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目前，閥控式鉛酸蓄電池在電力操作電源、通信電源中廣泛使用，由于閥控式鉛酸蓄電池結構的特殊性，在運行中可靠地檢測蓄電池的性能，并有針對性地對蓄電池進行維護變得困難但又很迫切。從電源系統運行的高可靠性要求，各類薔電池監測系統也在廣泛使用。但不同的測試模式對蓄電池的性能狀況反映也不一樣，多年的研究和運用表明，內阻檢測是目前最為可靠的測試方式之一，而蓄電池的不同失效模式對內阻的反映情況也不一樣，了解蓄電池的內阻和各種失效模式的關系，合理地分析閥控式鉛酸蓄電池的內阻數據，有利于更好地對蓄電池進行檢測和維護。近年來，由于原材料的漲價，國內很多閥控式鉛酸蓄電池廠家采用了很多新的生產工藝，由此而來對新工藝蓄電池內阻數據分析也發生了新的變化。合理地選擇此類蓄電池內阻數據基準，對判斷閥控式鉛酸蓄電池性能有很大的幫助；合理地運用內阻數據維護蓄電池，對延長蓄電池的使用壽命有很大的作用，為獲得最大的安全效益和經濟效益有著很重要的意義。 1 常見的蓄電池失效模式 對于閥控式鉛酸電池，通常的性能變壞原因有：電池失水、極板群的腐蝕、活性物質的脫落、深放電引起的鈍化和深度放電后的恢復等，以下是幾種性能變壞的情況。 1.1 電池失水 鉛酸蓄電池失水會導致電解液比重增高或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。 閥控式鉛酸蓄電池充電后期，正極釋放的氧氣與負極接觸，發生反應，重新生成水，即 使負極由于氧氣的作用處于欠充電狀態，因而不產牛氫氣。這種正極的氧氣被負極鉛吸收，再進一步化合成水的過程，即所謂陰極吸收。 在上述陰極吸收過程中，由于產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加水維護，這也是閥控式密封鉛酸蓄電池稱為免維護電池的由來。但在充電過程中，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產生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，但必竟使電池損失了氣體，也等于失水，所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓的要求是非常嚴格的，絕對不能過充電。 1．2 負極板硫酸化 電池負極柵板的主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 放電過程發生的化學反應是這一反應的逆反應，當閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時，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，為防止硫酸化的形成，電池必須經常保持在充足電的狀態，蓄電池絕對不能過放。 1．3 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，防止極板腐蝕必須注意防止電池失水現象發生。 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生一種累積性的增強作用，并逐步損壞蓄電池。造成熱失控的根本原岡是浮充電壓過高。 一般情況下，浮充電壓定為2.23～2.25V/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℃)，則連續充電4個月就可能出現熱失控；或者采用230V/單體(25℃)，連續充電6～8個月就可能出現熱失控；如果是采用2．28V／單體(25℃)，則連續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。 2 閥控鉛酸蓄電池內阻模型研究 阻抗分析是電化學研究中的常用方法，是電池件能研究和產品設汁的必要手段。 圖1所示為常用的鉛酸電池阻抗的等效電路。 文獻研究中將Warburg阻抗表示為一個電阻和電容串聯組成的阻抗ZW。 式中：λ為Warburg系數，表示反應物和生成物的擴散性質特性； ω為角頻率。 電池的阻抗包括歐姆電阻和正負極阻抗，即 電池阻抗是一個復阻抗，在其它條件不變的情況下，與測試頻率有關。 通常情況的內阻星指某一固定頻率下的內阻值，對于一般的VRLA蓄電池，多數采用低于100 Hz的頻率．在實際使用中常把復阻抗的模稱為內阻。 2．1 內阻在線測量方法 備用場合使用的VRLA電池一般容量很大，在幾十到數千安時，電池的內阻值很小。由于阻值低，電池正負極輸出感應的電壓幅值很小，尤其是在線測量時電池端存在充電紋波和負載變動時的動態變化，要準確測量內阻是有一定難度的。常見的內阻測試方法有以下幾種。 2.1.1 直流方法 直流方法是在電池組兩端接入放電負載，根據在不同電流(I1、I2)下的電壓變化(U1一U2)來計算內阻值，見圖2所示。常采用式(3)計算。 由于內阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準確測量帶來困難，由于放電過程電壓的變化，需要選擇穩定區域計算電壓變化幅值。實際測最中，苴流方法所得數據的重復性較差，準確度很難達到10％以上。 2．1．2 交流方法 交流方法相對直流法要簡單。 當使用受控電流時，△I=Imaxsinωt，產生的電壓響應為 即阻抗是與頻率有關的復阻抗，其相角為φ，而其模|Z|=Vmax/Imax。 從理論上講，向電池饋人一個交流電流信號，測量由此信號產生的電壓變化即可測得電池的內阻。即 式中：Vav為檢測到交流信號的平均值； Iav為饋入交流信號的平均值 在實際使用中，由于饋入信號的幅值有限，電池的內阻在微歐或毫歐級，因此，產生的電壓變化幅值也在微伏級，信號容易受到干擾。尤其是在線測量時，受到的影響更大，采用基于數字濾波器的內阻測量技術和同步檢波方法可以克服外界干擾，獲得比較穩定的內阻數據。 2．2 不同測量方法對內阻值的影響 由于測量方法的不同，蓄電池內阻數值有較大的差異。因此，在研究內阻變化時需要在同一方法下進行測量。 2.3 不同充電狀態對內阻值的影響 蓄電池處于不同的狀態．其內阻值也有很大的差異。放電容量達到80％后，內阻急劇上升。轉入充電后，內阻很快恢復到正常數值。 2．4 不同的失效模式對內阻值的影響 蓄電池的不同失效模式反映在內阻變化的幅值并不一樣。 圖3是不同劣化模式下的電池放電曲線。與一般的腐蝕模式對比可以發現：同樣的歐姆內阻變化幅度，失水模式能提供的輸出容量比腐蝕模式的要低。 另外的電池劣化模式也從不同的角度影響電池的內阻，除腐蝕和失水外，活性物質的不同結晶狀態也影響輸出容量和內阻。 對處于正常浮充電壓一定時間后的電池，可以認為是在完全充電狀態。 溫度對電池內阻影響甚微，低溫有些影響。在運行條件較好的場合，可以不考慮溫度的影響。 目前國內還沒有相關的標準對蓄電池內阻數據進行解釋說明，只有IEEE Std 1188—1996中對內阻測最和數據分析作了簡單的說明，IEEE Std1188一1996指出：內阻受包括物理連接、電解液離子導電性和電極表而的活性物質的活性三方面因素的影響，內阻值與所采用的儀器和測量方法有關，內阻的變化可以當作電池性能或者說容量變化的指示。明顯的內阻變化表明蓄電池有大的性能改變，超過30％的變化即可認為明顯，但這個變化幅度可能跟不同廠家的電池有關。 3 現場測量與數據分析 為了獲得可靠數據，我們對裝備有動力環境集中監控系統的50組通訊電源的蓄電池進行了測試，其中采用改進工藝的蓄電池有32組，投入運行的時間從2001年8月到2005年lO月，其余的蓄電池為1997年到2000年的老電池，測試的蓄電池均為國產品牌的且廣泛使用的型號，所測試的蓄電池生產廠家有3家，本次測試的蓄電池均按重量區分蓄電池的工藝，按廠家的說明書，近些年生產的蓄電池重量均明顯小于2001年前相同容量的蓄電池的重量，我們以重量作為區分蓄電池工藝的方法。 內阻測試設備使用增強型的BM6500蓄電池監測系統，BM6500采用了交流法的內阻測試系統，增強型的內阻測試精度為2％。 現場測試的一組數據如表1所列。 蓄電池型號：采用新工藝的GFMGl000AH。 投入運行日期：2002年1月。 內阻變化率的基準值為2003年5月的測試值。 浮充電壓最大動態誤差為2．340(No．1)-2．219(No．15)=0．121V，大于YD/T799—1996規定最高及最低電壓值偏差為50mV，從浮充電壓可以知道本組蓄電池的性能并不理想，內阻最大變化率為25.9％(No．12)。 圖4所示為動力環境集中監控軟件中記錄的前20分鐘放電曲線，放電電流286A。 本次測試的所有蓄電池性能分析結果如表2和表3所列。 通過分析發現，在蓄電池劣化時，采用新工藝的蓄電池內阻值明顯小于采用老工藝的蓄電池，對于新工藝的蓄電池內阻預警值應更為嚴謹。 4 結語 內阻與SOH(State of Health)的關系分析的結論如下。 (1)不能直接用內阻數據來計算SOH(State of Health)，而且建立標準亦很困難。內阻不能同容量進行量化表達，只是性能的反映； (2)SOC(State of Charge)和SOH(State of Health)無疑影響電池內阻，劣化的蓄電池內阻都有很大的變化； (3)大容量電池的歐姆內阻很小。其變化幅度就更小，需要相當精度的測試手段； (4)部分電池的內阻變化明顯，但此時的電池容量仍可能保持在良好水平； (5)劣化嚴重的電池其內阻變化數伉將超過某范圍； (6)蓄電池的監測應是對蓄電池的運行參數、內阻變化、電壓監測等的綜合參數監測，對內阻的變化率的監測是很有意義的； (7)新工藝蓄電池的性能、壽命明顯低于老的蓄電池，更需要嚴格監測其運行參數，定期的核對性放電不可缺少。（張慶福） |
