閥控鉛酸蓄電池的失效探討及在線監(jiān)測

一、 概述

目前，蓄電池監(jiān)測模塊大多都是電壓巡檢儀，在線監(jiān)測電池的浮充電壓，在超出設(shè)定值時給出報警。相對以前的整組電壓監(jiān)測方式來說，單體電壓監(jiān)測是前進了一大步，但對于電池的長期運行過程中的容量衰減以至失效的監(jiān)測，電壓能反映的問題非常有限：100Ah的電池和衰減至10Ah的電池在浮充電壓上的差異很難區(qū)別開來。因此，需要從蓄電池的失效模式進行探討，從而解決蓄電池的監(jiān)測問題。

二、閥控鉛酸蓄電池的失效模式

對于閥控式鉛酸電池，通常的性能變壞機制有以下幾種情況：

1、 熱量的積累

開口式鉛酸電池在充電時，除了活性物質(zhì)再生外，還有硫酸電解質(zhì)中的水逐步電解生成氫氣和氧氣。當氣體從電池蓋出氣孔通向大氣時，每18克水分解產(chǎn)生11.7千卡的熱。
而對于閥控式鉛酸電池來說，充電時內(nèi)部產(chǎn)生的氧氣流向負極，氧氣在負極板處使活性物質(zhì)海綿狀鉛氧化，并有效低補充了電解而失去的水。由于氧循環(huán)抑制了氫氣的析出，而且氧氣參與反應(yīng)又生成水。這樣雖然消除了爆炸性的氣體混合物的排出問題，但是這種密封式使熱擴散減少了一種重要途徑，而只能通過電池殼壁的熱傳導(dǎo)作為放熱的唯一途徑。因此，閥控鉛酸電池的熱失控問題成為一個經(jīng)常遇到的問題。

閥控鉛酸電池依賴于電殼壁的熱傳導(dǎo)來散熱，電池安裝時良好的通風和較低的室溫是很重要的條件。為了進一步降低熱失控的危險性，浮充電壓通常具體視不同的生產(chǎn)者和不同室溫而定。廠家一般都給出電池的浮充電壓和溫度補償系數(shù)。

2、硫酸化

閥控式比開口式電池更易產(chǎn)生的問題是負極板的硫酸化。這是由于：
1）氧的循環(huán)引起的負極板較低的電位；
2）在強酸電解質(zhì)匯集的電池底部形成的酸的分層，在這種不流動，非循環(huán)的電解質(zhì)系統(tǒng)中是很難避免的。

這兩個都可能在浮充條件下產(chǎn)生一定數(shù)量的殘留硫酸鹽，然后轉(zhuǎn)變成永久性的硫酸鹽形式。因此，當極板加速去活化時，可用的放電安時容量就會減小。隨著負極板溫度的升高，這種狀況會更加惡化。由于氧循環(huán)反應(yīng)的發(fā)生，負極板表面被氧化，相當數(shù)量的熱釋放出來。

3、 正極板群的腐蝕和脫落

閥控式鉛酸電池中，這種形式的性能變壞本來就更加嚴重。由于氧循環(huán)反應(yīng)，負極活性物質(zhì)被持續(xù)氧化生成硫酸鉛，有效地維持了放電狀態(tài)，因此降低了負極板的電位。而對于給定的浮充電壓正極板群的電位則相應(yīng)較高。因而氧化氣氛加劇了，引起了更多的氧氣的析出，使活性物質(zhì)的腐蝕與脫落加劇。

4、 電池的干涸

在使用期間氣體再復(fù)合機制的有效率不是100%，水被電解生成氫氣和氧氣的速度雖然低于相同大小的富液式電池的電解速率的2%，但水還是會逐漸失去。

當失水是主要的失效原因時，電解質(zhì)的比重將會增加，當比重由最初的1.30增至1.36時，表示失水度約達到25%。在失水度達到25%時，酸的高濃度加速了硫酸化，電解質(zhì)比重又開始下降。電池電壓直接正比于電解質(zhì)比重，因此電池電壓并不是電池健康狀況的可靠顯示。

5、 負極上部鉛的腐蝕

正極板柵和極群的腐蝕性在鉛酸電池的各個設(shè)計中都是本來就有的。與之形成明顯對比的是負極板位于高度還原氣氛，在開口式電池中位于極群匯流排通常浸在電解液液面以下，這樣就避免了由于正極板群上冒出的氧氣而產(chǎn)生的侵蝕。但是閥控電池的許多設(shè)計沒有保護極板板耳、極群和匯流排，特別是兩者之間的焊接接頭。因此，它們暴露在從氧循環(huán)中逃溢出來、在電池板群上部的連續(xù)的氧氣氣流中。依賴于板柵（板耳）和極群所選鉛合金的一致性和生產(chǎn)質(zhì)量（需要板柵部分完全溶化焊接和匯流排的低孔隙率），迅速氧化可能就會發(fā)生。

三、蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的研制

為了給蓄電池提供良好的運行環(huán)境，在線監(jiān)測電池的工作狀況，電池管理系統(tǒng)（BMS-Battery　Management System）應(yīng)運而生，成為高可靠電源系統(tǒng)的關(guān)鍵一部分。

1、電池單體的內(nèi)阻測量

內(nèi)阻R反比于傳輸電流的橫截面積A?；钚晕镔|(zhì)的脫落、極板板柵和匯流排的硫酸化和腐蝕、干涸都可降低有效的橫截面積A，所以可通過測量內(nèi)阻來檢測電池的失效。

內(nèi)阻和電池狀態(tài)的相關(guān)程度可變性很大。從報導(dǎo)的相關(guān)性來看，變化范圍從0%到100%。英國電子協(xié)會（ERA）對用阻抗監(jiān)測的實驗室設(shè)計和商用設(shè)計兩種產(chǎn)品進行了大量的電池調(diào)查，發(fā)現(xiàn)二者的準確性在50%以上。一個基本的困難是測量小變化數(shù)值的精度問題。正常的300安時備用電流的電阻僅在0.25× 10-3歐姆的數(shù)量級。因此，很小而且有意義的電阻變化可能觀察不到。在下面的操作環(huán)境下，問題更加嚴重。

1）在線測量期間存在的變壓器的“噪音”和浮充電壓波動引起的干擾。
2）腐蝕裂紋對內(nèi)阻的影響是有高度方向性的，內(nèi)阻數(shù)值對平行于電流方向的裂隙是相對不敏感的。
3）電解質(zhì)濃度的變化，繼而電池的變化使得結(jié)果很難解釋。

雖然內(nèi)阻測量法很難準確測量電池的容量，內(nèi)阻/容量的對應(yīng)關(guān)系很難復(fù)現(xiàn)，但對于BMS來說，內(nèi)阻測試只是用于電池單體之間的比較，而且計算機可以對內(nèi)阻的變化進行記錄和數(shù)據(jù)處理來預(yù)告電池容量衰減和失效，因此，內(nèi)阻測試對于BMS而言是關(guān)鍵技術(shù)之一。

對于離線或電池開路情況下測量內(nèi)阻而言，測量時可方便地將激勵電流回路與電壓測量回路以4端子方式與電池組中的單體相連接，但對于在線測量，很難解決激勵和測量的問題。

目前大多采用在電池組兩端并聯(lián)放電器，因為有充電器和電池組并聯(lián)，需要將充電器停止工作，而且要實時同步測量電池的電流變化和電壓變化，很難處理采樣干擾。

采用中點抽頭的激勵裝置，與目前采用的在電池組正負極兩端施加激勵的內(nèi)阻測試裝置相比，由于連接了中點抽頭，激勵裝置的電流通過中點抽頭后經(jīng)上部電池組和下部電池組到達電池組的正極和負極，消除了電池組外部充電器和用電負載的并聯(lián)影響，在電池上產(chǎn)生了穩(wěn)定的電流激勵，能夠準確測試電池的內(nèi)阻。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般系統(tǒng)中閥控鉛酸蓄電池（VRLAB）的配置一般是：
500kV變電直流系統(tǒng)：2組全容量電池，3臺充電機。
220kV變電直流系統(tǒng)：1組全容量電池，2臺充電機。
110kV變電直流系統(tǒng)：1組全容量電池，2臺充電機。

以108只2V、18或19只12V電池為主。電池的安裝擺放形式也差別很大，電池與操作間的距離不確定。

BMS由控制單元、測量模塊、相關(guān)軟件和輔助部件構(gòu)成，一個控制單元可接入多個測量模塊，完成對不同只數(shù)和不同電壓的多組蓄電池的監(jiān)測管理?？刂茊卧糜跀?shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及人機界面控制，具有RS-232連機接口和RS-485遠程（集中）管理接口、測量模塊控制接口、操作鍵盤、顯示面板、聲光報警及報警輸出控制接點?？刂茊卧獙崟r顯示電池數(shù)據(jù)，智能分析數(shù)據(jù)，對異常的電池運行情況進行及時報警。

測量模塊用于蓄電池數(shù)據(jù)的巡檢，內(nèi)置CPU獨立高速工作，除進行常規(guī)電壓、電流、溫度等測量外，與內(nèi)阻測試模塊連接后可準確在線測試電池內(nèi)阻。測量模塊安裝在電池附近，與控制模塊之間通訊連接，方便現(xiàn)場接線安裝。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3、系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

BMS系統(tǒng)作為一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)，首先應(yīng)該通用于直流220V系統(tǒng)、直流110V系統(tǒng)、直流48V系統(tǒng), 以及直流24V系統(tǒng)，設(shè)計時便考慮了其通用性，主監(jiān)控模塊和內(nèi)阻檢測模塊是通用的，對于不同的系統(tǒng)，只需要增添數(shù)量不同的采集模塊，同時，設(shè)定每一個采集模塊的電池采樣數(shù)量。因此，系統(tǒng)需要設(shè)定如下系統(tǒng)參數(shù)和報警參數(shù)：
1） 采集模塊數(shù)量
2） 采集電池數(shù)量最少的采集模塊的電池采集個數(shù)
3） 后臺通訊地址設(shè)置
4） 后臺通訊波特率設(shè)置
5） 電池組浮充電壓上下限
6） 單電池浮充電壓上下限
7） 內(nèi)阻閾值
8） 容量報警
9） 過流報警
10） 溫度異常
其中前四項為系統(tǒng)設(shè)定，后六項為報警設(shè)定。

4、電壓、電流巡檢與數(shù)據(jù)分析

最初的電池監(jiān)測裝置只是檢測電池組的端電壓、電流和溫度，并將檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定的上下限比較，給出報警提示。電池巡檢儀可以對每一個電池單體進行電壓測量，并對浮充電壓超限報警。
大多數(shù)電池廠家的技術(shù)人員將電壓測量放在首位，對于處在浮充狀態(tài)的電池，其浮充電壓的細微差別可體現(xiàn)電池的荷電狀態(tài)，能判斷電池的嚴重失效，因浮充電流很小，電池之間的性能差異（以容量差異為主）很難表現(xiàn)出來。BMS對電池的完整工作過程進行監(jiān)測，實時測量在充電、浮充、放電的不同狀態(tài)下的電壓、電流，并采用不同的數(shù)據(jù)處理方法，以提高數(shù)據(jù)分析的準確性。

浮充電壓與溫度的關(guān)系可按生產(chǎn)廠家提供的斜率進行補償。
VF　= V0+k (T-T0)
一般情況下 k=3~5mV。

5、剩余容量計算

試圖通過某種方法在線測得電池的實際保有容量一直是電池用戶最迫切的希望，但到目前為止，還沒有這樣的方法或算法。有些介紹用電池內(nèi)阻來計算保有容量的資料或產(chǎn)品廣告，但實際使用起來數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系并不嚴格，內(nèi)阻只能用于區(qū)別電池容量的大幅度變化。尤其是利用電池內(nèi)阻的相對變化可以準確預(yù)報電池落后。

當電池處于放電工作時，對于很多場合都需要知道電池的剩余容量及供電時間，根據(jù)電池的額定容量和放電電流的監(jiān)測，不難實時計算出剩余容量，假定負載相對穩(wěn)定，則換算出供電時間。一般情況下，電池制造廠都給出在不同放電信倍率下的電池容量。

用最小二乘法根據(jù)電池廠家提供的在不同倍率下的放電容量，可以簡化地用二次曲線來表示電流和容量之間的關(guān)系，分別求得a、b、c：


6、電池運行事件記錄

BMS的另一方面重要作用記錄運行數(shù)據(jù)，以便在電池出現(xiàn)故障時進行追蹤，確定是由于電池質(zhì)量的原因還是不正常的使用所造成的。對于長時間的連續(xù)運行，要記錄所有的數(shù)據(jù)不僅對硬件要求高，也沒有實際意義。BMS設(shè)計有事件產(chǎn)生器，依據(jù)事件產(chǎn)生規(guī)則將電池正常運行情況以事件形式存儲，大幅減小數(shù)據(jù)量，而且方便查詢管理。主要包括：

1） 浮充電壓過高、過低
2） 充電電流過大
3） 放電電流過大
4） 工作溫度過高、過低
5） 內(nèi)阻變化
6） 深度放電
事件記錄當時的數(shù)據(jù)和持續(xù)時間。對于電力系統(tǒng)的電池運行特點，要求事件產(chǎn)生規(guī)則有較強的魯棒性，可以屏蔽合閘沖擊和測量干擾。

如果電池組中存在個別落后電池，則放電容量由最差的電池決定。

7、遠程管理

隨著無人值守變電站的推廣，電池的在線監(jiān)測更加必要。電池監(jiān)測設(shè)備可以和集中監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)機，通過遠程管理軟件可以查看電池的當前運行狀況和所記錄的歷史運行事件，及時得知監(jiān)測過程發(fā)出的報警信息，決定是否派人維護，也可以通過遠程遙控進行更深一步的測試。

8、實測數(shù)據(jù)分析

通過對六只不同容量不同電壓等級的電池進行測試比較，其中標準內(nèi)阻采用日本進口單電池內(nèi)阻測試儀，標準電壓采用0.1級標準數(shù)字萬用表測試。在線測量由BMS電池巡檢儀測的，具體數(shù)據(jù)如下（內(nèi)阻單位為毫歐，電壓單位為伏）：

通過測試分析，BMS電池巡檢儀測試準確，精度高，完全能勝任蓄電池系統(tǒng)的在線監(jiān)測。

四、小結(jié)
蓄電池是電源系統(tǒng)的核心部分，增加相應(yīng)的有效監(jiān)測設(shè)備，一方面能保證電池工作在合理的條件下，延長電池的浮充使用壽命；更重要的是在電池完全失效前能夠采取措施，避免在停電后才發(fā)現(xiàn)電池問題。

參考文獻
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