VRLA蓄電池的正確使用及監(jiān)測

前言

在現(xiàn)今這個以工業(yè)為主的社會中，后備直流電源的應(yīng)用越來越廣泛了，作為后備直流電源重要組成部分的蓄電池，其性能狀況的優(yōu)劣狀態(tài)對于保證后備直流電源的正常運行就顯得尤為重要。在蓄電池家族中，閥控鉛酸蓄電池在直流后備電源中的應(yīng)用越來越廣泛了。

雖然閥控式鉛酸蓄電池在電力操作電源廣泛使用，但由于閥控式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)的特殊性，想盡可能地延長蓄電池的使用壽命，就必須在運行中正確的使用蓄電池，而可靠地檢測蓄電池的性能，并有針對性地對蓄電池進行維護就變得非常迫切了。合理地選擇及使用目前直流電源系統(tǒng)中的蓄電池和電池監(jiān)測模塊，對延長蓄電池的使用壽命及相關(guān)設(shè)備的正常運行有很大的作用，為獲得最大的安全效益和經(jīng)濟效益有著很重要的意義。

一 鉛酸蓄電池的失效機理

鉛酸電池的失效研究對于電源系統(tǒng)的安全運行具有重要的意義，我們對這一問題進行一下概要的討論，以使讀者對這一問題有一個概要的認識。

1.1 電池失水

　　鉛酸蓄電池失水會導致電解液比重增高、導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就是充電時水的電解。當充電達到一定電壓時（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，必須隔一段時間進行補加水維護。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點而研制的產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點為：
　?。?）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極接觸，發(fā)生反應(yīng)，重新生成水，即O₂+ 2Pb→2PbO,PbO + H₂SO₄→H₂O +PbSO₄使負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極鉛吸收，再進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玻璃纖維隔板。其孔率由橡膠隔板的50％提高到90％以上，從而使氧氣易于流通到負極，再化合成水。另外，超細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，即使電池傾倒，也無電解液溢出。
　　（4）采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，使酸霧不能逸出，達到安全、保護環(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加水維護，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。但當充電電壓超過2.35V／單體時就有可能使氣體逸出。因為此時電池體內(nèi)短時間產(chǎn)生了大量氣體來不及被負極吸收，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，但必竟使電池損失了氣體，所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓的要求是非常嚴格的，不能造成過充電。

1.2 負極板硫酸化
　　電池負極柵板的主要活性物質(zhì)是海棉狀鉛，電池充電時負極柵板發(fā)生如下化學反應(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)生的化學反應(yīng)是這一反應(yīng)的逆反應(yīng)，當閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時，在電池的正負極柵板上就有Pb存在，PbSO₄長期存在會失去活性，不能再參與化學反應(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，電池必須經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)。

1.3 正極板腐蝕

　　由于電池失水，造成電解液比重增高，過強的電解液酸性加劇正極板腐蝕，使正極板孔隙率增高，電解液相對變少，極板活性物質(zhì)變少，電池容量變低。防止極板腐蝕必須注意防止電池失水現(xiàn)象發(fā)生。

1.4 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)生的氧氣不能到達負極，從而負極未去極化，較易產(chǎn)生氫氣，隨同氧氣逸出電池。

因為不能通過失水的方式散發(fā)熱量，VRLAB電池過充電過程中產(chǎn)生的熱量多于富液型鉛酸蓄電池。較易發(fā)生熱失控。

　　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。一般情況下，浮充電壓定為2.23V/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個月就會出現(xiàn)熱失控；或者采2.30V/單體（25℃），連續(xù)充電6~8個月就會出現(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)嚴重的容量下降，進而導致熱失控。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。

二 正確使用鉛酸蓄電池

2.1 聯(lián)接

　　不同容量，不同性能，不同新舊，不同廠家的蓄電池不應(yīng)聯(lián)接在一起使用。
　　聯(lián)接時，應(yīng)該使用絕緣性工具，以防意外造成正負極短路。
　　蓄電池與充電器或負載聯(lián)接時，電路開關(guān)要位于斷開位置，蓄電池的正極應(yīng)與充電器或負載的正極聯(lián)接，蓄電池的負極應(yīng)與充電器或負載的負極聯(lián)接。
　　聯(lián)接用的螺母，螺栓，墊圈與聯(lián)接線應(yīng)松緊適度、均勻，應(yīng)避免螺絲松動和過緊。

2.2 充電

　　充電分為初充電，正常充電，均衡充電等幾種。

　　初充電，新電池的首次充電稱為初充電，目的在于使電池在裝配過程中被氧化的極板活性物質(zhì)還原，增加活性物質(zhì)含量，提高電池的放電性能。

　　正常充電，對已經(jīng)放過電的電池進行充電稱為正常充電。

　　浮充電，電池組與電源并聯(lián)連接到負載上，當交流電源正常時，整流器將交流電整流為直流電后，一面給蓄電池充電，一面經(jīng)逆變將直流電重新轉(zhuǎn)換為交流電為負載供電。當交流電源中斷時，蓄電池的直流電立即經(jīng)逆變轉(zhuǎn)換為交流電給負載供電，以保證供電的連續(xù)性。這種蓄電池充電稱為浮充電。

　　均衡充電，電池在使用的過程中，往往會產(chǎn)生比重、容量、電壓等不均衡現(xiàn)象。導致電池組輸出電壓過低，輸出電量過小。為此，對電池組進行過充電，使電池組中的每個單電池都處于充足電狀態(tài)，這一充電過程稱為均衡充電。

　　無論使用那種充電方法，都應(yīng)該注意按照廠家產(chǎn)品說明，控制充電電壓和電流，以防過壓和過流充電導致蓄電池性能下降和壽命縮短。

　　在電源系統(tǒng)中，電池總是在線備用工作的，這樣電池基本處于長期的浮充狀態(tài)中，浮充電壓的選取對電池的長期可靠運行起著至關(guān)重要的作用，正如前面看到的，偏高的浮充電壓會造成電池緩慢失水并發(fā)產(chǎn)生熱失控而使電池失效；偏低的浮充電壓會造成電池長期處于充不飽電的狀態(tài)，使電池發(fā)生硫酸化而導致電池失效。正確的浮充電壓一般應(yīng)選在2.23V/單體.，并應(yīng)隨同電池工作溫度進行相應(yīng)調(diào)整，由于電池生產(chǎn)廠家的不同，這一參數(shù)會有一些差異，應(yīng)嚴格按照廠家提供的參數(shù)選取。下圖是某廠家電池浮充電壓同溫度的關(guān)系曲線。

　　在一個電池組中，電池總是串聯(lián)充電的，由于電池存在個體差異，每個電池的端電壓不會嚴格一致，為保證電池組中每個電池的長期安全運行，必須保證電池組中每個電池的浮充端電壓都處于正確的范圍，均衡充電是經(jīng)常采用的方法，通過適當?shù)倪^充電來保證電池組中落后電池充足電。這一方法由于要對電池組過充電，應(yīng)限制使用，應(yīng)使用單個電池補充充電代替均衡充電，如果必須對電池組進行均衡充電，必須嚴格控制均衡充電電壓。均衡充電的電壓應(yīng)嚴格按照電池生產(chǎn)廠的規(guī)定選取。

2.3 放電
　　放電電流不宜過大，更要避免短路放電。
　　放電時，蓄電池端電壓不要低于終止電壓，以防蓄電池過度放電導致蓄電池性能下降和壽命縮短。
　　放電后，應(yīng)該及時充電。不允許蓄電池在放電狀態(tài)下長時間擱置。

2.4 不允許在蓄電池組中抽取部分電壓另作他用。
　　在電池組中抽取部分電池用電的做法是應(yīng)該嚴格禁止的，這樣做的后果使電池組的均衡性被破壞，長期運行的結(jié)果會造成電池組中部分電池性能變壞。與此類似，采用尾電池的方法是不足取的。

2.5 儲存
　　蓄電池應(yīng)儲存在清潔，通風良好，環(huán)境溫度適宜的庫房內(nèi)；要遠離熱源，避免陽光照射。蓄電池應(yīng)該定期正常充電。

三 電池監(jiān)測對電池安全運行的意義

　　由于鉛酸電池的運行要求比較嚴格，鉛酸電池在偏離了正確的使用條件下運行將造成嚴重的后果，鉛酸電池的運行參數(shù)監(jiān)測變得十分重要的。

　　采用備用電池的場所都是十分重要的部門，失效的電池組起不到電源備份的作用，一旦主電源發(fā)生故障，就會造成系統(tǒng)停機，導致巨大的經(jīng)濟、社會損失，及時發(fā)現(xiàn)并處理電池失效同樣是十分重要的。

　　現(xiàn)有的各種后備電源系統(tǒng)，許多裝有各種不同的監(jiān)測裝置。這些裝置測試電池組的端電壓、電池組電流、電池組運行的環(huán)境參數(shù)，最多具有測試單電池端電壓的功能。

　　一般來說，電池組參數(shù)監(jiān)測屬于電池運行參數(shù)監(jiān)測，運行參數(shù)監(jiān)測對于保證電池的正確運行狀態(tài)是重要的，但不能代替電池參數(shù)監(jiān)測。

　　對電池組的安全運行來說，監(jiān)測到單電池是必須的，由于電池參數(shù)的不均勻性，監(jiān)測電池組的參數(shù)是無法知道單電池的運行狀態(tài)的。

　　眾所周知，電池的端電壓和電池容量是兩個相互獨立的參量，由于電池在浮充運行狀態(tài)下，電池電流很小，單電池的浮充電壓也不能有效地反映電池的參數(shù)。

　　按照我們對電池安全運行的認識，對每只電池內(nèi)阻的監(jiān)測是電池安全運行最重要的保證，沒有這一功能的監(jiān)測系統(tǒng)對電池安全運行的意義不大。

　　對電池每項參數(shù)監(jiān)測的意義下面進行較詳細的討論。

3.1 電池組電壓監(jiān)測

　　電池組電壓監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)電池組浮充電壓不正確、電池組是否被過充電、過放電等事件。

3.2 單電池電壓監(jiān)測

　　單電池電壓監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)單電池浮充電壓不正確，單電池是否被過充電、過放電等事件。另外，監(jiān)測單電池電壓還可以發(fā)現(xiàn)單電池開路、短路等電池失效事件。

3.3 電池內(nèi)阻監(jiān)測

　　單電池內(nèi)阻監(jiān)測是電池監(jiān)測最具革命性意義的進步。

　　眾所周知，鉛酸蓄電池的端電壓并不能反映電池的容量特性，容量嚴重下降的電池，在整組浮充電的電池中，其浮充電壓的區(qū)別不足以用來判斷電池是否因容量降低而失效，一旦電池組進行放電，這些電池因為充電量少，端電壓很快就會跌落，并妨礙電池組的放電性能，這時從電池的端電壓上可以很容易的發(fā)現(xiàn)他們，但是已經(jīng)太晚了，電池組在需要備份電源的時候已經(jīng)起不到備份作用了。

　　利用交流阻抗法、電導法或直流法測量電池的內(nèi)阻已被公認為是一種迅速而又方便的診斷電池狀況的方法。越來越多的研究認為老化電池的內(nèi)阻和放電能力之間存在著一定的關(guān)系。

值得注意的是，由于電解液電阻的變化。電池內(nèi)阻隨溫度下降而迅速增大。因此，在考慮時間對內(nèi)阻的影響時，溫度是一個重要的影響因素。

　　閥控鉛酸電池在設(shè)計上是乏酸的，同鉛活性物質(zhì)相比電解液的安時容量較小，因而放電過程常常受電解液制約。

　　對于任何新電池，電池內(nèi)阻通常不與放電能力成線性關(guān)系。電解液濃度、化成的完全程度（尤其是極板表面）、隔板--極板界面接解面積以及壓力的細微變化都僅對內(nèi)阻產(chǎn)生微小的影響，但可能會對放電過程產(chǎn)生很大的影響。所以新電池的內(nèi)阻和容量都不是一個非常穩(wěn)定的參量。

　　由于正極板柵的腐蝕、電解液水分的喪失，所有鉛酸電池都有一定的使用壽命。在浮充放電使用過程中更為明顯。增加正極板柵的質(zhì)量或減少其腐蝕率都可延長電池的使用壽命。正極板柵是帶正極鉛活性物質(zhì)的導電和支撐骨架，腐蝕加大了正極板柵的電阻。其他設(shè)計參數(shù)，如電解液體積，隔板壓縮程度及成分組成、電池殼的透氣率、通氣孔設(shè)計、涂膏的物理化學參數(shù)和制造參數(shù)都可影響壽命。

　　隨著正極板柵的腐蝕和隔板中電解質(zhì)的耗盡，電池電阻增大而電池容量減少。周期內(nèi)阻測量可跟蹤監(jiān)測這些變化，并且發(fā)現(xiàn)失效電池。在不間斷電源中，由于電池檢查及放電次數(shù)較少，電池容量很可能在兩次測試期間就已降到80%額定容量以下。如果采用內(nèi)阻測試法，可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些問題并改善系統(tǒng)可靠性。

　　電池內(nèi)阻的劇升同電池容量的減少有關(guān)，尤其是在電池壽命未到80%的時候更為明顯。高放電速率下的使用時間似乎對這些因素更為敏感，一般電池內(nèi)阻增加20~25%時就到了壽命期限。在低放電速率下，電池內(nèi)阻一般增加20%-35%后壽命才結(jié)束。

　　也有一些文章認為電池剩余容量并不能由電池內(nèi)阻反映出來，他們認為電池容量下降20%對應(yīng)的電池內(nèi)阻下降并不明顯，當電池的保有容量降到標稱容量的60%時電池內(nèi)阻的變化才可以明確確定。但有一點是得到普遍承認的，那就是電池內(nèi)阻的增高對應(yīng)于電池容量的下降，當電池內(nèi)阻變化可以明確確認的時候，電池應(yīng)保有60%以上的容量，這樣的電池是不能通過電池浮充端電壓測量而發(fā)現(xiàn)的。所以電池內(nèi)阻的實時監(jiān)測比起端電壓監(jiān)測來說所起的作用重要得多的。

3.4 環(huán)境溫度監(jiān)測

　　在使用過程中，溫度和電壓對電池壽命的影響最大。溫度的升高和電壓的浮動都會加速極板的腐蝕和電解液的消耗，從而減少了電池的有效工作時間和壽命。

將溫度傳感器置于電池表面可以發(fā)現(xiàn)電池過熱，從而及時發(fā)現(xiàn)電池運行過程的異常。

3.5 充電電流和放電電流監(jiān)測
　　過大的充電和放電電流會對電池造成嚴重的損害，對這些參數(shù)的監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)這些問題。

3.6 事件管理
所謂事件管理，就是將電池的監(jiān)測數(shù)據(jù)予以歸納和整理，從中發(fā)現(xiàn)電池使用不正確事件和可能失效事件，將這些報警事件通過網(wǎng)絡(luò)傳給關(guān)心這些事件的部門，同時將這些事件存儲保管，以備日后查詢。

四 結(jié)束語

VRLA電池雖然號稱是免維護電池，不正確的電池使用條件可以顯著地對電池造成損害，并使電池的使用壽命縮短，通過監(jiān)測并控制電池組的電流、浮充電壓、使用溫度可以使電池工作在正確的使用狀態(tài)，通過單體電池內(nèi)阻的監(jiān)測可以及時準確地發(fā)現(xiàn)失效電池，并進而提高了使用VRLA電池的系統(tǒng)的使用可靠性。

參考文獻
1.F.J.Syuter，T.M.Cortes,“CONSIDERATIONS FOR A RELIABLE TELECOMMUNICATION POWER SYSTEM AT REMOTE FACILITIES UTILIZING VALVE TEGULATED LEAD-ACID BATTERY MANAGEMENT SYSTEM TECHNOLOGIES”, Proc. INTELEC‘94
2.Dr. Robert S. Robinson ,“On-Line Battery Testing: a Reliable Method for Determining Battery Health?”, Proc. INTELEC‘96
3.Wieland Rusch, Stefan Gobel , Reinhard Lutkeholter,“FLOAT CHARGING OF VALVE REGULATED LEAD ACID BATTERIESGEL TELECOM BATTERIES WITH INTEGRATED MINTTORING”, Proc. INTELEC‘95
4.J.Poulin ,R.Heron,D.Mailloux,“An Expert Management System for VRLA batter in Remote Telecommunications Centers” Proc. INTELEC‘94
5.Joseph M.McAndrews, Richard H.Jones,“A VALVE REGULATED LEAD ACID BATTERY MANAGEMENT SYSTEM(VMS)”Proc. INTELEC‘96
6.張紀元. 閥控密封鉛蓄電池的使用和維護. 電源技術(shù)，1997；12：278