蓄电池监测模块的设计

蓄电池监测模块的设计

1、前言

不论是电力变电站、通信机房还是移动基站，或是不间断电源（UPS），蓄电池作为电源系统停电时的备用电源，随着信息社会对通信系统供电安全性和通讯可靠性的要求越来越高，蓄电池本身运行的可靠性和安全性也已经得到了越来越高的关注。

然而，从上世纪80年代使用阀控式铅酸蓄电池开始，二十多年来人们一直被阀控式蓄电池的可靠性问题所困扰，往往是市电发生故障了，系统电源也跟着就没有了，或者只能维持很短的时间。

这是因为：

•大多数阀控式蓄电池的使用寿命比预计的要短得多。

•蓄电池安装以后，没有有效的维护管理手段。

•手工检测很困难，数据分析需要专业知识，定期的检测也不能随时发现隐患，很茫然，也很无奈。

•很多场合不具备定期放电检查的条件，而且，很多场合对电池放电测试的风险非常高。

•人员严重不足，无人值守站的日常检查费用很高。

•有了蓄电池监测系统，也只是采集蓄电池的电压，但电压尤其是浮充电压很难反映出蓄电池的真实性能。

•有很多电源系统甚至连单体电池电压都没有监测

…………………

为此人们作了很多探索，提出了很多阀控式铅酸蓄电池的失效机理，也对阀控式铅酸蓄电池的测试作了很多研究，从核对性放电到测量单体电压，再到测试电池内阻，也有人

提出了蓄电池的测试数学模型等等，使阀控式铅酸蓄电池的检测技术不断得到提高和发展。

2、阀控式铅酸蓄电池的失效机理

阀控式蓄电池失效的主要原因一般认为有以下几方面：(1)板栅腐蚀；(2)水损耗；(3)板栅延伸；(4)热失控；(5)负极板硫酸盐化；(6)电池电压不均等几个方面。

2．1 正极板栅失效机理

正极是对阀控式蓄电池性能和劣化速度影响最大的部分。正极板栅腐蚀是阀控蓄电池最通常的失效模式，影响正极板栅腐蚀速度的因素有以下几方面：

➢腐蚀膜孔尺寸：正极板栅合金的腐蚀产物担负着既要和活性物质紧密黏结又要对基体合金有着良好的保护性能的双层作用。腐蚀产物氧化膜的结构及物理化学性质直

接关系到蓄电池的容量和寿命。

➢极化影响：当蓄电池有电流通过，使电极偏离了平衡电极电位的现象，称为电极极化。在电极单位面积上通过的电流越大，偏离平衡电极电位越严重。通电前和通电

后电极电位的差称为过电位。极化条件直接影响着腐蚀膜的结构，大量实验表明随

着浓度的减少，温度的提高，腐蚀膜晶体增大，膜孔尺寸也增加，这有利于硫酸通

过膜孔向基体金属的扩散。根据美国GNB的相关研究，浮充电压和温度是影响正

极板极化的主要条件。

➢正极板栅在使用过程中变形。变形的结果导致板栅先行尺寸加长、弯曲和板栅中个别筋条的断裂。这些现象都可能引起正极板栅的破坏和蓄电池寿命终止。

➢正极活性物质的性能变化是铅酸蓄电池容量下降的重要原因之一。新制备的正极活性物质有着很好的机械强度和反应活性，但随着蓄电池循环次数的增加，实际容量

也有所增加，之后放电容量逐渐降低。这是由于正极活性物质性能恶化所致。

➢发生在正极的活性物质变化在一定条件下可以恢复，使用过程中的某些失效的蓄电池是可以用蓄电池活化仪活化恢复的。

2．2 负极板栅失效机理

负极板的硫酸盐化是负极失效的主要原因。负极板上活性物质在一定条件下生成坚硬而粗大的硫酸铅，它不同于铅和二氧化铅在放电时生成的硫酸铅，它几乎不溶解，所以在充电时不能转化为活性物质，使蓄电池减少了容量，坚硬而粗大的硫酸铅常常是在蓄电池组长期充电不足或是在半放电状态长期储存的情况下，加上温度的波动使硫酸铅再结晶而形成的。

负极板膨胀是负极失效的另一原因，膨胀造成活性物质脱落，从而影响厚型极板蓄电池的寿命。

2．3 电解液和隔膜的变化

铅酸蓄电池失水会导致电解液密度增大，导致蓄电池正极栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而失效。

阀控式蓄电池在长期工作中，由于隔膜与电解液间表面张力的相互作用，隔膜的玻璃纤维分子会重新排列成紧凑的结构而导致隔膜的收缩、厚度变薄、失去弹性，隔膜原来承受的压力减小。隔膜收缩会导致内阻增大，容量降低。实际使用中的多数蓄电池失效是由于失水原因造成的。

2．4 热失控现象

热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和蓄电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，蓄电池容量下降，最后失效。开口式铅酸蓄电池在充电时，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。当气体从蓄电池盖出气孔通向大气时，每18 g水分解产生48．99 J的热。而对于阀控式铅酸蓄电池来说，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，并有效地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，但是这种密封形式使热扩散减少了一种重要途径，只能通过蓄电池壳壁的热传导作为放热的唯一途径。因此，阀控铅酸蓄电池的热失控问题成为一个经常遇到的问题。

2．5 蓄电池材料工艺质量

VRLA蓄电池由正极板、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、电池生产工艺等对蓄电池寿命和容量均匀性具有重要影响。

3、阀控式铅酸蓄电池的测试

阀控式铅酸蓄电池故障机理非常复杂，引起阀控式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，阀控式铅酸蓄电池各种故障的结果都会影响蓄电池的状态。

阀控式铅酸蓄电池状态包括充电状态（SOC）和“健康”（SOH）状态两个方面，充电状态是指蓄电池可以实际放出的容量，“健康”状态是对充电状态的补充，说明构成蓄电池的元件老化程度及其对蓄电池性能的影响，以及现有蓄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”蓄电池才能保证向负载的不间断供电。

因此，检查电池的充电状态和“健康”状态可以预测蓄电池故障。预测蓄电池故障的一般方法目前主要有以下几种：

3．1蓄电池容量的测试

准确测量阀控式铅酸蓄电池容量的唯一方法是进行放电试验(核对性放电试验)，这