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(jìn)行維護(hù)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(jì)效益有著很重要的意義。

一 鉛酸蓄電池的失效機(jī)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(jìn)行一下概要的討論，以使讀者對這一問題有一個概要的認(rèn)識。

1.1 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。

　　鉛酸蓄電池密封的難點就是充電時水的電解。當(dāng)充電達(dá)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(fù)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(jìn)行補(bǔ)加水維護(hù)。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(fù)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(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。
　?。?）為了讓正極釋放的氧氣盡快流通到負(fù)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(xì)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(fù)極，再化合成水。另外，超細(xì)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(dá)到安全、保護(hù)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(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。

　　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(dāng)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(fù)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?fù)p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(yán)格的，不能造成過充電。

1.2 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，在電池的正負(fù)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(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(dá)負(fù)極，從而負(fù)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(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。

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(fù)極短路。
　　蓄電池與充電器或負(fù)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(fù)載的正極聯(lián)接，蓄電池的負(fù)極應(yīng)與充電器或負(fù)載的負(fù)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(jìn)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(fù)載上，當(dāng)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(fù)載供電。當(dāng)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(fù)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(dǎo)致電池組輸出電壓過低，輸出電量過小。為此，對電池組進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(yán)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(yán)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(dāng)?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(bǔ)充充電代替均衡充電，如果必須對電池組進(jìn)行均衡充電，必須嚴(yán)格控制均衡充電電壓。均衡充電的電壓應(yīng)嚴(yán)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(dǎo)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(yán)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(fēng)良好，環(huán)境溫度適宜的庫房內(nèi)；要遠(yuǎn)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(yán)格，鉛酸電池在偏離了正確的使用條件下運行將造成嚴(yán)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(jī)，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)、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(rèn)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(jìn)行較詳細(xì)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(jìn)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(yán)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(jìn)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(dǎo)法或直流法測量電池的內(nèi)阻已被公認(rèn)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(rèn)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(xì)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(dǎo)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(xué)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(rèn)為電池剩余容量并不能由電池內(nèi)阻反映出來，他們認(rèn)為電池容量下降20%對應(yīng)的電池內(nèi)阻下降并不明顯，當(dāng)電池的保有容量降到標(biāo)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(rèn)的，那就是電池內(nèi)阻的增高對應(yīng)于電池容量的下降，當(dāng)電池內(nèi)阻變化可以明確確認(rèn)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(yán)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(hù)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(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)失效電池，并進(jìn)而提高了使用VRLA電池的系統(tǒng)的使用可靠性。

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