后备电源蓄电池组运行中的问题以及活化维护

哈尔滨龙易电气有限公司 于雷

一、后备电源蓄电池运行中存在的隐患

当前，作为后备电源的蓄电池组由于自身使用的特点（长期处于浮充状态下），加之目前充电技术的不完善，使得蓄电池组在实际运行中存在诸多问题：1、 一段时间的运行，蓄电池组就会出现个别电池落后、劣化，造成一致性差异。当新投运的蓄电池组运行一段时间后，通过内阻、容量等监测或检测手段，就会发现出现个别电池落后、劣化等问题。这在实际运行中经常出现，甚至当新电池运行初期，这种落后就存在。这是当用户采购规定配置的蓄电池组后，蓄电池厂家就应根据用户选定的容量、电压，对组成蓄电池组的各个单电池，进行一定程度的筛选，将其中性能差异较大的单电池（即性能太高、太低的电池）剔除，采用一致性较好的电池配组。但由于蓄电池组在配组过程中对于一致性的要求较低，致使投运的电池组中已经存有一致性问题。在一段时间的使用后，该差异由于充电机无法区别对待各个电池，造成一致性差异较大电池开始出现落后、劣化。

而图1，是一组投运3个月蓄电池组的电压、内阻直方图。按照常规，通过电压数值，应该说这组蓄电池一致性较好，但通过内阻数值，已经可以看出，蓄电池组存在一定的差异。

由此可见，如果仅仅通过电压表征蓄电池状况，至少是不充分的，而通过蓄电池的内阻参数表征蓄电池性能，将更为可靠。

2、个别蓄电池出现漏液，当蓄电池运行一段时间后，经常会出现个别电池自安全阀处出现白色结晶物，这是由于电池中电解液出现外溢，究其原因：是由于充电时安全阀开启频繁，或安全阀动作压力阈值较低，造成电解液外漏。

3、电池出现落后，造成整组蓄电池性能下降的恶性循环。当电池组中蓄电池出现落后电池时，由于充放电机制无法对其进行区别对待，如：充电机输出依然按照最初设定电压值进行浮充，但各个电池接受能力不一致，致使个别落后电池造成恶性循环，并加剧一致性差异，因而造成整组蓄电池性能下降的加剧，严重影响蓄电池使用年限。

4、蓄电池实际运行使用寿命无法达到设计年限。根据实际运行情况，目前几乎没有蓄电池组可以达到厂商承诺的使用年限，出现这个问题有几个方面的技术原因：其一蓄电池厂家在配组中一致性指标控制不力，目前国内大多蓄电池厂家仅仅以蓄电池静止电压、动态电压差异，作为一致性判断标准，缺乏内阻等指标的衡量；其二，目前蓄电池的工作方式大都以后备电源使用，而目前的充电机几乎都是高频开关电源，其充电机理无外乎均充、浮充等方式，没有针对蓄电池运行的后备特点，做出相应的调整。

二、蓄电池失效模式的分析

对于阀控式铅酸电池，通常的性能变坏机制有：正极板群的腐蚀、活性性质的脱落、深放电引起的钝化和深度放电后的恢复等等，以下是几种性能变坏的情况：

(1) 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。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，最后失效。

为此业界一直将降低蓄电池浮充电压，作为延长蓄电池寿命的手段，目前我国已经有一些厂家，将蓄电池浮充电压降低到2.20 V/单体（25℃），这几十个毫伏的降低，可以延长蓄电池使用寿命20～50％。

 (2) 硫酸盐化

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 ^2-

正极上发生氧化反应：

PbSO₄ + 2H₂O  = PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 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盐化。

极板的硫酸盐化也成为不可逆硫酸化，这种现象是由于使用维护不当造成的。所谓硫酸盐化，是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，使电池减少了容量，坚硬而粗大的硫酸铅常常是在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。硫酸盐化的根本原因是电解液中有表面活性物质之类的杂质，如果它们吸附在硫酸铅表面上，则将使硫酸铅溶解缓慢，因而限制了在充电时二价铅离子的阴极还原，如果表面活性物质吸附在金属铅上，则在充电时提高了铅在铅表面形成晶核的能量，即提高了铅析出的过电位，因而充电不能正常进行。正极硫酸盐化比较困难，这是因为正极充电时进行阳极极化，其电位值较正，足以把表面活性物质氧化掉，所以正极不容易发生硫酸盐化。

因此，当电池放电时，由于硫酸盐覆盖与活性物质表面，因而影响了活性物质的有效反应面积，致使可用的放电安时容量减小，大大降低了蓄电池容量。

(3) 正极板群的腐蚀和脱落

阀控式铅酸电池中，这种形式的性能变坏本来就更加严重。由于氧循环反应，负极活性物质被持续氧化生成硫酸铅，有效地维持了放电状态，因此降低了负极板的电位。而对于给定的浮充电压正极板群的电位则相应较高。因而氧化气氛加剧了，引起了更多的氧气的析出，使活性物质的腐蚀与脱落加剧。由于板栅是活性物质附着的载体，板栅一旦腐蚀，就会带来活性物质的脱落，从而带来蓄电池容量的下降。

(4) 电解液及隔膜的变化

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。

VRLA蓄电池的隔膜具有多孔结构和很强的吸液能力，不但可以吸附电解液，而且可以保证氧的扩散和再化合。隔膜在初始安装时承受一定压力，以使隔膜与极板紧密接触，为正、负极板间的离子流动提供良好的通路。

VRLA蓄电池在长期工作中，由于隔膜与电解液间的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。

三、蓄电池充放电机制的改进

通过以上的分析，实际运行中，发生蓄电池运行故障或问题，是正常的，至少在当前和未来一段时间内，在蓄电池技术没有取得较大突破情况下。

如何提高蓄电池运行效率，减少以上问题的发生，鉴于后备电源的特点，其充放电机制可以一些改进。现有的蓄电池充电机制是：当蓄电池组出现放电或初充电等时，首先采用恒流充电方式，即均充模式；而充至一定电压后，电源自动转化限压限流充电模式，之后自动转为为浮充下（即涓流模式），此后蓄电池组长期处于该浮充状态下，以补充蓄电池组自放电带来的电量损失，即蓄电池组在线运行99％的时间是处于后备浮充状态下。虽然该种充电机制可以保证蓄电池正常的工作状态，在实际使用中，这种充电机制，无法有效抑制蓄电池的劣化，同时由于在浮充中没有对蓄电池组各劣化电池进行分别对待，反而容易引起蓄电池组一致性差异，造成蓄电池劣化的加剧，造成蓄电池组使用寿命的提前终止。

为此可以在充电机制方面，可以采用如脉冲间歇式充电方式、通过电流、电压的变化，做到间歇式充电；同时还可采用浮充与静止交替的方法；对于每三个月或一定时间，将蓄电池投运到负载上，使其产生放电动作，放电深度可以控制在30％左右，然后使其充满。等等的充放电机制的改进，对于开关电源技术而言，特别是单片机控制技术，完全可以实现。

四、蓄电池活化维护

活化在实际使用中，由于一组蓄电池的容量是由其中最小落后单体电池容量决定的，所以首先需要找到最小落后单体电池，以便在日后维修中，给予特别关注。

当找到一组电池中的落后电池后，传统处理方法是将整组电池进行均充，但实际情况证明，这种做法不仅对提高该落后电池的性能没有效果，而且容易造成正常情况下电池因过度充电而失水。

蓄电池的常见失效模式大致有四种：活性物质硫酸盐化、蓄电池失水、极板腐蚀、热失控。其中60％以上的蓄电池劣化是由于蓄电池活性物质硫酸盐化造成的。因此如何有效的降低硫酸盐化程度，提高活性物质，无疑解决蓄电池组性能失效问题的关键。

为此，我们开发出LM-100脉冲蓄电池活化仪，采用独创的正负脉冲活化技术，通过电源循环技术及变频共振原理，激化蓄电池极板失效的活性物质，提高蓄电池组性能的一致性，延长蓄电池使用寿命。采用自动控制原理对电池进行在线活化性能检测，再通过控制面板的液晶显示屏进行数据监测

其独特的脉冲活化以及变频激励技术，向结果层面输送特定的变频激励信号，这激励信号不但使陈旧的硫酸盐层得以转化，而且还使新形成的硫酸盐层不可能堆积和硬化，使电池彻底摆脱硫酸盐化趋势，使硫酸化层保持不稳定的离子状态，从而使蓄电池始终处于全新状态。

该技术不但可以消除蓄电池极板活性物质的硫酸化，降低蓄电池内阻，提高蓄电池性能；同时对于蓄电池失水、极板腐蚀、热失控等失效模式，具有积极的抑止作用。

为验证蓄电池在线诊断与智能活化技术的实际效果，我们在吉林省某公司的2218组蓄电池，进行实际验证，从中选择240只电池，进行活化前后的比对，如图2所示。

通过图2，可以看出，活化前后蓄电池容量都呈现不同程度的增长，证明该活化技术对于电池性能恢复的有效性：，蓄电池容量可以恢复10～35%。

同时通过众多蓄电池活化前后容量的比对，可以看出：对于活化前容量低于标称容量40％以下的蓄电池，活化后容量的恢复程度，远远不如活化前容量在40％以上的蓄电池容量提升的程度高；由此可见，对于蓄电池活化应该立足于性能劣化的初期，这样的活化效果更为显著，而对于蓄电池劣化严重的蓄电池（保有容量40％以下），活化技术虽然会有一些效果，但已经失去了最佳活化时机。

对于蓄电池活化等措施的采取，应该选择合适的最佳时机，以保证蓄电池活化效果。为此对于蓄电池组的活化应该采用及时的手段，即：当蓄电池出现劣化的初期，就进行活化工作，以此延长蓄电池组的使用寿命。当蓄电池性能劣化的后期（即蓄电池容量低于标称容量40%以下），活化效果将不能得到充分的保证。