后備VRLA電池運(yùn)行中的問題及監(jiān)測解決方案

1　鉛酸蓄電池在后備電源運(yùn)行中的問題以及產(chǎn)生的原因

　　隨著蓄電池的廣泛應(yīng)用，特別是備用電源中的應(yīng)用，由于VRLA蓄電池的運(yùn)行要求比較嚴(yán)格，電池在偏離了正確的使用條件下運(yùn)行會影響電池使用壽命，甚至造成嚴(yán)重的后果，因此，鉛酸蓄電池的監(jiān)測十分重要。采用備用電池的場所一般都是非常重要的部門，容量下降到一定程度電池組就起不到電源備份的作用，一旦主電源發(fā)生故障，就可能造成系統(tǒng)停機(jī)，導(dǎo)致巨大的損失，及時發(fā)現(xiàn)電池容量下降并處理電池失效，對于VRLAB用戶是十分重要的。

　　我們所研究的蓄電池是作為后備電源使用的，平時處于充電狀態(tài)，與充電裝置的輸出相聯(lián)，一旦市電中斷，蓄電池立即開始放電。與深度循環(huán)放電的蓄電池相比，由于后備電池長期處于浮充狀態(tài)，即使偶然放電，因放電深度較小（與市電中斷時間有關(guān)），因此很難獲得蓄電池的準(zhǔn)確保有容量。而在電池運(yùn)行過程中（在線測量）檢測蓄電池的劣化程度（SOH-State of health）是用戶最為關(guān)心的問題，也是后備蓄電池使用中的最大難題之一。

　　目前后備電源中蓄電池運(yùn)行中存在的隱患：

　　1）蓄電池壽命無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求
　
　　目前我們使用的蓄電池都存在這樣的問題：在蓄電池安裝時，蓄電池的廠家都稱閥控鉛酸蓄電池在浮充下的使用壽命可以達(dá)到10年以上，但在實(shí)際中，蓄電池往往在三年時就出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，使用超過5年的蓄電池更是少之又少。這其中存在兩個方面的問題，其一，在使用中對于蓄電池的管理以及維護(hù)，沒有有效、合理地進(jìn)行，造成蓄電池在早期就出現(xiàn)劣化，并且因?yàn)闆]有及時發(fā)現(xiàn)落后電池，致使蓄電池劣化積累、加劇，導(dǎo)致蓄電池組的過早報廢。其二，個別蓄電池廠家夸大蓄電池的使用壽命。

　　2）對于蓄電池的運(yùn)行情況、性能狀況不明

　　由于沒有良好的手段以及管理，蓄電池的使用者對于蓄電池的運(yùn)行情況缺乏足夠的了解，特別是對于蓄電池歷史數(shù)據(jù)的整理以及分析。

　　對于蓄電池內(nèi)部性能參數(shù)，如蓄電池的內(nèi)阻、當(dāng)前的剩余容量，無法十分清楚地了解。因?yàn)樾铍姵亟M中如果有落后的蓄電池，可以通過一定深度的放電、充電循環(huán)，可以一定程度上減少落后的差別。但由于情況不明，所以相應(yīng)的措施就無法實(shí)施。

　　3）對于單體電池而言，充電機(jī)制可靠性需要加強(qiáng)

　　由于目前國內(nèi)的直流系統(tǒng)的充電機(jī)制不是非常的完善，在實(shí)際中存在電壓漂移的情況，而蓄電池長期處于浮沖狀態(tài)，如果浮沖電壓偏離正常的范圍，就會造成蓄電池的過充或欠充，長期的過充或欠充就會對蓄電池的性能產(chǎn)生非常大的影響。

　　4）單體電池之間不均衡

　　目前蓄電池組往往有數(shù)量很多的單體電池組成（如190只、108只、35只等），在實(shí)際運(yùn)行中存在單體電池之間充電電壓、或內(nèi)阻等差異較大的情況，特別是在浮充下，這種不均衡現(xiàn)象顯得非常嚴(yán)重。

　　出現(xiàn)單體電池不均衡是一方面由于蓄電池在出廠配組中，沒有進(jìn)行一致性能的嚴(yán)格考核，在許多運(yùn)行場合，新電池采購后，對于蓄電池的檢驗(yàn)，用戶又缺乏嚴(yán)格的檢測手段進(jìn)行蓄電池的初檢，因此蓄電池在運(yùn)行前就帶著問題投入運(yùn)行。另一方面目前蓄電池的充電機(jī)制不但無法消除單體電池的一致性問題，并且會加劇單體電池的不均衡。因?yàn)槌霈F(xiàn)個別落后電池充電不完全，如果及時發(fā)現(xiàn)、處理，可以減少這種落后的差異，但實(shí)際中往往不能及時發(fā)現(xiàn)處理，因此不均衡就會累計(jì)、加劇。如此反復(fù)，致使落后電池失效，從而引起整組蓄電池的容量過早喪失。

　　5）蓄電池浮充下缺乏溫度補(bǔ)償

　　由于蓄電池的工作環(huán)境比較復(fù)雜，而環(huán)境溫度對于蓄電池的影響，特別是電壓、電流的影響較大。在25℃以上，每增加1℃，蓄電池充電電流將會增加10%，蓄電池失水將會增加 1.5%。所以各個廠家都在產(chǎn)品的說明書上寫明：根據(jù)環(huán)境溫度，對于浮沖電壓進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，補(bǔ)償系數(shù)大約在3-5mv/℃。但在實(shí)際中能夠作到溫度補(bǔ)償?shù)暮苌?，這是許多蓄電池?zé)o法達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的重要原因之一。

　　6）無人值守站點(diǎn)的維護(hù)工作缺乏良好的管理監(jiān)測手段

　　對于許多無人值守的站點(diǎn)，由于沒有網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)測的手段，對于蓄電池的維護(hù)更加薄弱，特別是對于蓄電池的運(yùn)行情況以及性能狀況，沒有清楚的了解。大量的維護(hù)與管理工作由人工進(jìn)行，同時對于維護(hù)人員有較強(qiáng)的專業(yè)知識要求，以便對于數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、科學(xué)的整理與分析。

　　7）蓄電池管理維護(hù)的理念需要改進(jìn)

　　目前在很多蓄電池的維護(hù)人員，受到蓄電池廠家的誤導(dǎo)，認(rèn)為“免維護(hù)”就是不需維護(hù)，其實(shí)恰恰相反，“免維護(hù)”僅僅是不需要定期對蓄電池進(jìn)行加水，由于采用負(fù)極吸收的辦法，以及安全閥的設(shè)計(jì)，減少了蓄電池的失水。但同時對于蓄電池也無法象以往開口式蓄電池那樣，通過測量蓄電池電解液的比重等手段，了解蓄電池性能狀況。為此對于“免維護(hù)”鉛酸蓄電池應(yīng)該將以往的維護(hù)觀念以及手段加以更新、提高，以適應(yīng)新技術(shù)帶來的管理監(jiān)測水平的要求。

　　8）蓄電池終止壽命無法提前判斷以及蓄電池的更換缺乏科學(xué)的依據(jù)

　　我們對于蓄電池的壽命終止，希望能夠提前作出判斷，為蓄電池的更換贏得時間的提前量。但目前對于蓄電池的壽命的終止，沒有一個可靠的手段，僅僅根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行。所以在實(shí)際中，往往是蓄電池放電的容量低于最低要求后，才在放電中發(fā)現(xiàn)蓄電池的壽命終止。


2　內(nèi)阻與蓄電池性能的關(guān)系

　　蓄電池失效模式最為常見的是：蓄電池失水、負(fù)極硫酸化、正極腐蝕、熱失控等四種方式，以下是對四種失效模式的分析：

　　1、蓄電池失水

　　鉛酸蓄電池失水會導(dǎo)致電解液比重增高、導(dǎo)致電池正極柵板的腐蝕，使電池的活性物質(zhì)減少，從而使電池的容量降低而失效。

　　鉛酸蓄電池密封的難點(diǎn)就是充電時水的電解。當(dāng)充電達(dá)到一定電壓時（一般在2.30V／單體以上）在蓄電池的正極上放出氧氣，負(fù)極上放出氫氣。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環(huán)境，另一方面電解液中水份減少，必須隔一段時間進(jìn)行補(bǔ)加水維護(hù)。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點(diǎn)而研制的產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點(diǎn)為：

　?。?）采用多元優(yōu)質(zhì)板柵合金，提高氣體釋放的過電位。即普通蓄電池板柵合金在2.30V／單體（25℃）以上時釋放氣體。采用優(yōu)質(zhì)多元合金后，在2.35V/單體（25℃）以上時釋放氣體，從而相對減少了氣體釋放量。

　?。?）讓負(fù)極有多余的容量，即比正極多出10％的容量。充電后期正極釋放的氧氣與負(fù)極接觸，發(fā)生反應(yīng)，重新生成水，即

　　　　　　　　　　　　　　　　　　O2 + 2Pb→2PbO
　　　　　　　　　　　　　　　 PbO + H2SO4→H2O +PbSO4

　　使負(fù)極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，因而不產(chǎn)生氫氣。這種正極的氧氣被負(fù)極鉛吸收，再進(jìn)一步化合成水的過程，即所謂陰極吸收。

　?。?）為了讓正極釋放的氧氣盡快流通到負(fù)極，必須采用和普通鉛酸蓄電池所采用的微孔橡膠隔板不同的新超細(xì)玻璃纖維隔板。其孔隙率由橡膠隔板的50%提高到90%以上，從而使氧氣易于流通到負(fù)極，再化合成水。另外，超細(xì)玻璃纖維板具有吸附硫酸電解液的功能，因此閥控式密封鉛酸蓄電池采用貧液式設(shè)計(jì)，即使電池傾倒，也無電解液溢出。

　?。?）采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，使酸霧不能逸出，達(dá)到安全、保護(hù)環(huán)境的目的。

　　在上述陰極吸收過程中，由于產(chǎn)生的水在密封情況下不能溢出，因此閥控式密封鉛酸蓄電池可免除補(bǔ)加水維護(hù)，這也是閥控式密封鉛酸蓄電池稱為免維電池的由來。閥控式密封鉛酸蓄電池均加有濾酸墊，能有效防止酸霧逸出。但密封蓄電池不逸出氣體是有條件的，即：電池在存放期間內(nèi)應(yīng)無氣體逸出；充電電壓在2.35V／單體（25℃）以下應(yīng)無氣體逸出；放電期間內(nèi)應(yīng)無氣體逸出。但當(dāng)充電電壓超過2.35V／單體時就有可能使氣體逸出。因?yàn)榇藭r電池體內(nèi)短時間產(chǎn)生了大量氣體來不及被負(fù)極吸收，壓力超過某個值時，便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過濾酸墊濾掉了酸霧，但必竟使電池?fù)p失了氣體，所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓的要求是非常嚴(yán)格的，不能過充電。

　　

但在實(shí)際中，蓄電池的過充是存在的，特別是目前后備蓄電池的充電是采用整組進(jìn)行，蓄電池組中單體電池的差異是無法徹底消除，因此出現(xiàn)個別電池過充是較為普遍的，這樣就因排氣閥的頻繁開啟會引起電池失水。而蓄電池電解液在設(shè)計(jì)中，一般采用電導(dǎo)較高（即內(nèi)阻較低）的濃度范圍電解液，見圖一：

　　電解液的濃度選擇一般在如圖的范圍內(nèi)，因此在蓄電池運(yùn)行中，如果出現(xiàn)蓄電池失水，導(dǎo)致電解液濃度變化，則蓄電池電解液阻抗就會增加，此類情況必然在蓄電池內(nèi)阻上得到反映。

　　2、負(fù)極硫酸化

　　電池負(fù)極的主要活性物質(zhì)是海棉狀鉛，電池充電時負(fù)極發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

　　　　　　　　　　　　　 PbSO4 + 2e　 =　Pb + SO4-

　　放電過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是這一反應(yīng)的逆反應(yīng)，當(dāng)閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時，在電池的負(fù)極上就有PbSO4 存在，PbSO4 長期的存在會失去活性，不能再參與化學(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為活性物質(zhì)的硫酸化，硫酸化使電池的活性物質(zhì)減少，降低電池的有效容量，也影響電池的氣體吸收能力，久之就會使電池失效。

　　為防止硫酸化的形成，電池應(yīng)該經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)。

　　但目前后備蓄電池的充電機(jī)制（長期浮充），無法徹底實(shí)現(xiàn)蓄電池組中各個單體電池的充電均一性，因此出現(xiàn)個別電池過放、欠充的現(xiàn)象是無法徹底避免，長期的這種情況出現(xiàn)負(fù)極硫酸鹽化是必然的，而且目前的使用場合，不能按照常規(guī)進(jìn)行核對性的放電，負(fù)極硫酸鹽化無法及時消除，并且累加，這樣在負(fù)極多孔電極表面形成一層硫酸鹽層。從而使負(fù)極極板孔隙率大大減少，而反應(yīng)過程中電解液只能通過鹽層小孔隙達(dá)到電極表面，使電化學(xué)反應(yīng)面積減少，電流密度增大，負(fù)極的電極電位向正方向偏移，電極反應(yīng)效率降低，導(dǎo)致蓄電池輸出容量降低。

　　而相比較活性物質(zhì)，負(fù)極的硫酸鹽顆粒較大，幾乎不溶解，其電導(dǎo)比負(fù)極活性物質(zhì)低1~2個數(shù)量級，阻抗如此高的不溶解硫酸鹽，對于蓄電池內(nèi)阻影響是很大的。這也是目前蓄電池運(yùn)行中較為常見的失效方式之一。

　　3、正極板腐蝕

　　正極腐蝕是鉛酸蓄電工藝無法消除的，因?yàn)榘鍠诺暮辖鸪煞菖c活性物質(zhì)不同，而活性物質(zhì)是直接附著在板柵上，兩者直接接觸，并共同浸在硫酸電解液中，各自與電解液建立不同的平衡電極電位，而平衡電位的差別，構(gòu)成短路微電池，造成正極的腐蝕必然。為此，在生產(chǎn)工藝中，正極板柵比負(fù)極板柵厚，以此補(bǔ)償正極腐蝕。

　　而腐蝕后產(chǎn)生的致密腐蝕膜雖然可以阻礙腐蝕的深入發(fā)展，但也引起電阻增加，充電困難，與正極活性物質(zhì)粘接能力差等問題，特別是當(dāng)活性物質(zhì)中含有大量的β-PbO2時，由于β-PbO2的粘接力較差，造成活性物質(zhì)的脫落。

　　同時板柵的腐蝕也是造成板柵變形的重要原因。因?yàn)榘鍠鸥g產(chǎn)生的致密PbO2分子體積是鉛原子體積的1.4倍，由于合金板柵的體積與由其轉(zhuǎn)化成腐蝕產(chǎn)物體積差別很大，從而對板柵給以張力，引起板柵的變形，并且腐蝕膜越厚，對板柵施加的張力越大，板柵變形越嚴(yán)重，由此加劇影響活性物質(zhì)與合金板柵的粘接能力，從而引起活性物質(zhì)的脫落，嚴(yán)重影響蓄電池的輸出容量。這是目前鉛酸蓄電池運(yùn)行中容量下降的較為普遍原因。

　　而致密的腐蝕膜由于增加了反應(yīng)過程中電荷轉(zhuǎn)移的阻抗，為此可以通過測量蓄電池內(nèi)阻的變化，對正極板腐蝕進(jìn)行有效地觀察。

　　4、熱失控

　　熱失控是指蓄電池在恒壓充電時，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強(qiáng)作用，并逐步損壞蓄電池。造成熱失控的根本原因是：

　　普通富液型鉛酸蓄電池由于在正負(fù)極板間充滿了液體，無間隙，所以在充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣不能到達(dá)負(fù)極，從而負(fù)極未去極化，較易產(chǎn)生氫氣，隨同氧氣逸出電池。

　　因?yàn)椴荒芡ㄟ^失水的方式散發(fā)熱量，VRLA電池過充電過程中產(chǎn)生的熱量多于富液型鉛酸蓄電池。

　　蓄電池工作溫度每上升10℃，電極表面的電流密度就會增加一倍，由此增加了反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，并提高了蓄電池的反應(yīng)溫度，因此形成一個惡性循環(huán)。

　　為此在使用中浮充電壓應(yīng)合理選擇。浮充電壓是蓄電池長期使用的充電電壓，是影響電池壽命至關(guān)重要的因素。目前由于電池組中電池彼此的差異是存在的，而蓄電池組的充電方式無法避免個別電池的熱失控。

　　一般情況下，浮充電壓定為2.23 ~ 2.25V/單體（25℃）比較合適。如果不按此浮充范圍工作，而是采用2.35V／單體（25℃），則連續(xù)充電4個月就可能出現(xiàn)熱失控；或者采 2.30V/單體（25℃），連續(xù)充電6 ~ 8個月就可能出現(xiàn)熱失控；要是采用2.28V/單體（25℃），則連續(xù)12 ~ 18個月就會出現(xiàn)嚴(yán)重的容量下降，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控。熱失控的直接后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，最后失效。

　　只有嚴(yán)格監(jiān)測蓄電池的運(yùn)行電壓，特別是蓄電池浮充下的電壓，防止電池過充是避免熱失控的重要手段。

　　由于VRLA蓄電池的運(yùn)行要求比較嚴(yán)格，蓄電池在偏離了正確的使用條件下運(yùn)行，將造成嚴(yán)重的后果，由此可見鉛酸電池的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測的重要性。

　　通過以上的四種鉛酸閥控蓄電池失效模式的分析，可以看出蓄電池的失效是逐漸的，并且都可以在內(nèi)阻的變化上得到反映，并且目前還沒有發(fā)現(xiàn)一只蓄電池性能喪失，而其內(nèi)阻沒有變化的實(shí)例。這就為我們提供了一個監(jiān)測蓄電池性能狀況的便捷途徑：即連續(xù)監(jiān)測蓄電池的運(yùn)行參數(shù)（單電池電壓、充放電電流、溫度）以及內(nèi)阻的變化，對于蓄電池進(jìn)行全監(jiān)測，通過蓄電池失效早期的特征，及時發(fā)現(xiàn)單體電池的不均衡性、以及失效、落后電池等情況，并進(jìn)行及時有效的處理，就可以防止蓄電池劣化加劇，延長蓄電池的使用壽命。


3　蓄電池檢測、監(jiān)測技術(shù)

　　采用備用電池的場所都是十分重要的部門，容量下降到一定程度電池組就起不到電源備份的作用，一旦主電源發(fā)生故障，就可能造成系統(tǒng)停機(jī)，導(dǎo)致巨大的損失，因此及時發(fā)現(xiàn)電池容量下降并處理電池失效是十分重要的。

　　3.1 人工檢查

　　除了放電測試外，人工測量主要測量電池組電壓、單電池電壓、溫度和單電池內(nèi)阻。

　　電池組電壓測量可以發(fā)現(xiàn)充電機(jī)的參數(shù)設(shè)置是否正確。由于蓄電池是串聯(lián)運(yùn)行，整組電池的電壓由充電機(jī)的輸出來決定，充電機(jī)的正確工作并不能保證每個單電池的工作狀態(tài)正常。單電池電壓監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)單電池浮充電壓不正確，以及單電池是否過充電、過放電等情況。

　　電池內(nèi)阻能夠反映蓄電池的容量下降和電池老化。不同廠家的內(nèi)阻測試儀的準(zhǔn)確度和抗干擾能力差別很大；由于采用的測量原理以及工作頻率不同，其讀數(shù)值也會有差別；尤其是測量夾具很難與電池端子直接接觸，測量值往往包括連接電阻。

　　3.2 在線監(jiān)測

　　蓄電池在線監(jiān)測管理是針對測量電池的運(yùn)行條件和檢測電池本身的狀況而設(shè)計(jì)的，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：①整組監(jiān)測、②單電池電壓監(jiān)測、③單電池內(nèi)阻監(jiān)測與分析。

　　1、整組監(jiān)測

　　整組電池監(jiān)測功能一般設(shè)計(jì)在整流電源內(nèi)，測量電池組的電壓，電流和溫度，進(jìn)行充電和放電管理，尤其是根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)整電池的浮充電壓，在電池放電時電池組電壓低至某下限時報警。