后備VRLA電池運行中的測試與自動探測

摘要：討論后備VRLA電池運行中影響性能的因素，并就目前蓄電池人工測試與在線監測的技術加以比較，提出蓄電池維護中以內阻在線監測為主的處理辦法，該辦法以智能化與網絡化為方向，同時關于處理后備蓄電池的監測與維護，探討其標準性的完善。

前言：在現今這個以工業為主的社會中，后備直流電源的使用越來越廣泛了，作為后備直流電源緊要組成部分的蓄電池，其性能狀況的優劣狀態關于保證后備直流電源的正常運行就顯得尤為緊要。在蓄電池家族中，閥控鉛酸電池在直流后備電源中的使用越來越廣泛了。

但隨著免維護蓄電池被廣泛地使用，問題逐漸顯現出來：

大多數免維護蓄電池使用壽命比預計的要短得多；

個別電池失效導致整組電池失效；

蓄電池安裝后，缺乏科學、有效的監測管理手段，對蓄電池的合理使用不能及時作出準確的判斷；

由于使用現場條件限制，很難進行手工測試，并且探測數據分解要運維人員具有很高的專業水準；

類似于證券、銀行等場合不具備定期放電檢查的條件；

電池放電探測的風險很高；

電信、電力行業的無人職守站（所）的日常檢查費用很高；

突發性的電池故障的發現很難保證及時發現；

系統的不和理共況對蓄電池的傷害未能及時發現并解決；

具有電池管理功能的電源設備，如UpS等并沒有真正的起到電池管理者的用途。

有關資料聲明，VRLAB在使用3--4年后，大部份電池包很難通過容量測試，惟有少數能超過6年。在實際使用中，惟有很少用戶定期檢查蓄電池并對蓄電池作定期容量探測，很多情況下是在市電停電后才發現蓄電池放電容量達不到設計要求，甚至有的電池包的容量達不到額定容量的50%還在持續工作。蓄電池的現狀一方面說明蓄電池的質量還有待提高，從設計和加工控制方面還需不斷完善；另一方面，正確、科學地使用電池，增強日常維護和監測管理非常必要，從而及時發現落后電池，為維護與解決供應科學、準確的根據。

這就說明，在蓄電池用戶這里，是急切要能夠實時在線監測閥控鉛酸電池性能狀況的監測設備。

另外，蓄電池在線監測設備的性能和測試方式對蓄電池的管理有很緊要的意義，要怎么樣選用適宜的測試設備筆直關系到蓄電池用戶的安全效益和經濟效益。

本文著重講解閥控鉛酸電池的失效機理、閥控鉛酸電池的使用狀況，當前蓄電池監測的手段及其優、缺點，并基于內阻在線測量，提出針對蓄電池在線監測處理辦法。

1影響蓄電池質量的技術問題和失效模式

閥控鉛酸電池的充放電是一個復雜的電化學反應，引起蓄電池失效的原由很多，知道閥控鉛酸電池的工作原理和失效機理，科學、合理地對閥控鉛酸電池監測與維護，在安全加工和經濟效益上有很緊要的意義。

1.1影響VRLA蓄電池質量的幾個緊要技術問題

1）、電池構成

VRLA電池由正極板、負極板、AGM隔膜、正負匯流條、電解液、安全閥、蓋和殼組成。其中正極板柵厚度和合金成份、AGM隔膜厚度平均性、匯流條合金、電解液量、安全閥開閉壓力和殼蓋材料、電池加工工藝等對電池壽命和容量平均性具有緊要影響。

2）、板柵合金

VRLA電池負板柵合金一般為pb-Ca系列合金，正板柵合金有pb－Ca系列（含pb-Ca-Sn-Al）、pb-Sb（低）系列和純pb等。其中pb-Ca、pb-Sb（低）合金正板柵電池浮充壽命相似，但循環壽命相差較大。關于常常停電地區選用低銻合金電池可靠性好。

3）、板柵厚度

極板的正板柵厚度決定電池的設計壽命。不要期待薄極板具有長壽命，也不要期待pbCa系列合金正板柵電池具有pbSb系列合金那樣的循環壽命。

4）、安全閥

安全閥被認為是VRLA電池的一個關鍵部件，具有濾酸、防爆和單向開放功能，YD／T7991996規定安全開閉壓力范圍為1－49kpa，倘若考慮氧復合效率要，1－49kpa壓力規定是合理的。但是，關于長壽命電池，非得考慮單向密封，戒備空氣進人電池內部，同時戒備內部水蒸氣在較高溫度下跑掉。

5）、AGM隔膜

對電池加工質量有筆直影響的技術指標是隔膜孔隙率和厚度平均性，這兩個指標筆直影響隔膜吸酸飽和度和裝配壓縮比，從而影響電池壽命和容量平均性。

6）、殼蓋材料

VRLA電池殼蓋材料有pp、ABS和pVC，pp材料相對較好。

7）、酸量和化成工藝

分電池化成和槽化成兩種，電池化成可以定量注酸并記錄每個電池單體化成全過程數據，能準確判斷每個出廠電池綜合加工質量狀況，但化成時間較長。槽化成是對極板化成，化成時間短，極板化成較充足，但對電池包裝質量不能通過化成過程數據記錄判斷。

8）、涂板工藝

涂板工藝要保證極板厚度和每片極板活性物質的平均性。

9）、密封技術

VRLA電池密封技術包括極柱密封、殼蓋材料透水性、殼蓋密封和安全閥密封。

10）、氧復合效率

AGM電池具有良好的氧復合效率，貧液狀態下按有關標準探測氧復合效率一般大于98％，因此具有良好的免維護性能；開口式電池氧復合效率＜10%，要常常加酸、加水維護。

1.2影響蓄電池壽命的環境因素

（1）、環境溫度

蓄電池正常運行的溫度是20～40℃，最佳運行溫度是25℃。當溫度每升高5℃，蓄電池的使用壽命降低10%。

（2）、環境濕度

蓄電池的運行濕度應當在5～95%（不結露）之間，環境濕度過高，會在蓄電池表面結露，容易出現短路；環境濕度過低，容易出現靜電。

（3）、灰塵

灰塵過多，容易使蓄電池短路，安全閥堵塞失效。

1.3VRLA蓄電池失效模式

1）、電池失水

鉛酸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，使電池的活性物質減少，從而使電池的容量降低而失效。

鉛酸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境，另一方面電解液中水份減少，非得隔一段時間進行補加水維護。閥控式鉛酸電池就是為克服這些缺點而研制的產品，其產品特點為：采用密封式閥控濾酸結構，使酸霧不能逸出，達到安全、保護環境的目的。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氣體逸出；充電電壓在2.35V／單體（25℃）以下應無氣體逸出；放電期間內應無氣體逸出。但當充電電壓超過2.35V／單體時就有可能使氣體逸出。因為此時電池體內短時間出現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，排出的氣體雖然經過濾酸墊濾掉了酸霧，但畢竟使電池損失了氣體（也就是失水），所以閥控式密封鉛酸電池對充電電壓的要求是非常嚴格的，不能過充電。

2）、負極板硫酸化

電池負極柵板的緊要活性物質是海棉狀鉛，電池充電時負極柵板發生如下化學反應

pbSO4+2e=pb+SO4-

正極上發生氧化反應：

pbSO4+2H2O=pbO2+4H++SO4-+2e

放電過程發生的化學反應是這一反應的逆反應，當閥控式密封鉛酸電池的荷電不足時，在電池的正負極柵板上就有pbSO4存在，pbSO4長期存在會失去活性，不能再參與化學反應，這一現象稱為活性物質的硫酸化，硫酸化使電池的活性物質減少，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。

為戒備硫酸化的形成，電池非得常常保持在充分電的狀態。

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，戒備極板腐蝕非得留意戒備電池失水現象發生。

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生一種累積性的加強用途，并逐步損壞蓄電池。從目前國內蓄電池使用的狀況調查來看，熱失控是蓄電池失效的緊要原由之一。造成熱失控的根本原由是：

一般富液型鉛酸電池由于在正負極板間洋溢了液體，無間隙，所以在充電過程中正極出現的氧氣不能到達負極，從而負極未去極化，較易出現氫氣，隨同氧氣逸出電池。

因為不能通過失水的方式散發熱量，VRLA電池過充電過程中出現的熱量多于富液型鉛酸電池。

浮充電壓應合理選擇。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緊要的因素。一般情況下，浮充電壓定為2.23~2.25V/單體（25℃）比較適宜。倘若不按此浮充范圍工作，而是采用2.35V／單體（25℃），則繼續充電4個月就可能出現熱失控；或者采2.30V/單體（25℃），繼續充電6~8個月就可能出現熱失控；要是采用2.28V/單體（25℃），則繼續12~18個月就會出現嚴重的容量下降，進而導致熱失控。熱失控的筆直后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，嚴重的還會引起極板形變，最后失效。

2鉛酸電池在后備電源運行中的問題

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，與充電裝置的輸出并聯，一旦市電中斷，蓄電池立即開始放電。與循環深度放電使用情況相比，由于蓄電池長期處于浮充狀態，即使偶然放電，因放電深度與市電中斷時間有關，因此很難獲得蓄電池的保有容量。在電池運行過程中測試蓄電池的劣化程度（SOH-Stateofhealth）是用戶最為關心的問題，也是后備方式使用蓄電池的最大難題之一。

目前后備蓄電池運行中存在的隱患：

1）蓄電池壽命無法達到設計要求

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電池在浮充下的使用壽命可以達到10年以上。但在實際中，蓄電池往往在三年時就出現嚴重劣化，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，個別蓄電池廠家夸大蓄電池的使用壽命；其二，在使用中關于蓄電池的管理以及維護，沒有有效、合理地進行，造成蓄電池在早期就出現劣化，并且沒有及時發現落后電池，致使劣化積累、加劇，導致蓄電池過早報廢。

2）關于蓄電池的運行情況、性能狀況不明

由于沒有良好的手段以及管理，蓄電池的使用者關于蓄電池的運行情況缺乏足夠的知道，特別是關于蓄電池歷史數據的整理以及分解。

關于蓄電池內部性能參數，如蓄電池的內阻、當前的剩余容量，無法十分清楚地知道。因為蓄電池包中倘若有落后的蓄電池，可以通過一定深度的放電、充電循環，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法執行。

3）關于單體電池而言，充電機制可靠性要完善

由于目前國內的直流系統的充電機制不是非常的完善，在實際中存在電壓漂移的情況，為此蓄電池長期處于浮沖狀態，倘若浮沖電壓偏離正常的范圍，就會造成蓄電池的過充或欠充，長期的過充或欠充關于蓄電池的性能影響非常大。

4）單體電池之間不均衡

目前蓄電池包往往有數量很多的單體電池包成（如190只、108只、35只等），在實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。

出現單體電池不平衡是一方面由于蓄電池在出廠配組中，沒有進行一致性能的嚴格考核，在許多運行場合，新電池采購后，蓄電池在運行前就帶著問題投入運行。另一方面目前蓄電池的充電機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。

因為出現個別落后電池充電不完全，倘若沒有及時發現、或沒有解決，這種落后就會加劇。如此反復，這種不均衡就加重，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）無人值守站點的維護工作缺乏良好的管理監測手段

關于許多無人值守的站點，由于沒有網絡管理監測的手段，關于蓄電池的維護更加薄弱，特別是關于蓄電池的運行情況以及性能狀況，沒有清楚的知道。大量的維護與管理工作由人工進行，同時關于維護人員有較強的專業知識要求，以便關于數據進行整理與分解。

6）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的根據

我們關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。但目前關于蓄電池的壽命的終止，沒有一個可靠的手段，僅僅依據多年的相關經驗來進行。所以在實際中，往往是蓄電池放電的容量低于最低要求后，才在放電中發現蓄電池的壽命終止。

3目前蓄電池人工測試與在線監測現狀

目前在蓄電池監測與維護方面存在很多不足，其中各個部門、單位的監測與維護的手段不一，技術水平參差不齊，大體可以分為以按照測試與監測進行分類：

定期或不定期維護用設備-------測試設備

實時在線監測的儀器-------------監測設備

3.1人工測試辦法與設備

目前很多后備蓄電池的使用部門，依然延續定期或不定期人工測試維護的辦法來完成蓄電池維護的工作。測試的辦法與儀器設備有以下幾類：

放電探測

放電探測要恒流負載、容量探測儀等專用設備，按照蓄電池廠家要求，對蓄電池進行定期的放電探測，通過容量的計算來考察蓄電池的健康程度。目前相當多的用戶依然采用。恒流負載是實現放電容量探測的關鍵設備，用其完成放電的恒流設定，通過人工數據的測量與記錄，計算蓄電池的容量；但由于人工測量與記錄的諸多不便，而后出現了容量探測儀，即將大部分的人工完成的工作由裝置自動完成。定期的放電探測可以發現蓄電池中問題，但要提前加以準備：

非得將蓄電池與直流系統斷開（無法在線進行），同時由于放電探測的時間較長（約莫20小時），為此需作好充足準備，戒備在放電過程中出現直流系統的停電情況出現，從而造成損失。

非得完成深度放電，才能發現容量下降的電池。

放電中監測每只電池的情況，戒備容量小的電池過度放電而損壞。

由于放電探測費時費力，不能常常進行，約莫每一年進行一次即可。

電導測量

這是在考慮到日常工作中無法測量蓄電池的健康程度而開發的便攜式裝置。即用電導儀定期測量蓄電池包中各個電池的電導，并通過相似幾次電導的比較，分解蓄電池失效的趨勢，今朝許多用戶大都采用該辦法。但是該辦法存在以下幾點不足：

由于是人工完成（尤其是夾具），重復性不好；

由于各廠家的詳盡實現的技術特點不同，有交流法、直流法的差別，其測量的準確度與抗干擾性相差較大，所以各個廠家不同儀器測量的數據無法比較；

即使交流法雖然可以在線測量，但由于是定期測量，不能實實際時在線測量。

放電探測與電導探測混合使用

由于以上的辦法都存在各自的不足之處，所以目前有不少用戶將以上兩種辦法混合使用，但無論如何，這樣的辦法始終是被動的、非實時、非在線的，只能是測試手段而已，沒有沖破原來的測試限制。

3.2在線監測的辦法與裝置

一些緊要的部門，由于沒有檢修時間的安排，亦或由于空間的限制，無法進行以上的測試，這出現了蓄電池實時在線監測-----巡檢。目前市場上有關巡檢裝置有兩類：單電池電壓監測，單電池內阻監測與分解。

電壓巡檢是以電池包中單電池電壓為監測核心，輔以電池浮充電流、電池環境溫度等，使這些參數始終保持在正常的數值范圍內，一旦出現異常，監測就會報警。可以說這些參數正常與否是保證蓄電池運行的關鍵，為此電壓巡檢在目前的電力系統使用較為普遍，同時由于技術難度不是很大，目前很多的直流電源的加工廠家都可以加工電壓型的巡檢裝置（又分為繼電器式、全電子式兩種）。

電壓型巡檢裝置是比以往的人工測試較為可靠、準確，是蓄電池監測的第一代產品，但雖然電壓巡檢可以處理往日較為困難的問題，它依然是從一個單一的方面監測蓄電池，即只能監測蓄電池的運行參數，關于用戶十分關心的蓄電池健康度問題沒有很好的處理，這樣就在實際使用中帶來諸多影響，例如新電池在投運時從電壓巡檢的角度看新電池沒有差別，但利用其他辦法測量就會發現一組蓄電池中電池之間的分明差異；在蓄電池運行一段時間后，進行蓄電池放電探測，發現已經有一些蓄電池的容量下降較為分明，但此前電壓巡檢卻無法發現。其實出現以上情況是正常的，因為電池電壓、電流、環境溫度這些參數只是蓄電池能否正常運行的前提條件，或者只是蓄電池運行參數，因為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，其浮充電壓的差別不足以用來判斷電池是不是因因容量降低而失效。至于蓄電池的健康度等用戶十分關心的問題，不是電壓巡檢所能夠處理的（在實際中電壓巡檢也可以發現落后電池，但此時往往是蓄電池早已進入壽命后期；倘若試圖用電壓巡檢發現蓄電池健康問題，那么電壓巡檢所供應的信息是滯后的），為此要怎么樣提前發現落后電池、或提前預報蓄電池失效趨勢，是眾多后備蓄電池用戶最為關注的。

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