摘要：討論后備 VRLA 電池運(yùn)行中影響性能的因素，并就目前蓄電池人工檢測與在線監(jiān)測的技術(shù)加以比較，提出蓄電池維護(hù)中以內(nèi)阻在線監(jiān)測為主的解決方案，該方案以智能化與網(wǎng)絡(luò)化為方向，同時(shí)對于解決后備蓄電池的監(jiān)測與維護(hù)，探討其標(biāo)準(zhǔn)性的完善。

前言：在現(xiàn)今這個(gè)以工業(yè)為主的社會中，后備直流電源的應(yīng)用越來越廣泛了，作為后備直流電源重要組成部分的蓄電池，其性能狀況的優(yōu)劣狀態(tài)對于保證后備直流電源的正常運(yùn)行就顯得尤為重要。在蓄電池家族中，閥控鉛酸蓄電池在直流后備電源中的應(yīng)用越來越廣泛了。

但隨著免維護(hù)蓄電池被廣泛地使用，問題逐漸顯現(xiàn)出來：

·大多數(shù)免維護(hù)蓄電池使用壽命比預(yù)計(jì)的要短得多；

·個(gè)別電池失效導(dǎo)致整組電池失效；

·蓄電池安裝后，缺乏科學(xué)、有效的監(jiān)測管理手段，對蓄電池的合理使用不能及時(shí)作出準(zhǔn)確的判斷；

·由于使用現(xiàn)場條件限制，很難進(jìn)行手工檢測，并且測試數(shù)據(jù)分析需要運(yùn)維人員具有很高的專業(yè)水準(zhǔn)；

·類似于證券、銀行等場合不具備定期放電檢查的條件；

·電池放電測試的風(fēng)險(xiǎn)很高；

·電信、電力行業(yè)的無人職守站（所）的日常檢查費(fèi)用很高；

·突發(fā)性的電池故障的發(fā)現(xiàn)很難保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)；

·系統(tǒng)的不和理共況對蓄電池的傷害未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理；

·具有“電池管理功能”的電源設(shè)備，如 UPS 等并沒有真正的起到電池管理者的作用。

有關(guān)資料表明， VRLAB 在使用 3--4 年后，大部份電池組很難通過容量檢測，只有少數(shù)能超過 6 年。在實(shí)際使用中，只有很少用戶定期檢查蓄電池并對蓄電池作定期容量測試，很多情況下是在市電停電后才發(fā)現(xiàn)蓄電池放電容量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，甚至有的電池組的容量達(dá)不到額定容量的 50% 還在繼續(xù)“工作”。蓄電池的現(xiàn)狀一方面說明蓄電池的質(zhì)量還有待提高，從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制方面還需不斷完善；另一方面，正確、科學(xué)地使用電池，加強(qiáng)日常維護(hù)和監(jiān)測管理非常必要，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后電池，為維護(hù)與處理提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)。

這就說明，在蓄電池用戶這里，是迫切需要能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測閥控鉛酸蓄電池性能狀況的監(jiān)測設(shè)備。

另外，蓄電池在線監(jiān)測設(shè)備的性能和檢測方式對蓄電池的管理有很重要的意義，如何選用合適的檢測設(shè)備直接關(guān)系到蓄電池用戶的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

本文著重講解閥控鉛酸蓄電池的失效機(jī)理、閥控鉛酸蓄電池的使用狀況，當(dāng)前蓄電池監(jiān)測的手段及其優(yōu)、缺點(diǎn)，并基于內(nèi)阻在線測量，提出針對蓄電池在線監(jiān)測解決方案。

1 影響蓄電池質(zhì)量的技術(shù)問題和失效模式

閥控鉛酸蓄電池的充放電是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，引起蓄電池失效的原因很多，了解閥控鉛酸蓄電池的工作原理和失效機(jī)理，科學(xué)、合理地對閥控鉛酸蓄電池監(jiān)測與維護(hù)，在安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益上有很重要的意義。

1.1 影響 VRLA 蓄電池質(zhì)量的幾個(gè)重要技術(shù)問題

1 ）、電池構(gòu)成

VRLA 電池由正極板、負(fù)極板、 AGM 隔膜、正負(fù)匯流條、電解液、安全閥、蓋和殼組成。其中正極板柵厚度和合金成份、 AGM 隔膜厚度均勻性、匯流條合金、電解液量、安全閥開閉壓力和殼蓋材料、電池生產(chǎn)工藝等對電池壽命和容量均勻性具有重要影響。

2 ）、板柵合金

VRLA 電池負(fù)板柵合金一般為 Pb-Ca 系列合金，正板柵合金有 Pb － Ca 系列（含 Pb-Ca-Sn-Al ）、 Pb-Sb （低）系列和純 Pb 等。其中 Pb-Ca 、 Pb-Sb （低）合金正板柵電池浮充壽命相近，但循環(huán)壽命相差較大。對于經(jīng)常停電地區(qū)選用低銻合金電池可靠性好。

3 ）、板柵厚度

極板的正板柵厚度決定電池的設(shè)計(jì)壽命。不要期望薄極板具有長壽命，也不要期望 PbCa 系列合金正板柵電池具有 PbSb 系列合金那樣的循環(huán)壽命。

4 ）、安全閥

安全閥被認(rèn)為是 VRLA 電池的一個(gè)關(guān)鍵部件，具有濾酸、防爆和單向開放功能， YD ／ T7991 996 規(guī)定安全開閉壓力范圍為 1 － 49kPa ，如果考慮氧復(fù)合效率需要， 1 － 49kPa 壓力規(guī)定是合理的。但是，對于長壽命電池，必須考慮單向密封，防止空氣進(jìn)人電池內(nèi)部，同時(shí)防止內(nèi)部水蒸氣在較高溫度下跑掉。

5 ）、 AGM 隔膜

對電池生產(chǎn)質(zhì)量有直接影響的技術(shù)指標(biāo)是隔膜孔隙率和厚度均勻性，這兩個(gè)指標(biāo)直接影響隔膜吸酸飽和度和裝配壓縮比，從而影響電池壽命和容量均勻性。

6 ）、殼蓋材料

VRLA 電池殼蓋材料有 PP 、 ABS 和 PVC ， PP 材料相對較好。

7 ）、酸量和化成工藝

分電池化成和槽化成兩種，電池化成可以定量注酸并記錄每個(gè)電池單體化成全過程數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確判斷每個(gè)出廠電池綜合生產(chǎn)質(zhì)量狀況，但化成時(shí)間較長。槽化成是對極板化成，化成時(shí)間短，極板化成較充分，但對電池組裝質(zhì)量不能通過化成過程數(shù)據(jù)記錄判斷。

8 ）、涂板工藝

涂板工藝要保證極板厚度和每片極板活性物質(zhì)的均勻性。

9 ）、密封技術(shù)

VRLA 電池密封技術(shù)包括極柱密封、殼蓋材料透水性、殼蓋密封和安全閥密封。

10 ）、氧復(fù)合效率

AGM 電池具有良好的氧復(fù)合效率，貧液狀態(tài)下按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試氧復(fù)合效率一般大于 98 ％，因此具有良好的免維護(hù)性能；開口式電池氧復(fù)合效率＜ 10% ，需要經(jīng)常加酸、加水維護(hù)。

1.2 影響蓄電池壽命的環(huán)境因素

（ 1 ）、環(huán)境溫度

蓄電池正常運(yùn)行的溫度是 20 ～ 40 ℃，最佳運(yùn)行溫度是 25 ℃。當(dāng)溫度每升高 5 ℃，蓄電池的使用壽命降低 10% 。

（ 2 ）、環(huán)境濕度

蓄電池的運(yùn)行濕度應(yīng)該在 5 ～ 95% （不結(jié)露）之間，環(huán)境濕度過高，會在蓄電池表面結(jié)露，容易出現(xiàn)短路；環(huán)境濕度過低，容易產(chǎn)生靜電。

（ 3 ）、灰塵

灰塵過多，容易使蓄電池短路，安全閥堵塞失效。

1.3 VRLA 蓄電池失效模式

1 ）、電池失水

鉛酸蓄電池失水會導(dǎo)致電解液比重增高、導(dǎo)致電池正極柵板的腐蝕，使電池的活性物質(zhì)減少，從而使電池的容量降低而失效。

鉛酸蓄電池密封的難點(diǎn)就是充電時(shí)水的電解。當(dāng)充電達(dá)到一定電壓時(shí)（一般在 2.30V ／單體以上）在蓄電池的正極上放出氧氣，負(fù)極上放出氫氣。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環(huán)境，另一方面電解液中水份減少，必須隔一段時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)加水維護(hù)。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點(diǎn)而研制的產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點(diǎn)為：采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，使酸霧不能逸出，達(dá)到安全、保護(hù)環(huán)境的目的。但密封蓄電池不逸出氣體是有條件的，即：電池在存放期間內(nèi)應(yīng)無氣體逸出；充電電壓在 2.35V ／單體（ 25 ℃）以下應(yīng)無氣體逸出；放電期間內(nèi)應(yīng)無氣體逸出。但當(dāng)充電電壓超過 2.35V ／單體時(shí)就有可能使氣體逸出。因?yàn)榇藭r(shí)電池體內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生了大量氣體來不及被負(fù)極吸收，壓力超過某個(gè)值時(shí)，便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過濾酸墊濾掉了酸霧，但畢竟使電池?fù)p失了氣體（也就是失水），所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓的要求是非常嚴(yán)格的，不能過充電。

2 ）、負(fù)極板硫酸化

電池負(fù)極柵板的主要活性物質(zhì)是海棉狀鉛，電池充電時(shí)負(fù)極柵板發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)

PbSO4 + 2e = Pb + SO4-

正極上發(fā)生氧化反應(yīng)：

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

放電過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是這一反應(yīng)的逆反應(yīng)，當(dāng)閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時(shí)，在電池的正負(fù)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(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為活性物質(zhì)的硫酸化，硫酸化使電池的活性物質(zhì)減少，降低電池的有效容量，也影響電池的氣體吸收能力，久之就會使電池失效。

為防止硫酸化的形成，電池必須經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)。

3 ）、正極板腐蝕

由于電池失水，造成電解液比重增高，過強(qiáng)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(xiàn)象發(fā)生。

4 ）、熱失控

熱失控是指蓄電池在恒壓充電時(shí)，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強(qiáng)作用，并逐步損壞蓄電池。從目前國內(nèi)蓄電池使用的狀況調(diào)查來看，熱失控是蓄電池失效的主要原因之一。造成熱失控的根本原因是：

普通富液型鉛酸蓄電池由于在正負(fù)極板間充滿了液體，無間隙，所以在充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣不能到達(dá)負(fù)極，從而負(fù)極未去極化，較易產(chǎn)生氫氣，隨同氧氣逸出電池。

因?yàn)椴荒芡ㄟ^失水的方式散發(fā)熱量， VRLA 電池過充電過程中產(chǎn)生的熱量多于富液型鉛酸蓄電池。

浮充電壓應(yīng)合理選擇。浮充電壓是蓄電池長期使用的充電電壓，是影響電池壽命至關(guān)重要的因素。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(xù)充電 4 個(gè)月就可能出現(xiàn)熱失控；或者采 2.30V/ 單體（ 25 ℃），連續(xù)充電 6 ~ 8 個(gè)月就可能出現(xiàn)熱失控；要是采用 2.28V/ 單體（ 25 ℃），則連續(xù) 12 ~ 18 個(gè)月就會出現(xiàn)嚴(yán)重的容量下降，進(jìn)而導(dǎo)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，嚴(yán)重的還會引起極板形變，最后失效。

2 鉛酸蓄電池在后備電源運(yùn)行中的問題

我們所研究的蓄電池是作為后備電源使用的，平時(shí)處于充電狀態(tài)，與充電裝置的輸出并聯(lián)，一旦市電中斷，蓄電池立即開始放電。與循環(huán)深度放電使用情況相比，由于蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，即使偶然放電，因放電深度與市電中斷時(shí)間有關(guān)，因此很難獲得蓄電池的保有容量。在電池運(yùn)行過程中檢測蓄電池的劣化程度（ SOH-State of health ）是用戶最為關(guān)心的問題，也是后備方式使用蓄電池的最大難題之一。

目前后備蓄電池運(yùn)行中存在的隱患：

1 ） 蓄電池壽命無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求

目前我們使用的蓄電池都存在這樣的問題，在蓄電池安裝時(shí)，蓄電池的廠家都稱閥控鉛酸蓄電池在浮充下的使用壽命可以達(dá)到 10 年以上。但在實(shí)際中，蓄電池往往在三年時(shí)就出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，使用超過 5 年的蓄電池更是少之又少。這其中存在兩個(gè)方面的問題，其一，個(gè)別蓄電池廠家夸大蓄電池的使用壽命；其二，在使用中對于蓄電池的管理以及維護(hù)，沒有有效、合理地進(jìn)行，造成蓄電池在早期就出現(xiàn)劣化，并且沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后電池，致使劣化積累、加劇，導(dǎo)致蓄電池過早報(bào)廢。

2 ） 對于蓄電池的運(yùn)行情況、性能狀況不明

由于沒有良好的手段以及管理，蓄電池的使用者對于蓄電池的運(yùn)行情況缺乏足夠的了解，特別是對于蓄電池歷史數(shù)據(jù)的整理以及分析。

對于蓄電池內(nèi)部性能參數(shù)，如蓄電池的內(nèi)阻、當(dāng)前的剩余容量，無法十分清楚地了解。因?yàn)樾铍姵亟M中如果有落后的蓄電池，可以通過一定深度的放電、充電循環(huán)，可以一定程度上減少落后的差別。但由于情況不明，所以相應(yīng)的措施就無法實(shí)施。

3 ） 對于單體電池而言，充電機(jī)制可靠性需要完善

由于目前國內(nèi)的直流系統(tǒng)的充電機(jī)制不是非常的完善，在實(shí)際中存在電壓漂移的情況，為此蓄電池長期處于浮沖狀態(tài)，如果浮沖電壓偏離正常的范圍，就會造成蓄電池的過充或欠充，長期的過充或欠充對于蓄電池的性能影響非常大。

4 ） 單體電池之間不均衡

目前蓄電池組往往有數(shù)量很多的單體電池組成（如 190 只、 108 只、 35 只等），在實(shí)際運(yùn)行中存在單體電池之間充電電壓、或內(nèi)阻等差異較大的情況，特別是在浮充下，這種不均衡現(xiàn)象顯得非常嚴(yán)重。

出現(xiàn)單體電池不平衡是一方面由于蓄電池在出廠配組中，沒有進(jìn)行一致性能的嚴(yán)格考核，在許多運(yùn)行場合，新電池采購后，蓄電池在運(yùn)行前就帶著問題投入運(yùn)行。另一方面目前蓄電池的充電機(jī)制不但無法消除單體電池的一致性問題，并且會加劇單體電池的不均衡。

因?yàn)槌霈F(xiàn)個(gè)別落后電池充電不完全，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)、或沒有處理，這種落后就會加劇。如此反復(fù)，這種不均衡就加重，致使落后電池失效，從而引起整組蓄電池的容量過早喪失。

5 ）無人值守站點(diǎn)的維護(hù)工作缺乏良好的管理監(jiān)測手段

對于許多無人值守的站點(diǎn)，由于沒有網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)測的手段，對于蓄電池的維護(hù)更加薄弱，特別是對于蓄電池的運(yùn)行情況以及性能狀況，沒有清楚的了解。大量的維護(hù)與管理工作由人工進(jìn)行，同時(shí)對于維護(hù)人員有較強(qiáng)的專業(yè)知識要求，以便對于數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。

6 ）蓄電池終止壽命無法提前判斷以及蓄電池的更換缺乏科學(xué)的依據(jù)

我們對于蓄電池的壽命終止，希望能夠提前作出判斷，為蓄電池的更換贏得時(shí)間的提前量。但目前對于蓄電池的壽命的終止，沒有一個(gè)可靠的手段，僅僅根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行。所以在實(shí)際中，往往是蓄電池放電的容量低于最低要求后，才在放電中發(fā)現(xiàn)蓄電池的壽命終止。

3 目前蓄電池人工檢測與在線監(jiān)測現(xiàn)狀

目前在蓄電池監(jiān)測與維護(hù)方面存在很多不足，其中各個(gè)部門、單位的監(jiān)測與維護(hù)的手段不一，技術(shù)水平參差不齊，大體可以分為以按照檢測與監(jiān)測進(jìn)行分類：

定期或不定期維護(hù)用設(shè)備 ------- 檢測設(shè)備

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的儀器 ------------- 監(jiān)測設(shè)備

3.1 人工檢測方法與設(shè)備

目前很多后備蓄電池的使用部門，仍然延續(xù)定期或不定期人工檢測維護(hù)的方法來完成蓄電池維護(hù)的工作。檢測的方法與儀器設(shè)備有以下幾類：

放電測試

放電測試需要恒流負(fù)載、容量測試儀等專用設(shè)備，按照蓄電池廠家要求，對蓄電池進(jìn)行定期的放電測試，通過容量的計(jì)算來考察蓄電池的健康程度。目前相當(dāng)多的用戶仍然采用。恒流負(fù)載是實(shí)現(xiàn)放電容量測試的關(guān)鍵設(shè)備，用其完成放電的恒流設(shè)定，通過人工數(shù)據(jù)的測量與記錄，計(jì)算蓄電池的容量；但由于人工測量與記錄的諸多不便，而后產(chǎn)生了容量測試儀，即將大部分的人工完成的工作由裝置自動(dòng)完成。定期的放電測試可以發(fā)現(xiàn)蓄電池中問題，但需要提前加以準(zhǔn)備：

必須將蓄電池與直流系統(tǒng)斷開（無法在線進(jìn)行），同時(shí)由于放電測試的時(shí)間較長（大約 20 小時(shí)），為此需作好充分準(zhǔn)備，避免在放電過程中出現(xiàn)直流系統(tǒng)的停電情況出現(xiàn)，從而造成損失。

必須完成深度放電，才能發(fā)現(xiàn)容量下降的電池。

放電中監(jiān)測每只電池的情況，防止容量小的電池過度放電而損壞。

由于放電測試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能經(jīng)常進(jìn)行，大約每一年進(jìn)行一次即可。

電導(dǎo)測量

這是在考慮到日常工作中無法測量蓄電池的健康程度而開發(fā)的便攜式裝置。即用電導(dǎo)儀定期測量蓄電池組中各個(gè)電池的電導(dǎo)，并通過相近幾次電導(dǎo)的比較，分析蓄電池失效的趨勢，現(xiàn)在許多用戶大都采用該方法。但是該方法存在以下幾點(diǎn)不足：

·由于是人工完成（尤其是夾具），重復(fù)性不好；

·由于各廠家的具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)不同，有交流法、直流法的區(qū)別，其測量的準(zhǔn)確度與抗干擾性相差較大，所以各個(gè)廠家不同儀器測量的數(shù)據(jù)無法比較；

·即使交流法雖然可以在線測量，但由于是定期測量，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測量。

放電測試與電導(dǎo)測試混合使用

由于以上的方法都存在各自的不足之處，所以目前有不少用戶將以上兩種方法混合使用，但無論怎樣，這樣的方法始終是被動(dòng)的、非實(shí)時(shí)、非在線的，只能是檢測手段而已，沒有突破原來的檢測限制。

3.2 在線監(jiān)測的方法與裝置

一些重要的部門，由于沒有檢修時(shí)間的安排，亦或由于空間的限制，無法進(jìn)行以上的檢測，這產(chǎn)生了蓄電池實(shí)時(shí)在線監(jiān)測 ----- 巡檢。目前市場上關(guān)于巡檢裝置有兩類：單電池電壓監(jiān)測，單電池內(nèi)阻監(jiān)測與分析。

電壓巡檢 是以電池組中單電池電壓為監(jiān)測核心，輔以電池浮充電流、電池環(huán)境溫度等，使這些參數(shù)始終保持在正常的數(shù)值范圍內(nèi)，一旦出現(xiàn)異常，監(jiān)測就會報(bào)警。可以說這些參數(shù)正常與否是保證蓄電池運(yùn)行的關(guān)鍵，為此電壓巡檢在目前的電力系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍，同時(shí)由于技術(shù)難度不是很大，目前很多的直流電源的生產(chǎn)廠家都可以生產(chǎn)電壓型的巡檢裝置（又分為繼電器式、全電子式兩種）。

電壓型巡檢裝置是比以往的人工檢測較為可靠、準(zhǔn)確，是蓄電池監(jiān)測的第一代產(chǎn)品，但雖然電壓巡檢可以解決以前較為困難的問題，它仍然是從一個(gè)單一的方面監(jiān)測蓄電池，即只能監(jiān)測蓄電池的運(yùn)行參數(shù)，對于用戶十分關(guān)心的蓄電池健康度問題沒有很好的解決，這樣就在實(shí)際應(yīng)用中帶來諸多影響，例如新電池在投運(yùn)時(shí)從電壓巡檢的角度看新電池沒有差別，但利用其他方法測量就會發(fā)現(xiàn)一組蓄電池中電池之間的明顯差異；在蓄電池運(yùn)行一段時(shí)間后，進(jìn)行蓄電池放電測試，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有一些蓄電池的容量下降較為明顯，但此前電壓巡檢卻無法發(fā)現(xiàn)。其實(shí)出現(xiàn)以上情況是正常的，因?yàn)殡姵仉妷骸㈦娏?、環(huán)境溫度這些參數(shù)只是蓄電池能否正常運(yùn)行的前提條件，或者只是蓄電池運(yùn)行參數(shù)，因?yàn)樾铍姵氐亩穗妷翰⒉荒芊从畴姵氐娜萘刻匦裕萘繃?yán)重下降的電池，在整組浮充電的電池中，其浮充電壓的區(qū)別不足以用來判斷電池是否因因容量降低而失效。至于蓄電池的健康度等用戶十分關(guān)心的問題，不是電壓巡檢所能夠解決的（在實(shí)際中電壓巡檢也可以發(fā)現(xiàn)落后電池，但此時(shí)往往是蓄電池早已進(jìn)入壽命后期；如果試圖用電壓巡檢發(fā)現(xiàn)蓄電池健康問題，那么電壓巡檢所提供的信息是滯后的），為此如何提前發(fā)現(xiàn)落后電池、或提前預(yù)報(bào)蓄電池失效趨勢，是眾多后備蓄電池用戶最為關(guān)注的。