阀控铅酸蓄电池的失效探讨及在线监测

一、 概述

　　目前，蓄电池监测模块大多都是电压巡检仪，在线监测电池的浮充电压，在超出设定值时给出报警。相对以前的整组电压监测方式来说，单体电压监测是前进了一大步，但对于电池的长期运行过程中的容量衰减以至失效的监测，电压能反映的问题非常有限：100Ah的电池和衰减至10Ah的电池在浮充电压上的差异很难区别开来。因此，需要从蓄电池的失效模式进行探讨，从而解决蓄电池的监测问题。

二、阀控铅酸蓄电池的失效模式

　　对于阀控式铅酸电池，通常的性能变坏机制有以下几种情况：

1、 热量的积累

　　开口式铅酸电池在充电时，除了活性物质再生外，还有硫酸电解质中的水逐步电解生成氢气和氧气。当气体从电池盖出气孔通向大气时，每18克水分解产生11.7千卡的热。
而对于阀控式铅酸电池来说，充电时内部产生的氧气流向负极，氧气在负极板处使活性物质海绵状铅氧化，并有效低补充了电解而失去的水。由于氧循环抑制了氢气的析出，而且氧气参与反应又生成水。这样虽然消除了爆炸性的气体混合物的排出问题，但是这种密封式使热扩散减少了一种重要途径，而只能通过电池壳壁的热传导作为放热的唯一途径。因此，阀控铅酸电池的热失控问题成为一个经常遇到的问题。

　　阀控铅酸电池依赖于电壳壁的热传导来散热，电池安装时良好的通风和较低的室温是很重要的条件。为了进一步降低热失控的危险性，浮充电压通常具体视不同的生产者和不同室温而定。厂家一般都给出电池的浮充电压和温度补偿系数。

2、硫酸化

　　阀控式比开口式电池更易产生的问题是负极板的硫酸化。这是由于：
1）氧的循环引起的负极板较低的电位；
2）在强酸电解质汇集的电池底部形成的酸的分层，在这种不流动，非循环的电解质系统中是很难避免的。

　　这两个都可能在浮充条件下产生一定数量的残留硫酸盐，然后转变成永久性的硫酸盐形式。因此，当极板加速去活化时，可用的放电安时容量就会减小。随着负极板温度的升高，这种状况会更加恶化。由于氧循环反应的发生，负极板表面被氧化，相当数量的热释放出来。

3、 正极板群的腐蚀和脱落

　　阀控式铅酸电池中，这种形式的性能变坏本来就更加严重。由于氧循环反应，负极活性物质被持续氧化生成硫酸铅，有效地维持了放电状态，因此降低了负极板的电位。而对于给定的浮充电压正极板群的电位则相应较高。因而氧化气氛加剧了，引起了更多的氧气的析出，使活性物质的腐蚀与脱落加剧。

4、 电池的干涸

　　在使用期间气体再复合机制的有效率不是100%，水被电解生成氢气和氧气的速度虽然低于相同大小的富液式电池的电解速率的2%，但水还是会逐渐失去。

　　当失水是主要的失效原因时，电解质的比重将会增加，当比重由最初的1.30增至1.36时，表示失水度约达到25%。在失水度达到25%时，酸的高浓度加速了硫酸化，电解质比重又开始下降。电池电压直接正比于电解质比重，因此电池电压并不是电池健康状况的可靠显示。

5、 负极上部铅的腐蚀

　　正极板栅和极群的腐蚀性在铅酸电池的各个设计中都是本来就有的。与之形成明显对比的是负极板位于高度还原气氛，在开口式电池中位于极群汇流排通常浸在电解液液面以下，这样就避免了由于正极板群上冒出的氧气而产生的侵蚀。但是阀控电池的许多设计没有保护极板板耳、极群和汇流排，特别是两者之间的焊接接头。因此，它们暴露在从氧循环中逃溢出来、在电池板群上部的连续的氧气气流中。依赖于板栅（板耳）和极群所选铅合金的一致性和生产质量（需要板栅部分完全溶化焊接和汇流排的低孔隙率），迅速氧化可能就会发生。

三、蓄电池监测系统的研制

　　为了给蓄电池提供良好的运行环境，在线监测电池的工作状况，电池管理系统（BMS-Battery　Management System）应运而生，成为高可靠电源系统的关键一部分。

1、电池单体的内阻测量

　　内阻R反比于传输电流的横截面积A。活性物质的脱落、极板板栅和汇流排的硫酸化和腐蚀、干涸都可降低有效的横截面积A，所以可通过测量内阻来检测电池的失效。

　　内阻和电池状态的相关程度可变性很大。从报导的相关性来看，变化范围从0%到100%。英国电子协会（ERA）对用阻抗监测的实验室设计和商用设计两种产品进行了大量的电池调查，发现二者的准确性在50%以上。一个基本的困难是测量小变化数值的精度问题。正常的300安时备用电流的电阻仅在0.25× 10-3欧姆的数量级。因此，很小而且有意义的电阻变化可能观察不到。在下面的操作环境下，问题更加严重。

1）在线测量期间存在的变压器的"噪音"和浮充电压波动引起的干扰。
2）腐蚀裂纹对内阻的影响是有高度方向性的，内阻数值对平行于电流方向的裂隙是相对不敏感的。
3）电解质浓度的变化，继而电池的变化使得结果很难解释。
　
　　虽然内阻测量法很难准确测量电池的容量，内阻/容量的对应关系很难复现，但对于BMS来说，内阻测试只是用于电池单体之间的比较，而且计算机可以对内阻的变化进行记录和数据处理来预告电池容量衰减和失效，因此，内阻测试对于BMS而言是关键技术之一。

　　对于离线或电池开路情况下测量内阻而言，测量时可方便地将激励电流回路与电压测量回路以4端子方式与电池组中的单体相连接，但对于在线测量，很难解决激励和测量的问题。

　　目前大多采用在电池组两端并联放电器，因为有充电器和电池组并联，需要将充电器停止工作，而且要实时同步测量电池的电流变化和电压变化，很难处理采样干扰。

　　采用中点抽头的激励装置，与目前采用的在电池组正负极两端施加激励的内阻测试装置相比，由于连接了中点抽头，激励装置的电流通过中点抽头后经上部电池组和下部电池组到达电池组的正极和负极，消除了电池组外部充电器和用电负载的并联影响，在电池上产生了稳定的电流激励，能够准确测试电池的内阻。

2、系统结构

一般系统中阀控铅酸蓄电池（VRLAB）的配置一般是：
500kV变电直流系统：2组全容量电池，3台充电机。
220kV变电直流系统：1组全容量电池，2台充电机。
110kV变电直流系统：1组全容量电池，2台充电机。

　　以108只2V、18或19只12V电池为主。电池的安装摆放形式也差别很大，电池与操作间的距离不确定。　

　　BMS由控制单元、测量模块、相关软件和辅助部件构成，一个控制单元可接入多个测量模块，完成对不同只数和不同电压的多组蓄电池的监测管理。控制单元用于数据传输、数据处理及人机界面控制，具有RS-232连机接口和RS-485远程（集中）管理接口、测量模块控制接口、操作键盘、显示面板、声光报警及报警输出控制接点。控制单元实时显示电池数据，智能分析数据，对异常的电池运行情况进行及时报警。

　　测量模块用于蓄电池数据的巡检，内置CPU独立高速工作，除进行常规电压、电流、温度等测量外，与内阻测试模块连接后可准确在线测试电池内阻。测量模块安装在电池附近，与控制模块之间通讯连接，方便现场接线安装。