阀控铜酸蓄电池的监控和故障预测

NASA

　　刘希禹

　　[摘 要] 阀控铅酸蓄电池需要维护测试和故障预测。通常采用的电池容量试验和通过监测电池电压预测单体电池故障的方法不是理想的方法。而利用电池内阻预测单体电池故障是非常有效的，该方法可以替代电池容量试验方法。本文讨论阀控铅酸蓄电池故障机理，分析现行电池故障预测方法存在的问题，介绍通过测量电池内阻预测阀控铅酸蓄电池故障的方法。

　　[关键词] 阀控铅酸蓄电池 电池监控系统 电池内阻 故障预测

　　1.引言

　　阀控铅酸蓄电池(VRLA)在正常情况下无酸雾和氢、氧气体排出，无需加水和测量电液比重，对机房无特殊要求，而且其功率密度较大，占用机房面积较小，因此，采用阀控铅酸蓄电池，比传统的淹没式(或排气式)铅酸蓄电池投资少，且使用较方便，故很受用户欢迎。

　　由于阅控铅酸蓄电池是密封的，不易进行传统的维护工作，曾被误称为免维护电池。因此，过去不少用户不了解阀控铅酸蓄电池维护测试的重要性以及怎样进行维护测试，故一般不掌握阀控铅酸蓄电池的状态，往往在故障发生以后才知道蓄电池有问题。当前，阀控铅酸蓄电池故障已对电信电源供电安全构成或正在构成重大威胁，有关方面对此应给予足够的重视。在这种情况下，加强阀控铅酸蓄电池维护测试和故障预测是极为重要的。

　　阀控铅酸蓄电池故障预测是一个非常复杂的问题，也是当前国内外正在探讨的问题。

　　2.阀控铅酸蓄电池的主要故障机理

　　2.1内部热量的产生和热失控现象

　　蓄电池的寿命和性能与电池内部产生的热量密切相关，电池内部的热源是电池内部的功率损耗，在浮充工作时，电池内部的功率损耗可以简单地看作是浮充电压和浮充电流的乘积。在氧再化合反应中，浮充电流会增大因而产生较多的热量。在恒压充电时，浮充电流随温度上升而增大，增大了的浮充电流又会产生更多的热量，从而使温度进一步上升。如果电池内部热量产生的速率超过蓄电池在一定的环境条件下散热的能力，蓄电池温度将会持续上升，以至使电池的塑料壳子变软，最后导致塑料壳子破裂或熔化。这就是所谓热失控。所以阀控铅酸蓄电池进行恒压充电时，对充电电压进行负的温度补偿是非常重要的。

　　2.2正极板栅的腐蚀

　　阀控铅酸蓄电池正极板栅合金可选择为铝一钙一锡、铅一踢、铅一锑一铜、铅一锯一锡等合金。这些合金都会被腐蚀。在腐蚀过程中，铅被转变为二氧化铅，二氧化铝的体积比铅大37%，因此引起正极板栅变形和伸长，这种变形称为正极板栅增长。正极板栅增长会使板栅与有效物质的接触面积减少，因而导致容量的下降。当正极板栅增长达到4%-7%时，板栅将会断裂，容量将完全损失。

　　正极板栅腐蚀的速度随着温度、充电电压和电解液酸浓度的上升而增高。温度每升高10摄氏度腐蚀速度增加一倍。

　　2.3负极板连接条的腐蚀

　　负极板极耳和连接条(汇流条)表面的化学腐蚀是由于氧气再化合反应和电解液中的硫酸盐杂质引起的。负极板连接条的腐蚀速度与负极板连接条的耐腐蚀力有关，当负极板连接条合金有不良杂质或结晶颗粒粗大，腐蚀速度会显著加快，形成灾难性腐蚀。

　　2.4电解液水分损失

　　阀控铅酸蓄电池采用了氧再化合技术，使电解液水分的损失降低到最小。但是，由于下列原因水分的损失(失水)是不可避免的：

　　·氧再化合效率达不到100%，有少量的红、氧气仍会通过安全阀排出电池。

　　·正极板栅的腐蚀的结果是正极板栅的铅转变成二氧化 铝，所需要的氧原子来自电解液中的水，因此要消耗一定的水分。

　　·有时由于安全阀关闭的故障，大量的氢、氧气会排出电池，导致电解液水分的损失。

　　·电解液中的水分会通过电池外壳蒸发。

　　阀控铅酸蓄电池的水分损失是影响其寿命的重要原因之一，过量的水分损失称为“干枯”(dryout)，“干枯”会导致电解液的减少和电池容量的损失。

　　2.5隔板收缩

　　阀控铅酸蓄电池的隔板具有多孔结构和很强的吸液能力，不但可以吸附电解液，而且可以保证氧气的扩散和再化合。隔板具有弹性，正确安装的阀控铅酸蓄电池，其隔板承受一定压力而被压缩，以使隔板与极板紧密接触，为正、负极板间的离子流动提供良好的通道。

　　阀控铅酸蓄电池在长期工作中，由于隔板与电液间的表面张力的相互作用，隔板的玻璃纤维分子会重新排列成紧凑的结构致使隔板收缩、厚度变薄、失去弹性，隔板原来承受的压力消失。因此致使隔板不能与极板完全接触;正、负极板间的离子通道中出现绝缘区，导致电池容量的减少。此外，因为绝缘区的极板物质目放电后不能有效地再充电，故电池性能将进一步恶化。

　　3.预测电池故障的一般方法

　　阀控铅酸蓄电池故障机理是非常复杂的，引起阀控铅酸蓄电池早期故障的原因是多种多样的，其中包括生产制造的缺陷、安装操作的不当、运行条件和环境条件的恶劣等。

　　前面所述的极板腐蚀、电解液失水、隔板收缩和热失控是最主要的故障机理。由前面的分析可知，阀控铅酸蓄电池各种故障的结果都会影响电池的状态。电池状态包括充电状态和“健康”状态两个方面，充电状态是指电池可以实际放出的容量，“健康”状态是对充电状态的补充，说明构成电池的元件老化程度及其对电池性能的影响，以及现有电池容量在未来一段时间内能否可靠地放出。只有处于满充电的“健康”电池才能保证负载的不间断供电。因此，检查电池的充电状态和“健康”状态可以预测电池故障。预测电池故障的一般方法主要有：

　　3.1电池容量的测试

　　电池容量准确测量的唯一方法是进行放电试验(容量试验)，用这种方法对包括阀控铅酸蓄电池在内的整个备用电源系统进行全面地检查，可以检查出各单体电池和电池外部电路的任何故障，因此被公认为是比较可靠的方法，但是由于下列原因重复进行放电试验并不是理想的：

　　·费时费力;

　　·有一定的危险性;

　　·需要专用测试设备，费用较高;

　　·放电试验会加速电池老化，减少电池寿命;

　　·在放电试验期间及放电后的再充电期间，电池在紧急情 况下不能为负载供电;

　　·放电试验仅能给出试验时的电池容量和性能，不能预示将来的容量和性能;

　　因此，在可能由电池监控替代的情况下，应尽量避免频繁的放电试验(特别是满容量放电试验地根据IEEE1188-199拓标准建议，阀控铅酸蓄电池满容量放电试验除验收时进行外，每年只需进行一次。

　　电池监控应能给出电池充电状态(容量)和“健康”状况，确认电池在要求的时间周期内(不仅在现在而且在将来)能可靠地为负载供电。电池监控的最重要的内容包括：

　　(1)电池充电状态：检查和确认电池组中每只电池都处于满充电状态。

　　(2)电池“健康”状况：通过检测的一些运行参数间接地导出电池是否有故障。此外，为防止影响将来电池正常工作的有害的工作条件施加于电池，在异常工作条件(例如在高压下浮充、深度放电和温度过高等)出现时，应及时告警并切断充电电流。

　　3.2电池“健康”状况的检测

　　目前采用的电池监控系统主要是通过检测单体电池或含有多个单体电池的组合单元电池(以下简称单元电池)的电压判断电池故障的。

　　(1)单体(单元吨地浮充电压监测

　　对于淹没式(排气式)铅酸蓄电池，通过监测单体电池浮充电压检查电池故障是非常有效的。例如，假如电池组中有些单体电池电压偏移超出允许极限(一般为平均单体电池电压±50mV)，这可能是由于电池没有正常充电或电池有故障引起的。在这种情况下，一般需将这组电池浮充2周，然后再测量单体(单元)电池电压。第二次电压测量可能有两种不同的结果，处理方法也不相同：

　　·所有单体电池电压均在允许的范围内，这表示所有单体电池均正常。说明第一次测量时有的单体电池电压偏移 较大是由于当时未处于满充电状态。

　　·情况未变，原来电压偏低的电池现在电压仍然偏低。这表示这个电池有故障，应进一步检查其电解液比重，如果比重降低了，则应更换这个电池。

　　淹没式铅酸蓄电池如果按照上述方法定期检查浮充电压.一般可以及时检查出故障电池。因此平时可以不进行放电试验。仅在电池接近寿命终止时才需要进行放电试验。

　　这种方法已经用于阀控铅酸电池的故障检测。然而，由于闹控铅酸电池的浮充电压和电流的关系受内部氧再化合的影响，单体电池浮充电压的偏移比淹没式铅酸蓄电池的大，而且偏移量的变化范围也大，故试验的结果不那么明显。此外，阀控铅酸蓄电池不能提供电解液比重的参考数据，所以，通过浮充电压进行阀控铅酸电池的故障检测时，检测结果存在一定的误差。甚至有“浮充电压正常但放电时出现严重故障”的情况。为了准确地掌握阀控铅酸电池的状态，检测浮充电压，放电试验还是必要的。在放电试验时，结合放电电压的检测，可以准确地检测出故障电池。

　　(2)单体(单元)电池放电电压监测

　　监测单体(单元)电池放电时的电压变化，是检测阀控铅酸电池的故障的一种有效方法。因为单体电池放电时下降的速度与电池的“健康”状况有关，故障电池的电压下降得比正常电池快得多。据此可以检查出故障电池。这种方法检测结果准确，但必须与放电试验结合进行。更重要的是，这种试验必须在市电正常时带假负载或在有整流器支持的情况下带真负载放电。在市电停电时电池带真负载放电过程中，虽然也能检出故障电池，但检出故障电池时已对供电系统造成严重影响，失去了故障预测的意义。因此需要较频繁地进行上述试验。

　　4.通过监测单体(单元)电池内阻预测电池故障

　　通过监测单体(单元)电池内阻预测电池故障是一个可以替代频繁放电试验的非常可靠的方法。需要说明的是：单体电池的内阻与其容量有关，因此可以用来检测电池放电时的性能;单体电池的内阻与其容量的关系不是线性的，因此单体电池的内阻不能用来直接表示电池准确的容量，但可以作为电池性能好坏的指示信号。大量实验结果表明，如果单体电池的内阻增加超过某个经验数据，这个电池就不能放出应有的容量了。据此可以检查出故障电池。

　　4.1电池内阻的测量

　　电池内阻可以采用交流法或直流法测量。

　　用交流法测量电池内阻时，将一个交流测试信号加在电池上，然后测量流过电池的电流(I)和该电流在电池两端产生的交流电压降(V)，由此可以导出阻抗见(V/I)。由于交流信号频率一般都选择得可以忽略电容的影响，测得的数据实际上就是电阻。交流法的缺点是易受充电器纹波和其它噪声源的影响。但是如果选择适当的测试频率，并采用有效的滤波器，还是可以避免电源纹波和其它噪声的影响的。交流法的优点是不需要电池放电，可以方便地进行反复测量。用直流法测量电池内阻时，电池需瞬时放电，然后测量电池端电压在放电过程中的瞬时变化和放电电流值，据此导出阻抗值。

　　4.2电池内阻和电池故障机理

　　参考“阀控铅酸蓄电池的主要故障机理”的讨论和进一步分析，很容易得出阀控铅酸蓄电池的主要故障机理与电池内阻的关系。

　　(1)腐蚀

　　正极板栅和负极连接条的腐蚀都会使电池的金属通道减少，金属电阻尼增大，因此，电池内阻增大。

　　(2)板栅增长

　　板栅增长与腐蚀和电池的老化有关，板栅增长会使有效物质(涂膏)与板栅松动，同样导致金属电阻R增大，因此，电池内阻增大。

　　(3)硫(酸盐)化

　　由于一部分有效物质转化为硫酸铅，徐膏的电阻增大，因此电池内阻增大。

　　(4)干枯

　　干枯是阀控铅酸蓄电池所特有最严重的故障，干枯将使相邻板栅间的导电通道电阻增大，最终将完全断开。

　　(5)生产制造的缺陷

　　电池制造方面的缺陷，例如焊接和涂膏等方面的问题也会引起较高的金属电阻和电池容量的下降。

　　以上分析表明，阀控铅酸蓄电池的各类故障部会引起电池内阻的增加。因此，根据电池内阻的变化可以检测出影响电池性能的所有问题。这些问题可以分为金属电阻和电化学电阻两类问题。金属电阻问题不但可能引起电池容量的减少，还会造成电池端电压迅速下降，甚至造成供电中断，对电池性能的影响最严重。电化学电阻问题也会使电池容量减少，但由于电化学电阻只占电池内阻的一小部分，当电化学电阻变得很大时才会显著地影响电池性能。曲线1是具有100%容量的“健康”电池的放电曲线，放电开始时，由于放电电流在电池内阻上产生压降，电池端电压从开路电压突然降低到较低的数值，接着经历了电压衰减和恢复过程，稳定后电压缓慢下降。当电压下降到终止电压时，放出了100%的容量。曲线2是金属电阻较高的同型号电池以相同放电率放电的放电曲线，曲线2从放电开始就比曲线1低并一直持续到放电终止，图中清楚地表明由于金属电阻引起的电池容量的下降。曲线3是具有电化学电阻问题的电池的放电曲线，在放电初期，由于电化学电阻引起的容量下降不那么明显，随着放电的继续，容量的下降就显著增加。从图中可以看出，无论存在金属电阻问题或电化学电阻问题电池，当其端电压下降到终止电压时，放出的容量都没有达到100%，电池内阻和/或放电电流越大，电池的额定容量与实际容量的差值越大。

　　4.3电池老化和电池内阻

　　电池内阻的大小也表示电池老化的程度，电池老化过程与构成电池的材料和部件在电池设计条件下损坏的速率有关。固定型阀控铅酸蓄电池寿命都规定为在环境温度25℃。浮充条件下的使用年限或以规定的放电深度放电的循环次数。电池进人寿命终止的自然过程是非常缓慢的板栅和连接条的腐蚀、涂膏与极板结合的松动以及电解液的干枯的过程。电池老化过程的标志是电池内阻的增加和电池容量的降低，当电池的实际容量降低到额定容量的80%以下时，其老化速度将迅速增加，电池就不能使用了，即电池寿命终止。电池寿命终止时的内阻值一般比初始值增加25%左右，但有的也可能增加50%。

　　4.4电池温度和电池内阻

　　当电池温度升高时，电解液的活动加强，故电池内阻减少;当电池温度降低时，电解液的活动减弱，故电池内阻增大。大量试验数据表明，当温度较低时(25℃以下)，电池内阻随温度变化显著;当温度较高时(25℃以上)，电池内阻随温度变化缓慢。

　　因此，如需要在标准温度下的电池内阻值，应对测得的电池内阻进行温度修正。

　　工作于浮充方式的阀控铅酸蓄电池，温度升高时，由于内阻的减小，其浮充电流增大，导电元件的腐蚀加剧，因而寿命减少。另一方面，当温度很低时，由于内阻的增大，电池就不能对负载放出能量。所以，阀控铅酸蓄电池的温度和环境温度的监测是十分必要的。还必须对充电电压进行温度补偿，以避免高温下的过充和低温下的欠充。

　　4.5电池充电状态与电池内阻

　　电地处于不同的充电状态时其内阻值不同，满充电时内阻最小，放电到终止电压时内阻最大。充电过程中内阻逐渐减小放电过程中内阻逐渐增大。故障电池充电时内阻减小的速度较“健康”电池慢;放电时内阻增大的速度较“健康”电池快。

　　4.6电池浮充电压和电池内阻

　　大量单体电池故障现象表明，单体电池故障时，其内阻增大，浮充电压上升。但内阻增大和充电压上升不是同时发生的。内阻增大发生在浮充电压上升前很长一段时间。当内阻增加值大于基准值的60%以上时，浮充电压才开始上升。电池内阻从正常值变化到比基准值大60%，一般要经历相当长的时间(例如几个月或更长)。如下文所述，内阻增大25%就说明电池已有严重故障，而此时浮充电压仍保持正常状态。由此可见，利用内阻检测电池故障可以较早地发现电池故障，而通过浮充电压检测故障可能会出现误差。

　　4.7阀控铅酸蓄电池的维护测试要求和内阻测试周期

　　根据IEEE-1188-1996，阀控铅酸蓄电池的日常维护测试应包括以下内容：

　　(1)每月测系统授充电压、充电电流、温度并进行电池外观检查。

　　(2)每季测系统浮充电压、充电电流、温度和单体电池内阻并进行电池外观检查。

　　(3)每半年测系统浮充电压、充电电流、温度、单体电池内阻和单体电池电压并进行电池外观检查。

　　(4)每年和初始安装时测系统浮充电压、充电电流、温度、单体电池内阻、单体电池电压和各单体电池之间连接电阻、整个电池组所有连接电阻并进行电池外观检查。

　　该标准明确规定了单体电池内阻测试应至少每个季度进行一次。这是因为阀控铅酸蓄电池既不能进行电解液比重检查又不能对电池内部构件进行直观检查，需要进行较频繁的测试。

　　4.8根据电池内阻判断电池故障

　　(1)电池内阻基准值

　　电池内阻基准值是用来衡量电池内阻变化的参考值。电池内阻基准值可以采用“初始值”或“平均值”。

　　“初始值”是在新电池安装后验收时对每个单体(单元)电池进行内阻测量所得到的电池内阻值。由于“初始值”是在一定的环境温度下测得的，投入运行的电池，其内阻的测量也应在相同温度下进行，以便与“初始值”比较。因此，“初始值”适用于温度比较稳定的应用环境。

　　“平均值”是指进行单体(单元)电池内阻测量时电池组中所有单体(单元)电池的内阻的平均值。衡量电池内阻时，如果将测得的每个单体(单元)电池内阻与“平均值”相比较，得出的结果可以消除湿度对内阻的影响。

　　(2)判断电池故障的依据

　　根据前面关于影响电池内阻的因素的讨论可知，阀控铅酸蓄电池除非在充放电时，其内阻的变化不是很快，故内阻的增大可以反映电池容量和性能下降的程度。一般说来，当单体(单元)电池浮充时的内阻值比基准值(“初始值”或“平均值”)增大25%以上时，这个电池就可以判断为故障电池。至于温度对内阻的影响，如果采用“平均值”作为比较的基准是可以消除的。

　　(3)故障电池的处理

　　当某个单体(单元)电池内阻的数值预示该电池有潜在的故障时，可以采取以下措施之一： ·检查这个电池的连接，必要时拧紧连接螺丝。如果连接正常，单独给这个电池充电。如果没有改善，更换这个电 池。

　　·对这个单体(单元)电池进行容量试验，再根据试验结果 决定是否更换这个电池。如果其容量小于80%额定容量 立即更换这个电池。否则还可以使用一段时间。

　　·对这个电池所在的整组电池进行容量试验，更换其中实 际容量小于80%额定容量的所有的电池。如果这组电池中有多个电池的容量达不到80%额定容量，也可考虑更 换整组电池。

　　究竟采取哪一种措施，取决于系统可靠性和经济方面的考虑。如果主要考虑可靠性，应选择第三种措施。第一种措施是最经济的处理措施，适用于较小的应用系统以及采用短寿命的阀控铅酸蓄电池的应用系统。无论采用哪种措施，都可以在造成备用电源系统故障以前处理好故障电池，因而可以保证备用电源系统永远安全可靠地供电。

张三分