閥控密封式鉛酸蓄電池監測技術(shù)探討

1 前言

本文所探討的蓄電池是作為后備電源使用的，平時(shí)處于充電狀態(tài)，與充電裝置的輸出并聯(lián)，一旦市電中斷，蓄電池立即開(kāi)始放電。與循環(huán)深度放電使用情況相比，由于蓄電池長(cháng)期處于浮充狀態(tài)，即使偶然放電，因放電深度與市電中斷時(shí)間有關(guān)，因此很難獲得蓄電池的保有容量。在電池運行過(guò)程中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，也是后備方式使用蓄電池的最大難題之一。

目前，主要有7個(gè)方面的蓄電池檢測/監測技術(shù)研究?jì)热荩?/p>

（1）以檢測浮充數據為主的被動(dòng)方法；

（2）傳統的深度放電測試；

（3）新的部分放電測試技術(shù)；

（4）放電狀態(tài)剩余電量（SOC-State of charge）估計；

（5) 蓄電池阻抗檢測和分析；

（6）智能電池技術(shù)；

（7）蓄電池壽命預測的研究。

2 放電剩余電量計算

大多數使用VRLA的場(chǎng)合都需要在放電過(guò)程中得知剩余電量信息，此信息可能用百分比或剩余工作時(shí)間等方式表示。在蓄電池電量耗盡前需要完成某些操作，關(guān)停設備或啟動(dòng)其它發(fā)電設備。完全充電后的VRLA的放電剩余電量與電池的劣化程度有關(guān)，還與放電的電源大小、溫度相關(guān)，尤其是在高倍率下。

與SOC相關(guān)的研究主要集中在電動(dòng)汽車(chē)（EV-Electrical Vehicle）的“油料表”（Gauge），它必 須準確指示剩余電量，以便及時(shí)充電，而EV的變電流使用方式和剎車(chē)電量回授的影響使得SOC的計算更為復雜。

目前的SOC計算方法有以下幾種。

（1） 電壓—電量對應

世界最大的電池電量?jì)x表制造商CURTIS公司的產(chǎn)品，部分使用電壓—電量對應方法。

（2） 安時(shí)積分法

針對電動(dòng)汽車(chē)的電池使用特點(diǎn)，研究了計算補償系數的電量計量方法。

（3） Peukert定律

一種計算在不同電流和溫度下放電容量的方法，其系數的確定較為困難。對于劣化到一定程度的電池，該定律是否仍然有效，目前還沒(méi)有相關(guān)證實(shí)。

（4） 阻抗分析

Kenneth Bundy等人進(jìn)行了通過(guò)阻抗譜數據的分析預測鎳氫(Ni/MH)電池的SOC，獲得了最大誤差為7%的預測效果；Alvin J.Salkind等采用模糊邏輯算法，分析3個(gè)不同頻點(diǎn)的阻抗虛部預測Li/SO2和Ni/MH電池的SOC亦獲得5%的準確度。

（5） 復合技術(shù)

部分研究是采用以上幾種方法的復合。

由于備用方式與循環(huán)深度放電使用方式存在本質(zhì)的區別，如何計算備用方式的SOC受劣化程度的影響仍是目前的難題。

3 深度放電測試

深度放電測試被公認為最可靠的后備電池性能測試方法。

在許多的場(chǎng)合，為了確保電源系統的可靠性，定期對蓄電池部分放電檢查電池的連接和性能，或者深度放電檢驗電池的保有容量。放電測試存在局限性、風(fēng)險大，需要人工參與，而且對電池壽命影響很大。電力的有關(guān)規程要求對蓄電池定期進(jìn)行容量核對性放電，但在實(shí)際執行中，大部分仍然只作30%—50%的放電。部分UPS設計有自動(dòng)放電功能，即按一定周期啟動(dòng)測試功能，由于放電的深度一般都很小，而且放電過(guò)程只測量了整組電池的電壓，單個(gè)電池的劣化還是不能及時(shí)發(fā)現。

4 浮充數據監測與分析

浮充數據監測主要有以下內容。

（1）電池組電壓檢測

浮充電壓作為VRLA電池運行的最主要條件，是檢測的首要參數。檢測的主要目的是使電池處于合理的浮充電壓下。電池組電壓測量，可以發(fā)現充電機的參數設置是否正確。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，在電池放電時(shí)電池組電壓低至某下限時(shí)報警。大部分產(chǎn)品可以根據環(huán)境溫度變化調整電池的浮充電壓，

（2）單電池電壓檢測

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。單電池電壓監測裝置可以測量電池組中每個(gè)單電池的浮充電壓，判斷單電池是否充滿(mǎn)或者被過(guò)充電、欠充、過(guò)放電等情況。根據有關(guān)研究，電池的開(kāi)路電壓可以在一定程度上反應電池的SOC和SOH，但浮充電壓的高低與蓄電池的保有容量和劣化程度的關(guān)系尚不明確。

（3）浮充電壓匹配程度檢測

由于一組電池中單電池的老化程度不一樣會(huì )影響到浮充電壓的均衡性?；谀撤N統計規律，中點(diǎn)電壓（MPV--Midpoint Voltage）方法作為一種簡(jiǎn)單廉價(jià)的檢測方法曾被討論和測試。

（4）浮充電流

這是從電池本身的角度探討浮充電流的變化情況，電池的不同劣化程度會(huì )影響到浮充電流。對于一組電池，因為電池是串聯(lián)運行，可接受的浮充電流差異會(huì )體現在電池的電壓上。并且，浮充電流的測量是很困難或是成本較高的方法，現實(shí)中很少應用，有些檢測裝置的浮充電流數據的可靠程度不高，也很難進(jìn)一步處理。

1996年我國原郵電部發(fā)布了《通信電源和空調集中監控系統技術(shù)要求》的標準，目的在于規范監測產(chǎn)品和技術(shù)。標準中明確要求監測到每一個(gè)單電池。目前，電信部門(mén)使用的產(chǎn)品大多都是依據該標準設計/生產(chǎn)的。制定標準后，電信運維部門(mén)期望監測設備能夠起到重要作用，而實(shí)際情況是，在浮充狀態(tài)，監測設備只能發(fā)現極個(gè)別性能很差、浮充電壓超常的電池。對于浮充電壓的小幅值差異監控系統并沒(méi)有區別和處理的依據，也就是對于電池性能變壞、電池容量已經(jīng)大幅下降，這時(shí)如果電池浮充電壓變化不明顯，監控系統不會(huì )發(fā)出警報，而只是當放電時(shí)發(fā)現某電池的放電電壓（或曲線(xiàn)）異常才有警告，但一般為時(shí)已晚。

5 放電分析新技術(shù)

在對每個(gè)單電池進(jìn)行電壓檢測的前提下，對電池組進(jìn)行放電是一種有效的測量方法。電池是一個(gè)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統，將電池放電至其下限電壓，或稱(chēng)完全放電是測試電池性能的最可靠方法。在此基礎上，人們期望通過(guò)部分放電來(lái)預測完全放電的數據。

目前，有針對三種不同測量方法的部分放電方式。

（1） 瞬時(shí)放電，以測量電池的直流內阻，根據內阻數據分析電池的劣化程度（SOH）。研究人員對不同荷電狀態(tài)和不同劣化程度的電池，進(jìn)行了直流內阻的測試和分析，并對柵板腐蝕和失水兩種不同劣化模式的差別進(jìn)行了研究。

（2） 短時(shí)放電，根據短時(shí)放電的數據預測電池保有容量，在測量的放電電流下，不同劣化程度的電池放電輸出電壓的幅值會(huì )有差別，通過(guò)計算其偏差估計電池的SOH。從理論上講，放電的深度越大，估計的誤差越小。

（3） 短時(shí)放電，根據放電過(guò)程的電壓跌落Coup de Fouet過(guò)程分析電池的SOH。VRLA電池由滿(mǎn)充電狀態(tài)轉入放電以后，出現一段短時(shí)間的電壓跌落，然后回升到放電平臺電壓。

6 阻抗測量與分析技術(shù)

阻抗測量是具有豐富實(shí)質(zhì)意義同時(shí)又是最具爭議的檢測方法之一。對單電池進(jìn)行內阻檢測的監測，是電池監測技術(shù)的質(zhì)變，即由被動(dòng)監測電壓到主動(dòng)測試電池內部狀態(tài)。

得出的結論是：

⑴ SOC和SOH確實(shí)影響電池內阻；

⑵ 環(huán)境溫度亦影響內阻，尤其是低頻下電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程受擴散影響；

⑶ 因為溫度影響阻抗，在現場(chǎng)測試時(shí)應該使用較高頻率（10Hz—100Hz），這樣可以減少溫度的影響；

⑷ 鉛酸電池的內阻變化幅度可大到100%，而鎳鎘電池只有10%的變化；

⑸ 大容量電池的內阻非常小，測量比較困難；

⑹ 不管內阻測試是否能反映電池狀態(tài)，測試儀器的標準和測量步驟應該明確；

⑺ 用內阻技術(shù)發(fā)現有問(wèn)題的電池后，仍需要進(jìn)一步測試；

⑻ 不能直接用內阻數據反應SOC，因為SOH對阻抗影響很大。

在線(xiàn)內阻測試技術(shù)難度大，內阻準確度和抗干擾能力差別也很大。由于電池的內阻很小，放電時(shí)的電壓變化幅值很小，需要較大的放電電流，所以放電測量方法的精度一般也很難提高。

7 壽命預測技術(shù)

蓄電池的設計使用壽命是根據其電極腐蝕速度計算得到的。蓄電池的實(shí)際工作壽命與使用條件的關(guān)系密切，主要因素是充電方式、浮充電壓、使用溫度、放電深度和次數。

壽命研究一般是針對實(shí)驗室的加速壽命測試進(jìn)行分析，對于現場(chǎng)的電池壽命預測研究較少。

IEEE Std 1188-1996中推薦的固定使用的備用電池更換標準為電池容量下降到80%。雖然電池在該時(shí)刻仍能提供相當高的容量輸出，但電池劣化速度加快，應該及時(shí)更換，以保證電源系統的安全性。從經(jīng)濟角度考慮，提前更換需要更多的經(jīng)費。

在YD/T799-1996中規定采用過(guò)充電測試電池的壽命，即蓄電池在規定電流（0.2C10）過(guò)充電狀態(tài)下，年平均室溫在15℃～25℃之間，每月按1h率放電1次，當其容量不大于80%時(shí)試驗結束。2V系列閥控式鉛酸蓄電池試驗天數在240天以上，折合壽命為7年～9年。6V以上系列閥控式鉛酸蓄電池試驗天數在180天以上，折合壽命為5年～7年。該加速壽命的測試方法與電解電容的高溫測試不同。

備用方式使用的VRLA一般工作在較為穩定的環(huán)境。因此，根據其衰變信息來(lái)預測電池的壽命也取得了一些研究成果。通過(guò)加速壽命試驗可測得電池的衰變規律。在實(shí)際應用中，壽命預測主要用于制訂電池更換計劃。

8 智能電池技術(shù)

智能電池是指在蓄電池上附加有關(guān)智能電路，一般的智能電池包含有測量、保護、計算、存儲和通訊5部分功能。

（1） 測量功能：直接測量充放電流、電壓、溫度，并轉換為數字量。

（2） 保護功能：在電池過(guò)充、過(guò)放、短路時(shí)切斷電池的輸出。

（3） 計算功能：主要進(jìn)行電量的計算，尤其是充滿(mǎn)后放電剩余電量的計算。

（4） 存儲功能：將電池使用過(guò)程的特殊數據存儲。

（5） 通訊動(dòng)能：和充電器/用電負載通訊，提供充電參數和剩余電量信息。

智能電池技術(shù)除了在高檔便攜器具使用外，是電動(dòng)汽車(chē)的重要部分。

目前的智能電池技術(shù)，在蓄電池深度循環(huán)放電使用的場(chǎng)合發(fā)展日趨成熟，尤其是在鋰離子 ( Li-ion ) 電池的應用。因為鋰離子電池的充放電容量效率接近100%，因此，其智能化的技術(shù)相對簡(jiǎn)單。電池深度循環(huán)工作時(shí)，智能技術(shù)可以將充電的電量和上次電池放電的電量作為本次計算的重要數據，這樣，即使在電池使用的整個(gè)壽命期間電池容量出現衰減，智能芯片也可以相對準確地估計放電剩余電量（SOC）。

對于備用電池，由于長(cháng)期處于浮充狀態(tài)，即使處于充滿(mǎn)的狀態(tài)，若在兩次深度放電期間發(fā)生劣化，其保有容量就很難估計。因此，目前的智能電池技術(shù)，還不能完全直接應用在備用VRLA蓄電池來(lái)處理SOH和SOC。

9 結論

由于VRLA電池本身的復雜性，到目前尚沒(méi)有一套完整的理論解釋電池的劣化和失效行為，試圖通過(guò)建立簡(jiǎn)單模型或對某一方面數據進(jìn)行測試分析，來(lái)在線(xiàn)檢測電池的各種失效模式引起的容量下降是不現實(shí)的。隨著(zhù)VRLA電池在重要場(chǎng)合的普及應用，又迫切需要在線(xiàn)監測電池狀態(tài)，因此，對已有方法進(jìn)行綜合分析，設計更為有效的檢測系統意義重大。

參考文獻

[1] 張紀元. 閥控鉛酸蓄電池的使用和維護，電池，Vol:27,No.6,1997:278—281

[2] 胡信國，毛賢仙. 閥控式密封鉛酸蓄電池的最新進(jìn)展，電源技術(shù)，Vol 24 No 4, pp.230-237,2000

[3] 劉軍賢，楊秀敏.閥控式密封鉛酸蓄電池早期失效問(wèn)題的分析與研究。CIBF，Beijing,1999

[4] 桂長(cháng)清. 密封鉛酸電池電導與容量的關(guān)系，電池，Vol.30,No.2,2000:74—75

[5] 胡信國等. 閥控鉛酸蓄電池內阻研究，電源技術(shù)，Vol.23,No.5,1999:302-303

[6] 肖明廣. 使用方法對閥控式鉛酸蓄電池壽命的影響， 電信技術(shù)，No.6, 1998:38～40

[7] Webb L. Burgess. An analysis of float service life test data of VRLA batteries. J. Power Sources 75 (1998) 28-35

[8] 史鵬飛. 電化學(xué)工藝學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1992：71～75 ■