后备VRLA电池运行中的检测与自动测试

摘要：讨论后备 VRLA 电池运行中影响性能的因素，并就目前蓄电池人工检测与在线监测的技术加以比较，提出蓄电池维护中以内阻在线监测为主的解决方案，该方案以智能化与网络化为方向，同时对于解决后备蓄电池的监测与维护，探讨其标准性的完善。

前言：在现今这个以工业为主的社会中，后备直流电源的应用越来越广泛了，作为后备直流电源重要组成部分的蓄电池，其性能状况的优劣状态对于保证后备直流电源的正常运行就显得尤为重要。在蓄电池家族中，阀控铅酸蓄电池在直流后备电源中的应用越来越广泛了。

但随着免维护蓄电池被广泛地使用，问题逐渐显现出来：

·大多数免维护蓄电池使用寿命比预计的要短得多；

·个别电池失效导致整组电池失效；

·蓄电池安装后，缺乏科学、有效的监测管理手段，对蓄电池的合理使用不能及时作出准确的判断；

·由于使用现场条件限制，很难进行手工检测，并且测试数据分析需要运维人员具有很高的专业水准；

·类似于证券、银行等场合不具备定期放电检查的条件；

·电池放电测试的风险很高；

·电信、电力行业的无人职守站（所）的日常检查费用很高；

·突发性的电池故障的发现很难保证及时发现；

·系统的不和理共况对蓄电池的伤害未能及时发现并处理；

·具有"电池管理功能"的电源设备，如 UPS 等并没有真正的起到电池管理者的作用。

有关资料表明， VRLAB 在使用 3--4 年后，大部份电池组很难通过容量检测，只有少数能超过 6 年。在实际使用中，只有很少用户定期检查蓄电池并对蓄电池作定期容量测试，很多情况下是在市电停电后才发现蓄电池放电容量达不到设计要求，甚至有的电池组的容量达不到额定容量的 50% 还在继续"工作"。蓄电池的现状一方面说明蓄电池的质量还有待提高，从设计和生产控制方面还需不断完善；另一方面，正确、科学地使用电池，加强日常维护和监测管理非常必要，从而及时发现落后电池，为维护与处理提供科学、准确的依据。

这就说明，在蓄电池用户这里，是迫切需要能够实时在线监测阀控铅酸蓄电池性能状况的监测设备。

另外，蓄电池在线监测设备的性能和检测方式对蓄电池的管理有很重要的意义，如何选用合适的检测设备直接关系到蓄电池用户的安全效益和经济效益。

本文着重讲解阀控铅酸蓄电池的失效机理、阀控铅酸蓄电池的使用状况，当前蓄电池监测的手段及其优、缺点，并基于内阻在线测量，提出针对蓄电池在线监测解决方案。

1 影响蓄电池质量的技术问题和失效模式

阀控铅酸蓄电池的充放电是一个复杂的电化学反应，引起蓄电池失效的原因很多，了解阀控铅酸蓄电池的工作原理和失效机理，科学、合理地对阀控铅酸蓄电池监测与维护，在安全生产和经济效益上有很重要的意义。

1.1 影响 VRLA 蓄电池质量的几个重要技术问题

1 ）、电池构成

VRLA 电池由正极板、负极板、 AGM 隔膜、正负汇流条、电解液、安全阀、盖和壳组成。其中正极板栅厚度和合金成份、 AGM 隔膜厚度均匀性、汇流条合金、电解液量、安全阀开闭压力和壳盖材料、电池生产工艺等对电池寿命和容量均匀性具有重要影响。

2 ）、板栅合金

VRLA 电池负板栅合金一般为 Pb-Ca 系列合金，正板栅合金有 Pb － Ca 系列（含 Pb-Ca-Sn-Al ）、 Pb-Sb （低）系列和纯 Pb 等。其中 Pb-Ca 、 Pb-Sb （低）合金正板栅电池浮充寿命相近，但循环寿命相差较大。对于经常停电地区选用低锑合金电池可靠性好。

3 ）、板栅厚度

极板的正板栅厚度决定电池的设计寿命。不要期望薄极板具有长寿命，也不要期望 PbCa 系列合金正板栅电池具有 PbSb 系列合金那样的循环寿命。

4 ）、安全阀

安全阀被认为是 VRLA 电池的一个关键部件，具有滤酸、防爆和单向开放功能， YD ／ T7991 996 规定安全开闭压力范围为 1 － 49kPa ，如果考虑氧复合效率需要， 1 － 49kPa 压力规定是合理的。但是，对于长寿命电池，必须考虑单向密封，防止空气进人电池内部，同时防止内部水蒸气在较高温度下跑掉。

5 ）、 AGM 隔膜

对电池生产质量有直接影响的技术指标是隔膜孔隙率和厚度均匀性，这两个指标直接影响隔膜吸酸饱和度和装配压缩比，从而影响电池寿命和容量均匀性。

6 ）、壳盖材料

VRLA 电池壳盖材料有 PP 、 ABS 和 PVC ， PP 材料相对较好。

7 ）、酸量和化成工艺

分电池化成和槽化成两种，电池化成可以定量注酸并记录每个电池单体化成全过程数据，能准确判断每个出厂电池综合生产质量状况，但化成时间较长。槽化成是对极板化成，化成时间短，极板化成较充分，但对电池组装质量不能通过化成过程数据记录判断。

8 ）、涂板工艺

涂板工艺要保证极板厚度和每片极板活性物质的均匀性。

9 ）、密封技术

VRLA 电池密封技术包括极柱密封、壳盖材料透水性、壳盖密封和安全阀密封。

10 ）、氧复合效率

AGM 电池具有良好的氧复合效率，贫液状态下按有关标准测试氧复合效率一般大于 98 ％，因此具有良好的免维护性能；开口式电池氧复合效率＜ 10% ，需要经常加酸、加水维护。

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1.2 影响蓄电池寿命的环境因素

（ 1 ）、环境温度

蓄电池正常运行的温度是 20 ～ 40 ℃，最佳运行温度是 25 ℃。当温度每升高 5 ℃，蓄电池的使用寿命降低 10% 。

（ 2 ）、环境湿度

蓄电池的运行湿度应该在 5 ～ 95% （不结露）之间，环境湿度过高，会在蓄电池表面结露，容易出现短路；环境湿度过低，容易产生静电。

（ 3 ）、灰尘

灰尘过多，容易使蓄电池短路，安全阀堵塞失效。

1.3 VRLA 蓄电池失效模式

1 ）、电池失水

铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高、导致电池正极栅板的腐蚀，使电池的活性物质减少，从而使电池的容量降低而失效。

铅酸蓄电池密封的难点就是充电时水的电解。当充电达到一定电压时（一般在 2.30V ／单体以上）在蓄电池的正极上放出氧气，负极上放出氢气。一方面释放气体带出酸雾污染环境，另一方面电解液中水份减少，必须隔一段时间进行补加水维护。阀控式铅酸蓄电池就是为克服这些缺点而研制的产品，其产品特点为：采用密封式阀控滤酸结构，使酸雾不能逸出，达到安全、保护环境的目的。但密封蓄电池不逸出气体是有条件的，即：电池在存放期间内应无气体逸出；充电电压在 2.35V ／单体（ 25 ℃）以下应无气体逸出；放电期间内应无气体逸出。但当充电电压超过 2.35V ／单体时就有可能使气体逸出。因为此时电池体内短时间产生了大量气体来不及被负极吸收，压力超过某个值时，便开始通过单向排气阀排气，排出的气体虽然经过滤酸垫滤掉了酸雾，但毕竟使电池损失了气体（也就是失水），所以阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压的要求是非常严格的，不能过充电。

2 ）、负极板硫酸化

电池负极栅板的主要活性物质是海棉状铅，电池充电时负极栅板发生如下化学反应

PbSO4 + 2e = Pb + SO4-

正极上发生氧化反应：

PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO4- + 2e

放电过程发生的化学反应是这一反应的逆反应，当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的正负极栅板上就有 PbSO4 存在， PbSO4 长期存在会失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性物质的硫酸化，硫酸化使电池的活性物质减少，降低电池的有效容量，也影响电池的气体吸收能力，久之就会使电池失效。

为防止硫酸化的形成，电池必须经常保持在充足电的状态。

3 ）、正极板腐蚀

由于电池失水，造成电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀，防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。

4 ）、热失控

热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。从目前国内蓄电池使用的状况调查来看，热失控是蓄电池失效的主要原因之一。造成热失控的根本原因是：

普通富液型铅酸蓄电池由于在正负极板间充满了液体，无间隙，所以在充电过程中正极产生的氧气不能到达负极，从而负极未去极化，较易产生氢气，随同氧气逸出电池。

因为不能通过失水的方式散发热量， VRLA 电池过充电过程中产生的热量多于富液型铅酸蓄电池。

浮充电压应合理选择。浮充电压是蓄电池长期使用的充电电压，是影响电池寿命至关重要的因素。一般情况下，浮充电压定为 2.23 ~ 2.25V/ 单体（ 25 ℃）比较合适。如果不按此浮充范围工作，而是采用 2.35V ／单体（ 25 ℃），则连续充电 4 个月就可能出现热失控；或者采 2.30V/ 单体（ 25 ℃），连续充电 6 ~ 8 个月就可能出现热失控；要是采用 2.28V/ 单体（ 25 ℃），则连续 12 ~ 18 个月就会出现严重的容量下降，进而导致热失控。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，电池容量下降，严重的还会引起极板形变，最后失效。

2 铅酸蓄电池在后备电源运行中的问题

我们所研究的蓄电池是作为后备电源使用的，平时处于充电状态，与充电装置的输出并联，一旦市电中断，蓄电池立即开始放电。与循环深度放电使用情况相比，由于蓄电池长期处于浮充状态，即使偶然放电，因放电深度与市电中断时间有关，因此很难获得蓄电池的保有容量。在电池运行过程中检测蓄电池的劣化程度（ SOH-State of health ）是用户最为关心的问题，也是后备方式使用蓄电池的最大难题之一。

目前后备蓄电池运行中存在的隐患： 

1 ） 蓄电池寿命无法达到设计要求

目前我们使用的蓄电池都存在这样的问题，在蓄电池安装时，蓄电池的厂家都称阀控铅酸蓄电池在浮充下的使用寿命可以达到 10 年以上。但在实际中，蓄电池往往在三年时就出现严重劣化，使用超过 5 年的蓄电池更是少之又少。这其中存在两个方面的问题，其一，个别蓄电池厂家夸大蓄电池的使用寿命；其二，在使用中对于蓄电池的管理以及维护，没有有效、合理地进行，造成蓄电池在早期就出现劣化，并且没有及时发现落后电池，致使劣化积累、加剧，导致蓄电池过早报废。 

2 ） 对于蓄电池的运行情况、性能状况不明

由于没有良好的手段以及管理，蓄电池的使用者对于蓄电池的运行情况缺乏足够的了解，特别是对于蓄电池历史数据的整理以及分析。

对于蓄电池内部性能参数，如蓄电池的内阻、当前的剩余容量，无法十分清楚地了解。因为蓄电池组中如果有落后的蓄电池，可以通过一定深度的放电、充电循环，可以一定程度上减少落后的差别。但由于情况不明，所以相应的措施就无法实施。 

3 ） 对于单体电池而言，充电机制可靠性需要完善

由于目前国内的直流系统的充电机制不是非常的完善，在实际中存在电压漂移的情况，为此蓄电池长期处于浮冲状态，如果浮冲电压偏离正常的范围，就会造成蓄电池的过充或欠充，长期的过充或欠充对于蓄电池的性能影响非常大。

4 ） 单体电池之间不均衡

目前蓄电池组往往有数量很多的单体电池组成（如 190 只、 108 只、 35 只等），在实际运行中存在单体电池之间充电电压、或内阻等差异较大的情况，特别是在浮充下，这种不均衡现象显得非常严重。

出现单体电池不平衡是一方面由于蓄电池在出厂配组中，没有进行一致性能的严格考核，在许多运行场合，新电池采购后，蓄电池在运行前就带着问题投入运行。另一方面目前蓄电池的充电机制不但无法消除单体电池的一致性问题，并且会加剧单体电池的不均衡。

因为出现个别落后电池充电不完全，如果没有及时发现、或没有处理，这种落后就会加剧。如此反复，这种不均衡就加重，致使落后电池失效，从而引起整组蓄电池的容量过早丧失。 

5 ）无人值守站点的维护工作缺乏良好的管理监测手段

对于许多无人值守的站点，由于没有网络管理监测的手段，对于蓄电池的维护更加薄弱，特别是对于蓄电池的运行情况以及性能状况，没有清楚的了解。大量的维护与管理工作由人工进行，同时对于维护人员有较强的专业知识要求，以便对于数据进行整理与分析。

6 ）蓄电池终止寿命无法提前判断以及蓄电池的更换缺乏科学的依据

我们对于蓄电池的寿命终止，希望能够提前作出判断，为蓄电池的更换赢得时间的提前量。但目前对于蓄电池的寿命的终止，没有一个可靠的手段，仅仅根据多年的经验来进行。所以在实际中，往往是蓄电池放电的容量低于最低要求后，才在放电中发现蓄电池的寿命终止。

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3 目前蓄电池人工检测与在线监测现状

目前在蓄电池监测与维护方面存在很多不足，其中各个部门、单位的监测与维护的手段不一，技术水平参差不齐，大体可以分为以按照检测与监测进行分类：

定期或不定期维护用设备 ------- 检测设备

实时在线监测的仪器 ------------- 监测设备

3.1 人工检测方法与设备

目前很多后备蓄电池的使用部门，仍然延续定期或不定期人工检测维护的方法来完成蓄电池维护的工作。检测的方法与仪器设备有以下几类：

放电测试

放电测试需要恒流负载、容量测试仪等专用设备，按照蓄电池厂家要求，对蓄电池进行定期的放电测试，通过容量的计算来考察蓄电池的健康程度。目前相当多的用户仍然采用。恒流负载是实现放电容量测试的关键设备，用其完成放电的恒流设定，通过人工数据的测量与记录，计算蓄电池的容量；但由于人工测量与记录的诸多不便，而后产生了容量测试仪，即将大部分的人工完成的工作由装置自动完成。定期的放电测试可以发现蓄电池中问题，但需要提前加以准备：

必须将蓄电池与直流系统断开（无法在线进行），同时由于放电测试的时间较长（大约 20 小时），为此需作好充分准备，避免在放电过程中出现直流系统的停电情况出现，从而造成损失。

必须完成深度放电，才能发现容量下降的电池。

放电中监测每只电池的情况，防止容量小的电池过度放电而损坏。

由于放电测试费时费力，不能经常进行，大约每一年进行一次即可。

电导测量

这是在考虑到日常工作中无法测量蓄电池的健康程度而开发的便携式装置。即用电导仪定期测量蓄电池组中各个电池的电导，并通过相近几次电导的比较，分析蓄电池失效的趋势，现在许多用户大都采用该方法。但是该方法存在以下几点不足：

·由于是人工完成（尤其是夹具），重复性不好；

·由于各厂家的具体实现的技术特点不同，有交流法、直流法的区别，其测量的准确度与抗干扰性相差较大，所以各个厂家不同仪器测量的数据无法比较；

·即使交流法虽然可以在线测量，但由于是定期测量，不能实现实时在线测量。

放电测试与电导测试混合使用

由于以上的方法都存在各自的不足之处，所以目前有不少用户将以上两种方法混合使用，但无论怎样，这样的方法始终是被动的、非实时、非在线的，只能是检测手段而已，没有突破原来的检测限制。

3.2 在线监测的方法与装置

一些重要的部门，由于没有检修时间的安排，亦或由于空间的限制，无法进行以上的检测，这产生了蓄电池实时在线监测 ----- 巡检。目前市场上关于巡检装置有两类：单电池电压监测，单电池内阻监测与分析。

电压巡检 是以电池组中单电池电压为监测核心，辅以电池浮充电流、电池环境温度等，使这些参数始终保持在正常的数值范围内，一旦出现异常，监测就会报警。可以说这些参数正常与否是保证蓄电池运行的关键，为此电压巡检在目前的电力系统应用较为普遍，同时由于技术难度不是很大，目前很多的直流电源的生产厂家都可以生产电压型的巡检装置（又分为继电器式、全电子式两种）。

电压型巡检装置是比以往的人工检测较为可靠、准确，是蓄电池监测的第一代产品，但虽然电压巡检可以解决以前较为困难的问题，它仍然是从一个单一的方面监测蓄电池，即只能监测蓄电池的运行参数，对于用户十分关心的蓄电池健康度问题没有很好的解决，这样就在实际应用中带来诸多影响，例如新电池在投运时从电压巡检的角度看新电池没有差别，但利用其他方法测量就会发现一组蓄电池中电池之间的明显差异；在蓄电池运行一段时间后，进行蓄电池放电测试，发现已经有一些蓄电池的容量下降较为明显，但此前电压巡检却无法发现。其实出现以上情况是正常的，因为电池电压、电流、环境温度这些参数只是蓄电池能否正常运行的前提条件，或者只是蓄电池运行参数，因为蓄电池的端电压并不能反映电池的容量特性，容量严重下降的电池，在整组浮充电的电池中，其浮充电压的区别不足以用来判断电池是否因因容量降低而失效。至于蓄电池的健康度等用户十分关心的问题，不是电压巡检所能够解决的（在实际中电压巡检也可以发现落后电池，但此时往往是蓄电池早已进入寿命后期；如果试图用电压巡检发现蓄电池健康问题，那么电压巡检所提供的信息是滞后的），为此如何提前发现落后电池、或提前预报蓄电池失效趋势，是众多后备蓄电池用户最为关注的。