移动基站电池维护的解决方案.doc

北京清大鲁晶科技开发有限公司
铅酸蓄电池修复技术针对通信基站电池维护的解决方案
一、 产品技术分析
一、项目背景
随着中国移动通信产业的快速发展，近年来移动通信基站的数量迅速增加。为了保障通信网络的安全运行，每个基站都必须配有两组铅酸蓄电池，以备停电或电网不稳定时能及时提供临时电力。
国内通信行业的电池大都为固定型密封阀控式电池，作为大型备用电源用，质量好，要求高，设计浮充使用寿命8年以上。使用寿命对使用环境、使用方式等因素依赖性强，在实际中难以完全达到理论上的理想使用环境，所以，绝大部分蓄电池在没有达到设计使用年限前，就会出现容量下降等问题而提前报废。这不仅增加电信运营商的成本，同时也增加了大量的报废电池，对环境产生严重污染。常见问题如下：
◆ 使用环境温度高，浮充电压高等情况易造成电池内正极板损坏严重过早报废。
◆ 使用过程中长时间处于浮充状态，或放电后充电不足等情况易造成负极板硫化而过早报废。
按通信行业标准，当蓄电池容量低于标称容量80%以下时即应报废。但有关调研显示，尽管目前国内普遍使用的GFM型蓄电池设计寿命一般是8年甚至更高，但能够在上述标准下使用超过2年的不足15%。大多数电池3年内出现问题，5年内完全报废，根本达不到设计寿命。
北京清大鲁晶科技开发有限公司是中国第一家专业从事铅酸蓄电池复原维护技术研发和推广的高科技公司，拥有清华大学的专家团队作为技术指导，拥有独立的知识产权。经过长期的努力，已与福建移动、山西移动、安徽移动、河南移动、湖南移动、山东移动等签订了长期服务协议，所复原的电池已成功在线使用两年以上，技术的先进性和稳定性得到了用户广泛的认可。
2005年9月，在福建省三明市移动公司运维部的支持下，我公司对福建省三明移动公司尤溪地区基站一组1000安时的落后电池进行修复，结果显示：蓄电池全部恢复到了标称容量。经在线负载放电检测证明，复原后蓄电池组的性能非常稳定。经过一年多的在线运行容量基本不变。
据此可知，如果采用上述技术对福建移动基站的备用铅酸蓄电池进行优化维护和复原处理，可使蓄电池的使用寿命再延长至少3年。这不但能产生很高的经济效益，更重要的是完全符合党中央、国务院关于建设节约型社会、加强循环经济建设的理念，将为国家节约大量的宝贵资源，为保护环境、和经济可持续发展做出积极的贡献。
二、技术原理
1、铅酸蓄电池的硫酸盐化
如果不考虑生产质量和非正常使用问题，铅酸蓄电池的寿命主要由正极板栅的腐蚀变形速度和不可逆硫酸盐化的积累速度所决定。一般来说，板栅腐蚀至最终报废的周期较长，相对而言，不可逆硫酸盐化是影响蓄电池寿命的最主要和最常见的原因。铅酸蓄电池的报废，缘自反复充放电过程中极板板栅的变形和活性物质的脱落。
由多孔电极理论可知，铅酸蓄电池的极板属于两相多孔电极（全浸式扩散电极）。工作时电解液渗入多孔电极的孔隙中，在液-固两相界面上进行电极反应。在这种情况下，极板上的活性物质与电解液的接触面积很大，在正常充放电时很容易引起电化学反应。但是，由于应用状态复杂多变，很难保证理论上的“正常充放”条件。绝大多数铅酸蓄电池，尤其是浮充电状态下的固定电池，均令使用中发生不同程度的不可逆硫酸盐化，即在极板上形成了一层粗大坚硬、不易溶解的硫酸铅结晶体。它堵塞了极板的毛细孔和外表面，从而阻碍了电解液与活性物质发生反应，减少了活性物质的作用量，最终导致电池容量失效。
正常使用的铅酸蓄电池，在放电时形成硫酸铅结晶，在充电时能够较容易地还原为铅。如果电池的使用和维护不善，例如长期放置不用或经常充电不足、过放电等等，负极上就会逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅结晶。这种硫酸铅结晶不导电，在常规的充电方式下很难分解。这种现象被称为“不可逆硫酸盐化”。它引起蓄电池的内阻增大、容量下降，其形成的主要原因是硫酸铅的重结晶现象导致粗大结晶形成后溶解度减小进而无法分解。
2、技术原理
我们的“京环科•铅酸蓄电池复原技术”，其主要目的就是将不可逆的粗大坚硬的硫酸盐晶体迅速地打碎分解，使蓄电池恢复到正常的使用状态。我们采用的方法是一种“物理+化学”的综合方法，根据硫酸盐结晶对蓄电池极板深度、附着力、晶格取相测定它的性质，并分析与计算活化剂对蓄电池极板硫酸盐的使用定量，以更好的清除和避免在蓄电池极板上的不可逆硫酸盐结晶，大大增加极板活性物质与电解液接触面积。
复原大概流程为：将专门配置的活化剂定量倒入蓄电池内，再用我公司智能蓄电池活化仪特定的高频脉冲电流对电池进行激活复原，最后用我公司智能蓄电池放电仪对活化电池进行放电检测容量，放电的同时进一步促进了活化剂有效成分更深入电池内部。这种方法的主要特点是迅速、有效。活化剂的加入，一方面加速了原本不导电的硫酸铅分解，另一方面也保证了蓄电池在高频电流进行激活时温度不过度升高，有效地保护了蓄电池。
采用这种方法处理的蓄电池，极板上的大晶体全部被分解，电解液的酸根离子大大增加，比重也恢复到正常水平。蓄电池又复原到一个新的初始状态。对于绝大多数正常使用的蓄电池，经过这样的复原处理，能再继续工作一个使用周期。
图片：显微镜下硫酸铅结晶极板和复原后的极板

显微镜下硫酸铅结晶 去除硫化后的极板
3、技术创新点
铅酸蓄电池复原技术主要是以铅酸蓄电池活化理论作为基础。在铅酸蓄电池的使用过程中，除去自然损耗及机械故障外，许多铅酸蓄电池在使用过程中会发现内阻增大，充电不足，在还不到寿命终期就不能使用了。以往解决这一问题的办法主要是在铅酸蓄电池中增加一些活性物质，这种活性物质多以碳作为基础。而我们所采用的铅酸蓄电池复原技术中，最能体现技术特色的主要创新点有两处：
第一，发明了一种专用活化剂，通过与电解液和极板之间的电化学反应，利于分解铅酸蓄电池中不可逆硫化大分子，能有效去除极板上的硫酸铅晶体。
传统的蓄电池维护液或活性剂，只能起到补充电解液，维护蓄电池正常工作，或者可在一定程度上延缓电池硫化，但不能彻底防止或消除硫化现象。少数产品，对于硫化不严重、还能正常使用的蓄电池，也可以去掉部分硫酸铅晶体，提高电池容量，但一般只是局限在40—70%的范围内，活化效果有限，特别是对于那些严重硫化甚至报废的蓄电池，起不到很好的作用。另外有一种错误的电池保养做法，即补充酸液，认为这样可以恢复电池容量，实际上加速电池极板的硫化。
本活化剂利用干扰机理，在电池放电过程中阻止硫酸铅重结晶现象的发生，随时清理电极的微孔和外表面，保证液-固两相界面上的清洁通畅，从而保证电化学反应的正常进行。我们从电化学原理上进行了大胆的突破，在保证蓄电池正常性能不受破坏的前提下，加入本活化剂后，能在短时间内激发极板上硫酸铅晶体与电解液之间的剧烈反应，从而迅速化解并促使晶体脱落还原。
活化剂的作用，不仅是阻碍不可逆硫酸盐化的形成，提高了电池的寿命，更重要的是，由于有了反应传递通道的顺畅无阻，才使得高效利用活性物质成为可能。
另外，本活化剂还能保护蓄电池承受脉冲式大电流的反复冲击，进一步加剧硫酸铅晶体的反应，同时也能产生一定的物理机械效应，多管齐下，彻底化解去除长期“结垢”形成的晶体。当充电电流很大时，添加剂还可对蓄电池起到有效的保护作用。
该专用活化剂的创新之处，除了配方上突破传统产品的原理限制外，在加工工艺上也有较大的改进。包括采用超声波技术对原材料加工，是固体颗粒粉碎得更微细，便于混合反应；采用先进温控技术，使反应釜保持最佳反应温度，提高活化剂活化性能和质量，减少沉淀，增强抗低温能力等。
第二，利用专门设计的智能高频脉冲活化设备及智能放电设备，通过产生特殊波形的大电流，进一步激化活化剂的反应，能够彻底去除并长期防护遏制硫酸铅晶体的重新聚集，同时检测电池的容量和性能，为蓄电池的继续使用提供依据。
根据铅酸蓄电池的析氢理论，采用分段式大电流快速充电系统，能尽快清除电池极板上滞留的氢，分解硫酸盐，降低内阻，避免自放电的产生，从而达到延长蓄电池寿命、恢复蓄电池功效的作用。特别是针对内阻增大的铅酸蓄电池，能够像本技术一样进行大功率的强制充电是不多见的。
本套设备还提供恒流放电和便捷完善的测量仪器，能够科学、有效、及时地反映出蓄电池当前性能，有利于实际操作，具备良好的应用推广价值。
上述两种技术的综合利用，最终形成了我们目前在市场上推广的“铅酸蓄电池复原技术”。该技术综合了不同的电子技术，技术含量高，性能突出，与同类技术相比有明显的优势。
三、复原流程
铅酸蓄电池（简称电池）的复原流程一般包括以下几个程序：
◆ 电池检测：通过了解电池使用情况、仪器检测等综合判断待复原电池的基本情况；
◆ 初始容量测试：通过对电池进行初充放电，判断电池的原始容量，同时也是为电池活化做准备，确定处理方案；
◆ 注剂：根据电池的具体情况，用试管向蓄电池内部的电解液中注入适量的活化剂；静置1小时或以上，以便活化剂有效成分在电池内充分扩散；
◆ 活化：用我公司配套活化仪，在大于常规充电电流数倍的激活电流下，将注入好活化剂的蓄电池激活、打通，逐步降低内阻、消除硫化，从而实现因硫化现象报废的铅酸蓄电池的再生使用；
◆ 放电：放电是活化过程中重要的一环，不仅仅是检验活化的效果，也可以通过放电，促进活化剂有效成分更深入电池内部。注意：不可频繁深度放电检测电池容量；
◆ 自放电检查：测试复原后的电池自放电情况；
◆ 电池封闭：将打开的电池再次密闭，使其安全性不受破坏，保证用户的正常安全使用；
◆ 电池原环境使用模拟：是非常重要的一个环节。某些电池，放电时显示容量恢复，但其内阻还没有完全调整到新电池的水平（因电池内阻与多种因素有关），这样的电池，在原环境恒压限流的使用方式下，会因为内阻过高造成端电压上升过快，最终导致电池充电不足，放电容量降低。用智能活化仪可模拟基站环境进行充电实验，对通过模拟实验合格的电池方可上线使用。
四、基站铅酸蓄电池现状分析
根据大量的实践资料分析证明，实际在线使用的蓄电池经常在超过信息产业部规定的报废标准后仍“带病”工作。特别是在经济欠发达地区，基站蓄电池长期得不到更换，容量严重不足，甚至造成备用蓄电池成为摆设的事实。许多地方的移动通信运营商都将在线蓄电池的日常维护委托给代维公司，但绝大多数的代维公司只能做到对蓄电池电压进行测量等简单工作，缺乏充分的技术手段对蓄电池进行有效维护，也不能掌握在线蓄电池的真实容量和性能状况。当电力紧张、停电发生时，蓄电池容量不足的问题就更为突出，导致用户投诉激增，给运维部门带来很大的压力。
五、我们的建议——利用先进技术延长蓄电池使用寿命
利用先进技术对在线蓄电池进行优化维护，对报废蓄电池进行复原处理，可以最大限度地延长蓄电池使用寿命，既节约资金、减少成本，又有利于环保和节能降耗。
针对移动基站电池的使用现状，在前期调研的基础上，本着高度负责的科学态度和互利双赢的基本原则，我们提出如下解决方案。
1、介入前期维护，采取科学有效措施，延缓蓄电池硫化过程
采取一定的技术手段，可以有效地延缓蓄电池的硫化过程。因此，首先要从新电池上线开始使用时，就积极进行蓄电池的优化维护工作。
l 在严格遵守机房（基站）规定、保证不干扰机房（基站）正常工作的前提下，定期测量蓄电池组电压、电池单体电压、电池单体表面温度、室内温度、平均浮充电压差和电池表面的温差等多项数据，尽早发现问题电池并加以处理。
l 科学设定充电模式，避免出现蓄电池被过充的情况；定期对蓄电池进行容量测试，以保证电池组始终处于最佳的待用状态。
l 采用先进技术，修复硫化电池，延长使用寿命：在维护过程中一旦发现容量降低的蓄电池，在严格检查、确认是出现硫化且具备修复条件时，及时运用“铅酸蓄电池复原技术”予以除硫化处理，并对其重新配组，将放电曲线最接近的蓄电池配组后再次上线使用。
l 建立长期服务承诺，保障电池使用寿命：对复原后重新上线的蓄电池，建立起完整的档案，定期监控、维护，保障其安全稳定使用。
2、采取工程承包制对下线电池进行复原利用
针对已下线或报废的蓄电池，双方协商并签订合同，明确修复价格、付款方式、维修时间、维修指标及对蓄电池复原后的承诺使用期限等。
在规定时间内把复原合格的蓄电池交付使用，对使用这些蓄电池的基站进行建档和跟踪管理，定期进行有效的维护工作。运维部门也可在发现异常情况后及时通报，承诺在24小时内赶赴现场进行处理。

二、产品功能及技术参数
产品功能：
产 品
名 称
产品
型号
产 品 功 能

智能蓄电池活化仪

QD－ZNH80－180
1．液晶屏显示，中文菜单提示，实时显示所有测试数据：充电电流、电池组总电压、充电时长、充电容量和机内温度等。
2．根据铅酸蓄电池硫化特性，可设置自动分段式快速活化功能：模式为快速充电60秒，停20秒。
3．智能三阶段充电，可设定并控制电压、电流、时间、容量等参数，自动完成对蓄电池组的活化充电。
4．可设定整组电池的保护电压、时间容量。5．记录电池组总电压。
6．实时监控功能：实时显示并控制各设定的参数（如电压、电流、时间等）。
7．自动保护功能：可通过设定电池组总电压、充电容量、充电时长等参数而实现自动保护。
8．单片机至U盘数据转存技术的应用，解决了大容量数据存贮问题。充电结束，数据经U盘转存或经RS-232接口上传计算机后台处理后可自动生成各种图表，电池性能一目了然。
9．电压、电流显示值的校准修正功能：主要校准电池组总电压、电流。
10．本机有掉电保存功能。掉电后所有测试数据不丢失，加电后继续充电，没有任何影响。

智能蓄电池放电仪

QD－ZNF48－200
1．液晶屏显示，中文菜单提示，实时显示所有测试数据：放电电流、电池组总电压、放电时长、放电容量和机内温度等。
2．电参数设置后,可自动恒流控制完成蓄电池组的容量测试或恒流\恒阻\恒功率测试直流电源的带载能力。
3．可设定整组电池的最低放电电压及放电时长。与电池组参数在线监测仪配合使用可测单体电池电压。
4．实时监控功能：实时显示并控制各设定的参数（如电压、电流、时间等）。
5．自动保护功能：可通过设定电池组总电压、放电容量、放电时长三种门限报警而实现自动保护。
8．自动报警功能：当出现有高温或电池组连线断开等情况时自动报警。
9．放电仪可以存储8次放电数据，用户可以根据需要进行查询。
10．具有USB接口，可以通过U盘转存放电数据。
11．可直接通过RS-232接口通讯。配套数据处理软件，可以实现与PC机的实时通讯；查看、打印电流电压变化曲线、检测数据细目表。
12．上位机监控功能。
1) 上位机可随时获取下位机状态信息（停止放电状态、恒流放电状态、恒阻放电状态、恒功率放电状态四种状态）。
2) 上位机可随时获取下位机放电参数（设置参数和运行参数）。
3) 上位机可随时设置下位机放电参数。
4) 上位机可以随时启动或停止放电。
5) 上位机可随时调入放电仪放电的历史数据
13．电压、电流显示值的校准修正功能：主要校准电池组总电压、电流。
14．放电仪有掉电保存功能。掉电后所有测试数据不丢失，加电后继续放电，没有任何影响。
15．输入参数判错及数据越界告警功能。
16．体积小 精心设计并采用最新优质元器件，使得放电仪大大小于以往机型，是老机型的换代产品。

仪表的技术指标性能：
设备名称
智能蓄电池活化仪
智能蓄电池放电仪
设备型号
QD－ZNH80－180
QD－ZNF48－200
适用电池种类
2V－12V
2V－12V
最大放电电流
――
200A
最大充电电流
180A
――
充电电池数量
24只
24只
电流调节范围
18-180A
10-200A
电流调节细度
1A
1A
充电控制精度
1%
1％
总电压测量精度
1%
1％
定时器
0－99小时
0－99小时
工作电压
380V
220V
效率
≥0.85
≥0.85
绝缘强度
输入对机壳和对输出≥1500V
输入对机壳和对输出≥1500V
输出对外壳≥1500V
输出对外壳≥1500V
平均无故障时间
（MTBF）：≥50000h
（MTBF）：≥50000h
尺寸(mm)
560×390×470
400×270×490
重量(kg)
35
20

5771001803090012095 579036822859633082
5771001803090012386 576137399735760696
5771001803090013594 578077579902515512
5771001803090012387 577164982601818051
5771001803090012138 572131192158918326
5771001803090012359 579036822361076053
5771001803090012356 576135286143791742
5771001803090012355 575087869704693279

17088100343355274 101229944325833379
17088100343355275 101866732938832008
17088100343356107 101581152501500522
17088100343356108 101000180059871732
17088100343354295 101074194142687017
17088100343356184 101878660869628802
17088100343356185 101775831174086674
17088100343356109 101086014373572846
17088100343356110 101152207216014916
17088100343355237 101027041605702709
17088100343355238 101229364861425414
17088100343356169 101862204402635718
17088100343354928 101760654089788804