蓄電池在線內(nèi)阻在直流電源系統(tǒng)中的監(jiān)測技術(shù)及運(yùn)用

1 概述

目前，閥控式鉛酸蓄電池在電力操作電源、通信電源中廣泛使用，由于閥控式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)的特殊性，在運(yùn)行中可靠地檢測蓄電池的性能，并有針對性地對蓄電池進(jìn)行維護(hù)變得困難但又很迫切。從電源系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性要求，各類蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)也在廣泛使用。但不同的測試模式對蓄電池的性能狀況反映也不一樣，多年的研究和運(yùn)用表明，內(nèi)阻檢測是目前最為可靠的測試方式之一。而蓄電池的不同失效模式對內(nèi)阻的反映情況也不一樣，了解蓄電池的內(nèi)阻和各種失效模式的關(guān)系，合理地分析閥控式鉛酸蓄電池的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，有利于更好地對蓄電池進(jìn)行檢測和維護(hù)。近年來，由于原材料的漲價(jià)，國內(nèi)很多閥控式鉛酸蓄電池廠家采用了很多新的生產(chǎn)工藝，由此帶來對新工藝蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)分析也發(fā)生了新的變化。合理地選擇此類蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，對判斷閥控式鉛酸蓄電池性能有很大的幫助。合理地運(yùn)用內(nèi)阻數(shù)據(jù)維護(hù)蓄電池，對延長蓄電池的使用壽命有很大的作用，為獲得最大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益有著很重要的意義。

2 常見的蓄電池失效模式

對于閥控式鉛酸蓄電池，通常的性能變壞機(jī)制有：電池失水、極板群的腐蝕、活性物質(zhì)的脫落、深放電引起的鈍化和深度放電后的恢復(fù)等等。幾種性能變壞的情況分述于下。

⑴　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。

閥控式鉛酸蓄電池充電后期，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。

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。但當(dāng)充電過程中，充電電壓超過2.35V／單體時(shí)就有可能使氣體逸出。因?yàn)榇藭r(shí)電池體內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生了大量氣體來不及被負(fù)極吸收，壓力超過某個(gè)值時(shí)，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，但畢竟使電池?fù)p失了氣體，也等于失水，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，絕對不能過充電。

⑵　負(fù)極板硫酸化

電池負(fù)極柵板的主要活性物質(zhì)是海棉狀鉛，電池充電時(shí)負(fù)極柵板發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

PbSO4 + 2e = Pb + SO4-

正極上發(fā)生氧化反應(yīng)：

PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO4- + 2e

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(shí)，在電池的正負(fù)極柵板上就有PbSO4存在，PbSO4長期存在會失去活性，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。為防止硫酸化的形成，電池必須經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)，蓄電池絕對不能過放。

⑶　正極板腐蝕

由于電池失水，造成電解液比重增高，過強(qiáng)的電解液酸性加劇正極板腐蝕，防止極板腐蝕必須注意防止電池失水現(xiàn)象發(fā)生。

⑷　熱失控

熱失控是指蓄電池在恒壓充電時(shí)，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浮充電壓過高。

一般情況下，浮充電壓定為（2.23 ~ 2.25）V/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(gè)月就可能出現(xiàn)熱失控；或者采用2.30V/單體（25℃），連續(xù)充電（6 ~ 8）個(gè)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(gè)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。

3 閥控鉛酸蓄電池內(nèi)阻模型研究

阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法，是電池性能研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要手段[10]。

圖3-1是常用的鉛酸電池阻抗的等效電路。

圖1 蓄電池阻抗等效電路

圖1中Lp、Ln為正負(fù)極電感； Rt.p和Rt.n 是電極離子遷移電阻；Cdl.p、Cdl.n是極板雙電層電容； Zw.p、Zw.n為Warburg阻抗，是由離子在電解液和多孔電極中擴(kuò)散速度決定的；RHF是前面提到的歐姆電阻。