后備VRLA電池運行中的問(wèn)題及監測解決方案

1　鉛酸蓄電池在后備電源運行中的問(wèn)題以及產(chǎn)生的原因

　　隨著(zhù)蓄電池的廣泛應用，特別是備用電源中的應用，由于VRLA蓄電池的運行要求比較嚴格，電池在偏離了正確的使用條件下運行會(huì )影響電池使用壽命，甚至造成嚴重的后果，因此，鉛酸蓄電池的監測十分重要。采用備用電池的場(chǎng)所一般都是非常重要的部門(mén)，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，就可能造成系統停機，導致巨大的損失，及時(shí)發(fā)現電池容量下降并處理電池失效，對于VRLAB用戶(hù)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(shí)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(kāi)始放電。與深度循環(huán)放電的蓄電池相比，由于后備電池長(cháng)期處于浮充狀態(tài)，即使偶然放電，因放電深度較?。ㄅc市電中斷時(shí)間有關(guān)），因此很難獲得蓄電池的準確保有容量。而在電池運行過(guò)程中（在線(xiàn)測量）檢測蓄電池的劣化程度（SOH-State of health）是用戶(hù)最為關(guān)心的問(wèn)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行中存在的隱患：

　　1）蓄電池壽命無(wú)法達到設計要求
　
　　目前我們使用的蓄電池都存在這樣的問(wèn)題：在蓄電池安裝時(shí)，蓄電池的廠(chǎng)家都稱(chēng)閥控鉛酸蓄電池在浮充下的使用壽命可以達到10年以上，但在實(shí)際中，蓄電池往往在三年時(shí)就出現嚴重劣化，使用超過(guò)5年的蓄電池更是少之又少。這其中存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，其一，在使用中對于蓄電池的管理以及維護，沒(méi)有有效、合理地進(jìn)行，造成蓄電池在早期就出現劣化，并且因為沒(méi)有及時(shí)發(fā)現落后電池，致使蓄電池劣化積累、加劇，導致蓄電池組的過(guò)早報廢。其二，個(gè)別蓄電池廠(chǎng)家夸大蓄電池的使用壽命。

　　2）對于蓄電池的運行情況、性能狀況不明

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

　　對于蓄電池內部性能參數，如蓄電池的內阻、當前的剩余容量，無(wú)法十分清楚地了解。因為蓄電池組中如果有落后的蓄電池，可以通過(guò)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，所以相應的措施就無(wú)法實(shí)施。

　　3）對于單體電池而言，充電機制可靠性需要加強

　　由于目前國內的直流系統的充電機制不是非常的完善，在實(shí)際中存在電壓漂移的情況，而蓄電池長(cháng)期處于浮沖狀態(tài)，如果浮沖電壓偏離正常的范圍，就會(huì )造成蓄電池的過(guò)充或欠充，長(cháng)期的過(guò)充或欠充就會(huì )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量很多的單體電池組成（如190只、108只、35只等），在實(shí)際運行中存在單體電池之間充電電壓、或內阻等差異較大的情況，特別是在浮充下，這種不均衡現象顯得非常嚴重。

　　出現單體電池不均衡是一方面由于蓄電池在出廠(chǎng)配組中，沒(méi)有進(jìn)行一致性能的嚴格考核，在許多運行場(chǎng)合，新電池采購后，對于蓄電池的檢驗，用戶(hù)又缺乏嚴格的檢測手段進(jìn)行蓄電池的初檢，因此蓄電池在運行前就帶著(zhù)問(wèn)題投入運行。另一方面目前蓄電池的充電機制不但無(wú)法消除單體電池的一致性問(wèn)題，并且會(huì )加劇單體電池的不均衡。因為出現個(gè)別落后電池充電不完全，如果及時(shí)發(fā)現、處理，可以減少這種落后的差異，但實(shí)際中往往不能及時(shí)發(fā)現處理，因此不均衡就會(huì )累計、加劇。如此反復，致使落后電池失效，從而引起整組蓄電池的容量過(guò)早喪失。

　　5）蓄電池浮充下缺乏溫度補償

　　由于蓄電池的工作環(huán)境比較復雜，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(huì )增加10%，蓄電池失水將會(huì )增加 1.5%。所以各個(gè)廠(chǎng)家都在產(chǎn)品的說(shuō)明書(shū)上寫(xiě)明：根據環(huán)境溫度，對于浮沖電壓進(jìn)行相應的補償，補償系數大約在3-5mv/℃。但在實(shí)際中能夠作到溫度補償的很少，這是許多蓄電池無(wú)法達到設計壽命的重要原因之一。

　　6）無(wú)人值守站點(diǎn)的維護工作缺乏良好的管理監測手段

　　對于許多無(wú)人值守的站點(diǎn)，由于沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )管理監測的手段，對于蓄電池的維護更加薄弱，特別是對于蓄電池的運行情況以及性能狀況，沒(méi)有清楚的了解。大量的維護與管理工作由人工進(jìn)行，同時(shí)對于維護人員有較強的專(zhuān)業(yè)知識要求，以便對于數據進(jìn)行準確、科學(xué)的整理與分析。

　　7）蓄電池管理維護的理念需要改進(jìn)

　　目前在很多蓄電池的維護人員，受到蓄電池廠(chǎng)家的誤導，認為“免維護”就是不需維護，其實(shí)恰恰相反，“免維護”僅僅是不需要定期對蓄電池進(jìn)行加水，由于采用負極吸收的辦法，以及安全閥的設計，減少了蓄電池的失水。但同時(shí)對于蓄電池也無(wú)法象以往開(kāi)口式蓄電池那樣，通過(guò)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”鉛酸蓄電池應該將以往的維護觀(guān)念以及手段加以更新、提高，以適應新技術(shù)帶來(lái)的管理監測水平的要求。

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

　　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(yíng)得時(shí)間的提前量。但目前對于蓄電池的壽命的終止，沒(méi)有一個(gè)可靠的手段，僅僅根據多年的經(jīng)驗來(lái)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)現蓄電池的壽命終止。


2　內阻與蓄電池性能的關(guān)系

　　蓄電池失效模式最為常見(jiàn)的是：蓄電池失水、負極硫酸化、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(huì )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(diǎn)就是充電時(shí)水的電解。當充電達到一定電壓時(shí)（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(shí)間進(jìn)行補加水維護。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(guò)電位。即普通蓄電池板柵合金在2.30V／單體（25℃）以上時(shí)釋放氣體。采用優(yōu)質(zhì)多元合金后，在2.35V/單體（25℃）以上時(shí)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，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(jìn)一步化合成水的過(guò)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計，即使電池傾倒，也無(wú)電解液溢出。

　?。?）采用密封式閥控濾酸結構，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(guò)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(chēng)為免維電池的由來(lái)。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：電池在存放期間內應無(wú)氣體逸出；充電電壓在2.35V／單體（25℃）以下應無(wú)氣體逸出；放電期間內應無(wú)氣體逸出。但當充電電壓超過(guò)2.35V／單體時(shí)就有可能使氣體逸出。因為此時(shí)電池體內短時(shí)間產(chǎn)生了大量氣體來(lái)不及被負極吸收，壓力超過(guò)某個(gè)值時(shí)，便開(kāi)始通過(guò)單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過(guò)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，不能過(guò)充電。

　　

但在實(shí)際中，蓄電池的過(guò)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(wú)法徹底消除，因此出現個(gè)別電池過(guò)充是較為普遍的，這樣就因排氣閥的頻繁開(kāi)啟會(huì )引起電池失水。而蓄電池電解液在設計中，一般采用電導較高（即內阻較低）的濃度范圍電解液，見(jiàn)圖一：

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

　　2、負極硫酸化

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

　　　　　　　　　　　　　 PbSO4 + 2e　 =　Pb + SO4-

　　放電過(guò)程發(fā)生的化學(xué)反應是這一反應的逆反應，當閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時(shí)，在電池的負極上就有PbSO4 存在，PbSO4 長(cháng)期的存在會(huì )失去活性，不能再參與化學(xué)反應，這一現象稱(chēng)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(huì )使電池失效。

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

　　但目前后備蓄電池的充電機制（長(cháng)期浮充），無(wú)法徹底實(shí)現蓄電池組中各個(gè)單體電池的充電均一性，因此出現個(gè)別電池過(guò)放、欠充的現象是無(wú)法徹底避免，長(cháng)期的這種情況出現負極硫酸鹽化是必然的，而且目前的使用場(chǎng)合，不能按照常規進(jìn)行核對性的放電，負極硫酸鹽化無(wú)法及時(shí)消除，并且累加，這樣在負極多孔電極表面形成一層硫酸鹽層。從而使負極極板孔隙率大大減少，而反應過(guò)程中電解液只能通過(guò)鹽層小孔隙達到電極表面，使電化學(xué)反應面積減少，電流密度增大，負極的電極電位向正方向偏移，電極反應效率降低，導致蓄電池輸出容量降低。

　　而相比較活性物質(zhì)，負極的硫酸鹽顆粒較大，幾乎不溶解，其電導比負極活性物質(zhì)低1~2個(gè)數量級，阻抗如此高的不溶解硫酸鹽，對于蓄電池內阻影響是很大的。這也是目前蓄電池運行中較為常見(jiàn)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(wú)法消除的，因為板柵的合金成份與活性物質(zhì)不同，而活性物質(zhì)是直接附著(zhù)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，正極板柵比負極板柵厚，以此補償正極腐蝕。

　　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(wèn)題，特別是當活性物質(zhì)中含有大量的β-PbO2時(shí)，由于β-PbO2的粘接力較差，造成活性物質(zhì)的脫落。

　　同時(shí)板柵的腐蝕也是造成板柵變形的重要原因。因為板柵腐蝕產(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，嚴重影響蓄電池的輸出容量。這是目前鉛酸蓄電池運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過(guò)程中電荷轉移的阻抗，為此可以通過(guò)測量蓄電池內阻的變化，對正極板腐蝕進(jìn)行有效地觀(guān)察。

　　4、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(mǎn)了液體，無(wú)間隙，所以在充電過(guò)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(guò)失水的方式散發(fā)熱量，VRLA電池過(guò)充電過(guò)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(huì )增加一倍，由此增加了反應產(chǎn)生的熱量，并提高了蓄電池的反應溫度，因此形成一個(gè)惡性循環(huán)。

　　為此在使用中浮充電壓應合理選擇。浮充電壓是蓄電池長(cháng)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(wú)法避免個(gè)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℃），則連續充電4個(gè)月就可能出現熱失控；或者采 2.30V/單體（25℃），連續充電6 ~ 8個(gè)月就可能出現熱失控；要是采用2.28V/單體（25℃），則連續12 ~ 18個(gè)月就會(huì )出現嚴重的容量下降，進(jìn)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。

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

　　由于VRLA蓄電池的運行要求比較嚴格，蓄電池在偏離了正確的使用條件下運行，將造成嚴重的后果，由此可見(jiàn)鉛酸電池的運行參數監測的重要性。

　　通過(guò)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，并且都可以在內阻的變化上得到反映，并且目前還沒(méi)有發(fā)現一只蓄電池性能喪失，而其內阻沒(méi)有變化的實(shí)例。這就為我們提供了一個(gè)監測蓄電池性能狀況的便捷途徑：即連續監測蓄電池的運行參數（單電池電壓、充放電電流、溫度）以及內阻的變化，對于蓄電池進(jìn)行全監測，通過(guò)蓄電池失效早期的特征，及時(shí)發(fā)現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(shí)有效的處理，就可以防止蓄電池劣化加劇，延長(cháng)蓄電池的使用壽命。


3　蓄電池檢測、監測技術(shù)

　　采用備用電池的場(chǎng)所都是十分重要的部門(mén)，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，就可能造成系統停機，導致巨大的損失，因此及時(shí)發(fā)現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、溫度和單電池內阻。

　　電池組電壓測量可以發(fā)現充電機的參數設置是否正確。由于蓄電池是串聯(lián)運行，整組電池的電壓由充電機的輸出來(lái)決定，充電機的正確工作并不能保證每個(gè)單電池的工作狀態(tài)正常。單電池電壓監測可以發(fā)現單電池浮充電壓不正確，以及單電池是否過(guò)充電、過(guò)放電等情況。

　　電池內阻能夠反映蓄電池的容量下降和電池老化。不同廠(chǎng)家的內阻測試儀的準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，其讀數值也會(huì )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(xiàn)監測

　　蓄電池在線(xiàn)監測管理是針對測量電池的運行條件和檢測電池本身的狀況而設計的，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：①整組監測、②單電池電壓監測、③單電池內阻監測與分析。

　　1、整組監測

　　整組電池監測功能一般設計在整流電源內，測量電池組的電壓，電流和溫度，進(jìn)行充電和放電管理，尤其是根據環(huán)境溫度變化調整電池的浮充電壓，在電池放電時(shí)電池組電壓低至某下限時(shí)報警。