阀控式铅酸蓄电池分类研究

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

阀控式铅酸蓄电池分类研究

中国移动采购部 余力

摘要：本文对目前广泛应用于通信行业的阀控式铅酸蓄电池在使用过程中遇到的问题进行了深入剖析，发现使用环境是影响蓄电池使用和寿命的关键因素。本文还根据蓄电池的使用场所、温度范围、市电条件以及产品特性对蓄电池的使用环境进行了细致分析，从而提出蓄电池应按照不同使用环境进行分类使用，并依据蓄电池重要参数提出了分类方案。

关键词：铅酸蓄电池 分类 研究

Abstract: This article analyzed the issue in which valve-regulated lead-acid batteries used in the communications industry encountered. The author drew conclusions that: battery life was influenced mostly by the enviorment, and batteries was not produced in accordance with the actual condition.This paper also put forward some classification program on a different used environment and a reasonable distribution based on the parameters, according to the occasions battery used 、temperture and the electric power conditions. Keywords: Valve-regulated lead-acid batteries Classification Research

1研究背景

在不考虑资源的情况下，有效地能量储存系统对高效利用能源及对能源监管至关重要。在大多数的大、中型的能量储存中，阀控式铅酸蓄电池（以下简称“蓄电池”）无论是哪种形式都是一种首选技术。

蓄电池作为能量储存系统已被广泛的应用于各行各业，每一种都有自己的不同工作循环。在供电边远或者无市电地区，蓄电池要求在几小时内重复地深放电和再充电，蓄电池作为深度放电用途；而在广大地区，蓄电池大部分时间都是在中等荷电状态下循环放电使用，常常接近50%荷电状态，蓄电池作为部分放电状态用途。

从2004年以后，我公司蓄电池需求数量以每年20%的数量递增，采购金额十几亿元人民币，随着蓄电池原材料铅价格上涨，蓄电池每单位采购金额逐年在增加。因此，每年数量如此众多的使用需求，同时蓄电池产品作为通信系统最后一道防线的特殊性使得其成为通信业界研究的重点。

- 1 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

1.1 5年来蓄电池使用情况

为更好地对基站用蓄电池使用现状分析，笔者结合全国31个省公司2002年至2007年5年来网上所有品牌蓄电池使用的现状，按照常见的11种故障对蓄电池使用情况进行了分析：

突出问题：故障频次占比在50%以上的，容量不足和充放电频繁导致； 较突出问题：故障频次占比在29%至32%的，主要问题表现在电解液渗漏、使用场所环境温度影响、电池端电压不均匀、鼓胀（变形）等方面；

较轻问题：故障频次占比在5%至19%的，主要表现在焊接柱或盖板裂缝、密封不严、电池干涸、热失控等方面；

基本不存在的问题：故障频次占比在2%左右的，为爆炸、失火。

表1：故障汇总表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

故障类别 容量不足 充放电频繁 电解液渗漏 使用场所环境温度影响 电池端电压不均匀 鼓胀（变形） 焊接柱或盖板裂缝、密封不严 电池干涸 热失控 爆炸 失火 故障出现频次 52% 50% 36% 32% 36% 29% 15% 19% 5% 2% 2% 1.2 蓄电池问题分析

表2：故障原因分析

序号 1 2 3 故 障 容量不足 原 因分析 基站温度过高造成蓄电池失水严重，内部干涸 深层次问题 使用环境造成（基站温度过高） 使用环境造成（市电停电） 使用环境及用户设置、产品质量造成 频繁充放电 基站停电频繁 漏液或破损 电池外壳变形，温度过高，浮充电压过高，电压极柱密封不严 - 2 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

对容量不足、频繁充放电以及漏液或破损故障频次最高的前3项进行分析后发现，基站频繁停电以及使用环境温度是造成蓄电池故障的主要原因。以下是通过放电深度、环境温度与蓄电池寿命之间的关系进行说明：

图1 蓄电池循环次数与放电深度的关系曲线

从图1可以看出，在基站市电停电频繁的情况下，将造成蓄电池放电深度的恶化，而放电深度与蓄电池关键指标循环使用次数直接相关，即放电深度越深，则循环使用次数越少，即蓄电池寿命越短。

图2 蓄电池使用环境对电池寿命的影响

从图2可以很清楚的看到，蓄电池寿命与环境温度关系密切，环境温度越高，在蓄电池浮充电压不变的情况下，蓄电池寿命越短。

进一步深入研究发现，截止到2007年我公司通信网络中，除了西藏等地少量使用胶体蓄电池外，绝大部分地区都采用同一技术规范的蓄电池产品，无论是使用环境相对较好的机房还是环境迥异的移动基站。

- 3 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

2蓄电池分类策略研究

综合以上分析，由于生产企业对蓄电池在我公司基站使用环境的估计不足，仅用一种产品来满足我公司各类基站千差万别的使用环境，是造成蓄电池容量不足和使用寿命减少的关键原因之一。而解决这一问题的根本途径是使生产企业明确了解蓄电池的真实使用环境，生产制造出符合不同使用环境的蓄电池产品。

2.1蓄电池产品使用环境分析

根据蓄电池在移动通信机房中的使用场所、温度范围以及市电条件并结合蓄电池产品的相关特性，笔者对各类移动机房、基站蓄电池产品使用环境分析汇总如下：

表3 蓄电池使用环境表

使用环境 Ⅰ类 Ⅱ类 使用场所 综合楼、枢纽楼等机房 一般基站 太阳能、风光互补基站或者室外站 产品相关特性 大电流放电，浮充寿命长 中等电流放电特性，使用寿命居中 温度适用范围广，循环次数多 温度范围 23±5摄氏度 0～35摄氏度 极端环境在0摄氏度以下，35摄氏度以上 市电条件 一类、二类 三类 Ⅲ类 四类或无市电 注： （1）一类市电供电方式

一类市电供电方式为从两个稳定可靠的独立电源引入两路供电线，两路供电线不应有同时检修停电的供电方式。 （2）二类市电供电方式

二类市电供电方式为满足以下两个条件之一者：

a. 从两个以上独立电源构成的稳定可靠的环形网上引入一路供电线的供电方式。

b. 从一个稳定可靠的电源或从稳定可靠的输电线路上引入一路供电线的供电方式。

（3）三类市电供电方式

三类市电供电方式为从一个电源引入一路供电线的供电方式。 （4）四类市电供电方式

四类市电供电应符合下列条件之一的要求。

a. 由一个电源引入一路供电线，经常昼夜停电，供电无保证，达不到第三类市

—

电供电要求，市电的年不可用度大于5×102。

b. 有季节性长时间停电或无市电可用。

2.2 蓄电池产品的具体分类

通过以上分析，结合国内蓄电池产品的使用现状，可以按照使用环境

- 4 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

的不同将蓄电池产品分为以下三类：

第Ⅰ类：在通信局（站）内使用，市电供电类别为一、二类市电，温度变化范围为23±5℃、室内安装，有油机保证，此类使用工况定义为一类工况，在此工况下使用并满足使用要求的蓄电池定义为Ⅰ类蓄电池。

第Ⅱ类: 市电供电类别为三类市电（见YD/T 1051-2000相关定义），温度变化范围不超过0～35℃，室内安装，此类使用工况定义为二类工况，在此工况下使用并满足使用要求的蓄电池定义为Ⅱ类蓄电池。

第Ⅲ类：市电供电类别为四类（见YD/T 1051-2000相关定义）或者无市电条件下，可在无空调机房、室外或地埋等恶劣情况下使用，极端温度变化范围低于0℃，高于35℃，此类使用工况定义为三类工况，在此工况下使用并满足使用要求的蓄电池定义为Ⅲ类蓄电池。

2.3 蓄电池产品分类的意义

通过上述的划分，可以根据不同的使用环境和所需的产品特性消除以往用一种产品满足各类需求而造成与产品质量控制之间的矛盾。

此外，通过参考集中采购总成本最优课题的研究资料，对蓄电池产品进行了更加细化的成本测算，并对测算的成本内容进行了敏感性分析，该课题也以“针对不同使用环境（包括用电环境，温度等）定制特定规格的产品”作为对蓄电池产品集中采购总成本最优的首选建议。

因此，按照不同使用环境选择蓄电池产品不仅能够解决蓄电池日常使用中出现的技术问题，同时也是实现蓄电池产品集中采购总成本最优战略的重点。

3 蓄电池分类方案

根据上述论证，蓄电池产品使用环境及具体分类都已比较清晰。但如何对蓄电池产品进行合理分类？从哪几个维度对蓄电池进行有效分类？如何分类才能解决蓄电池现有存在的问题？为构建有效的分类方案，首先我们了解一下阀控式铅酸蓄电池的内部结构。构成阀控铅酸蓄电池的主要部件是正负极板栅、电解液、隔膜、电池壳和盖、安全阀，此外还一些零件如端子、连接条、极柱等。具体请见下图。

- 5 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

图3 蓄电池结构图

经过研究分析，笔者发现正负极板栅合金成分和厚度、电解液、隔膜、外壳材料、安全阀、容量、活性物质成分、寿命、投铅量等因素对蓄电池产品质量影响较大。为抓住论述重点，笔者结合蓄电池结构以及实践应用等方面，重点对蓄电池板栅合金成分、厚度、容量、寿命、投铅量等要素分析论证蓄电池分类方案。

3.1 合金成分

早期铅酸蓄电池正负极板栅材料都是采用纯铅或铅钙合金。虽然这些板栅材料加工的极板电池可以用于浮充用途，但是我们发现对于循环用途，常常仅在50次循环之内，电池容量就迅速下降。

研究发现，将Sn添加到纯铅和铅钙合金中，可以改善其力学性能，提高充电性减少腐蚀，提高板栅与活性物质界面的导电性，添加足够量的Sn，也能改善板栅材料的晶粒结构，改变合金凝固方式。Ag添加到Pb-Ca-Sn合金中，能增强其抗腐蚀能力，并明显较少其蠕变速度或伸长长度，从而

- 6 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

使得板栅材料具有非常高的稳定性。①

将Al添加到Pb-Ca及Pb-Ca-Sn合金中，以保护合金中的Ca流失和Ca含量的变化。一层薄但结实的氧铝化物浮在熔融合金表面，防止氧与合金表面接触，从而避免Ca氧化物及Sn氧化物的生成。

对循环及固定用途的阀控式铅酸蓄电池的正极板栅合金，已逐渐形成以铅钙合金为主，低钙含量，比较高的锡含量及低银含量的合金。这些合金在浮充或循环应用中，抗腐蚀能力非常好，可以达到高的力学性能和蠕变极限或抗板栅伸长，在腐蚀层产生极好的导电性，对深放电电池的再充电性能好，并且自放电速度低。

因此，通过以上已有的研究成果。按照三类蓄电池的使用环境，分类如下：

对于第Ⅰ类蓄电池，考虑到其使用环境多为枢纽楼、综合楼，主要作为浮充用途使用，建议采用以下两种合金配方：

表4：第Ⅰ类蓄电池板栅合金建议表

类别 第Ⅰ类 Pb Pb 正极板栅合金成分及占比 Ca Sn Al Ca Sn Al Pb Pb 负极板栅合金成分及占比 Ca Al Ca Sn Al 对于第Ⅱ类蓄电池，考虑到其使用环境多为一般基站，兼做浮充和循环放电用途使用，由于第Ⅱ类蓄电池需求量大，当大电池板栅及管式板栅生产时要求合金被迅速地硬化，Sn含量更低时，这些合金硬化快，并且在室温下短时间时效后即可被处理及涂膏，而Sn含量更高时，需要时效数个星期。因此，可采用以下两种合金配方，但建议采用低Sn设计：

表5：第Ⅱ类蓄电池板栅合金建议表

类别 第Ⅱ类 Pb Pb Pb 正极板栅合金成分及占比 Ca Sn Al Sb Ag Sn Ca Sn Al Pb Pb Pb 负极板栅合金成分及占比 Ca Al Ca Al Sn Ca Sn Al 对于第Ⅲ类蓄电池，考虑到其使用环境多为四类市电或无市电，主要作为循环放电用途使用，Sn含量更高时，减少了用于高温下铅酸蓄电池的正极Pb-Ca板栅的腐蚀速度和伸长速度。因此，可采用以下两种合金配方，但建议采用高Sn设计：

①

《阀控式铅酸蓄电池》，机械工业出版社，第1版，第27页

- 7 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

表6：第Ⅲ类蓄电池板栅合金建议表

类别 第Ⅲ类 Pb Pb 正极板栅合金成分及占比 Ca Sn Al Sn Ca Al Pb Pb 负极板栅合金成分及占比 Ca Al Sn Ca Al 3.2 板栅厚度

板栅在涂膏后就成为蓄电池极板。板栅可以通过煅造和滚压及拉网技术生产。经研究发现，正极栅厚度决定电池寿命，极板厚度与电池预计寿命的关系见下表：

表7：板栅厚度与预计寿命关系表

正板栅厚度（mm） 循环寿命（次）10h率80%放电深度，25℃ 预计浮充寿命（年）（正常浮充使用） 2 150 2 3 257 4 3.4 400 6 4.5 800 12 考虑到三类不同环境，笔者根据蓄电池使用情况，对蓄电池使用寿命进行细化，结合对各省公司调查，第Ⅰ类蓄电池使用环境良好，浮充使用寿命确定为8年，根据上表，建议正极板栅厚度为4.2mm；第Ⅱ类蓄电池使用环境较为恶劣，使用寿命定为5年，建议正极板栅厚度为4.0mm；第Ⅲ类蓄电池使用环境最为恶劣，因此将循环寿命定为3年，相当于600次循环次数，建议正极板栅厚度为4.6mm。

3.3容量

蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C为计。单位安培小时，简称安时（Ah）。如何选择合适的蓄电池容量一直是工程建设人员主要关注的重点，容量选择不合适都会导致建设或维护成本增加。以往一直采用200AH至3000AH 10种容量型号。因此，根据使用环境对产品容量进行有效分类，使用方可以明确需求，生产企业也可对症下药。

对于第Ⅰ类蓄电池，其使用环境多为枢纽楼、综合楼，其型号应为500AH及以上蓄电池产品，500AH以下产品使用极少在该类场所，因此500AH、

- 8 -

中国移动通信集团公司2009年申报高工论文

600AH、800AH、1000AH、1500AH、2000AH、3000AH等7种型号产品；

对于第Ⅱ类蓄电池，其使用环境多为一般基站，考虑到供电环境的千差万别，建议其型号应为200AH、300AH、400AH、500AH、600AH、800AH、1000AH等7种型号；

对于第Ⅲ类蓄电池，考虑到其使用环境多为四类市电或无市电，可在无空调机房、室外或地埋等恶劣情况下使用，主要作为循环放电用途使用，建议其型号应为300AH、400AH、500AH、600AH、800AH、1000AH、1500AH、2000AH等8种型号。具体分类详见表9。

表8：蓄电池产品种类及标准化型号表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 蓄电池型号规格 第Ⅰ类 第Ⅱ类 第Ⅲ类 —— 200Ah —— —— 300Ah 300Ah —— 400Ah 400Ah 500Ah 500Ah 500Ah 600Ah 600Ah 600Ah 800Ah 800Ah 800Ah 1000Ah 1000Ah 1000Ah 1500Ah —— 1500Ah 2000Ah —— 2000Ah 3000Ah —— —— 3.4寿命

蓄电池寿命一直是备受争议的问题。通常蓄电池的寿命都以浮充寿命和循环寿命两种方式来表示，当电池放电容量低于额定容量的80%时，视为电池寿命终止。

浮充使用寿命：将电池作为后备电源，在通信等设备正常运行情况下，电池处于浮充状态。当交流电供电中断以后，电池才放电工作，放电时间一般较长。浮充使用寿命一般以年为单位。

循环使用寿命：指电池使用期间，电池以放电及充电循环进行，电池放电一定深度后，再进行充电，充足电以后再放电工作。电池的循环寿命与放电深度（DOD）有关，一般可分为80%DOD与100%DOD。循环寿命以循环次数表示。

- 9 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/029g.html