为1个小循环，每10个循环后，在25℃下查一次10 h率容量，当10 h率容量低于初始容量的80%时结束。）

B方案：8：16（55℃下，0.1C恒流放8 h，0.15C限流、2.35 V恒压充16 h作为1个小循环，每10个循环后，在25℃下查一次10 h率容量，当10 h率容量低于初始容量的80%时结束。）

每10个循环折合寿命1年。

注：可从以上四种循环耐久性测试方法中任选一种进行试验。

5 高温型电池应用的几个原则建议

高温型电池应用建议：

（1）高温型电池主要应用容量为100 Ah至300 Ah，最大不超过500 Ah。

（2）优先应用在没有空调的户外机柜、RRU机柜及其它不能安装空调的机房或基站。

（3）有空调的机房或基站，可以应用高温型电池，但首先需确认通信主设备及传输设备所能允许的温度范围与高温型电池的运行范围相匹配。

（4）35℃下，设计浮充寿命达10年。高温电池按正常AGM阀控电池承诺的质保时间进行质保。