劉希禹
[摘 要] 閥控鉛酸蓄電池需要維護測試和故障預測。通常采用的電池容量試驗和通過監測電池電壓預測單體電池故障的方法不是理想的方法。而利用電池內阻預測單體電池故障是非常有效的，該方法可以替代電池容量試驗方法。本文討論閥控鉛酸蓄電池故障機理，分析現行電池故障預測方法存在的問題，介紹通過測量電池內阻預測閥控鉛酸蓄電池故障的方法。
[關鍵詞] 閥控鉛酸蓄電池 電池監控系統 電池內阻 故障預測
1.引言
閥控鉛酸蓄電池（VRLA）在正常情況下無酸霧和氫、氧氣體排出，無需加水和測量電液比重，對機房無特殊要求，而且其功率密度較大，占用機房面積較小，因此，采用閥控鉛酸蓄電池，比傳統的淹沒式（或排氣式）鉛酸蓄電池投資少，且使用較方便，故很受用戶歡迎。
由于閱控鉛酸蓄電池是密封的，不易進行傳統的維護工作，曾被誤稱為免維護電池。因此，過去不少用戶不了解閥控鉛酸蓄電池維護測試的重要性以及怎樣進行維護測試，故一般不掌握閥控鉛酸蓄電池的狀態，往往在故障發生以后才知道蓄電池有問題。當前，閥控鉛酸蓄電池故障已對電信電源供電安全構成或正在構成重大威脅，有關方面對此應給予足夠的重視。在這種情況下，加強閥控鉛酸蓄電池維護測試和故障預測是極為重要的。
閥控鉛酸蓄電池故障預測是一個非常復雜的問題，也是當前國內外正在探討的問題。
2.閥控鉛酸蓄電池的主要故障機理
2.1內部熱量的產生和熱失控現象
蓄電池的壽命和性能與電池內部產生的熱量密切相關，電池內部的熱源是電池內部的功率損耗，在浮充工作時，電池內部的功率損耗可以簡單地看作是浮充電壓和浮充電流的乘積。在氧再化合反應中，浮充電流會增大因而產生較多的熱量。在恒壓充電時，浮充電流隨溫度上升而增大，增大了的浮充電流又會產生更多的熱量，從而使溫度進一步上升。如果電池內部熱量產生的速率超過蓄電池在一定的環境條件下散熱的能力，蓄電池溫度將會持續上升，以至使電池的塑料殼子變軟，最后導致塑料殼子破裂或熔化。這就是所謂熱失控。所以閥控鉛酸蓄電池進行恒壓充電時，對充電電壓進行負的溫度補償是非常重要的。
2.2正極板柵的腐蝕
閥控鉛酸蓄電池正極板柵合金可選擇為鋁一鈣一錫、鉛一踢、鉛一銻一銅、鉛一鋸一錫等合金。這些合金都會被腐蝕。在腐蝕過程中，鉛被轉變為二氧化鉛，二氧化鋁的體積比鉛大37％，因此引起正極板柵變形和伸長，這種變形稱為正極板柵增長。正極板柵增長會使板柵與有效物質的接觸面積減少，因而導致容量的下降。當正極板柵增長達到4％－7％時，板柵將會斷裂，容量將完全損失。
正極板柵腐蝕的速度隨著溫度、充電電壓和電解液酸濃度的上升而增高。溫度每升高10攝氏度腐蝕速度增加一倍。
2.3負極板連接條的腐蝕
負極板極耳和連接條（匯流條）表面的化學腐蝕是由于氧氣再化合反應和電解液中的硫酸鹽雜質引起的。負極板連接條的腐蝕速度與負極板連接條的耐腐蝕力有關，當負極板連接條合金有不良雜質或結晶顆粒粗大，腐蝕速度會顯著加快，形成災難性腐蝕。
2.4電解液水分損失
閥控鉛酸蓄電池采用了氧再化合技術，使電解液水分的損失降低到最小。但是，由于下列原因水分的損失（失水）是不可避免的：
·氧再化合效率達不到100%，有少量的紅、氧氣仍會通過安全閥排出電池。
·正極板柵的腐蝕的結果是正極板柵的鉛轉變成二氧化 鋁，所需要的氧原子來自電解液中的水，因此要消耗一定的水分。
·有時由于安全閥關閉的故障，大量的氫、氧氣會排出電池，導致電解液水分的損失。
·電解液中的水分會通過電池外殼蒸發。
閥控鉛酸蓄電池的水分損失是影響其壽命的重要原因之一，過量的水分損失稱為“干枯”（dryout），“干枯”會導致電解液的減少和電池容量的損失。
2.5隔板收縮
閥控鉛酸蓄電池的隔板具有多孔結構和很強的吸液能力，不但可以吸附電解液，而且可以保證氧氣的擴散和再化合。隔板具有彈性，正確安裝的閥控鉛酸蓄電池，其隔板承受一定壓力而被壓縮，以使隔板與極板緊密接觸，為正、負極板間的離子流動提供良好的通道。
閥控鉛酸蓄電池在長期工作中，由于隔板與電液間的表面張力的相互作用，隔板的玻璃纖維分子會重新排列成緊湊的結構致使隔板收縮、厚度變薄、失去彈性，隔板原來承受的壓力消失。因此致使隔板不能與極板完全接觸；正、負極板間的離子通道中出現絕緣區，導致電池容量的減少。此外，因為絕緣區的極板物質目放電后不能有效地再充電，故電池性能將進一步惡化。
3.預測電池故障的一般方法
閥控鉛酸蓄電池故障機理是非常復雜的，引起閥控鉛酸蓄電池早期故障的原因是多種多樣的，其中包括生產制造的缺陷、安裝操作的不當、運行條件和環境條件的惡劣等。
前面所述的極板腐蝕、電解液失水、隔板收縮和熱失控是最主要的故障機理。由前面的分析可知，閥控鉛酸蓄電池各種故障的結果都會影響電池的狀態。電池狀態包括充電狀態和“健康”狀態兩個方面，充電狀態是指電池可以實際放出的容量，“健康”狀態是對充電狀態的補充，說明構成電池的元件老化程度及其對電池性能的影響，以及現有電池容量在未來一段時間內能否可靠地放出。只有處于滿充電的“健康”電池才能保證負載的不間斷供電。因此，檢查電池的充電狀態和“健康”狀態可以預測電池故障。預測電池故障的一般方法主要有：
3.1電池容量的測試
電池容量準確測量的唯一方法是進行放電試驗（容量試驗），用這種方法對包括閥控鉛酸蓄電池在內的整個備用電源系統進行全面地檢查，可以檢查出各單體電池和電池外部電路的任何故障，因此被公認為是比較可靠的方法，但是由于下列原因重復進行放電試驗并不是理想的：
·費時費力；
·有一定的危險性；
·需要專用測試設備，費用較高；
·放電試驗會加速電池老化，減少電池壽命；
·在放電試驗期間及放電后的再充電期間，電池在緊急情 況下不能為負載供電；
·放電試驗僅能給出試驗時的電池容量和性能，不能預示將來的容量和性能；
因此，在可能由電池監控替代的情況下，應盡量避免頻繁的放電試驗（特別是滿容量放電試驗地根據IEEE1188－199拓標準建議，閥控鉛酸蓄電池滿容量放電試驗除驗收時進行外，每年只需進行一次。
電池監控應能給出電池充電狀態（容量）和“健康”狀況，確認電池在要求的時間周期內（不僅在現在而且在將來）能可靠地為負載供電。電池監控的最重要的內容包括：
（1）電池充電狀態：檢查和確認電池組中每只電池都處于滿充電狀態。
（2）電池“健康”狀況：通過檢測的一些運行參數間接地導出電池是否有故障。此外，為防止影響將來電池正常工作的有害的工作條件施加于電池，在異常工作條件（例如在高壓下浮充、深度放電和溫度過高等）出現時，應及時告警并切斷充電電流。
3.2電池“健康”狀況的檢測
目前采用的電池監控系統主要是通過檢測單體電池或含有多個單體電池的組合單元電池（以下簡稱單元電池）的電壓判斷電池故障的。
（1）單體浮充電壓監測
對于淹沒式（排氣式）鉛酸蓄電池，通過監測單體電池浮充電壓檢查電池故障是非常有效的。例如，假如電池組中有些單體電池電壓偏移超出允許極限（一般為平均單體電池電壓±50mV），這可能是由于電池沒有正常充電或電池有故障引起的。在這種情況下，一般需將這組電池浮充2周，然后再測量單體（單元）電池電壓。第二次電壓測量可能有兩種不同的結果，處理方法也不相同：
·所有單體電池電壓均在允許的范圍內，這表示所有單體電池均正常。說明第一次測量時有的單體電池電壓偏移 較大是由于當時未處于滿充電狀態。
·情況未變，原來電壓偏低的電池現在電壓仍然偏低。這表示這個電池有故障，應進一步檢查其電解液比重，如果比重降低了，則應更換這個電池。
淹沒式鉛酸蓄電池如果按照上述方法定期檢查浮充電壓．一般可以及時檢查出故障電池。因此平時可以不進行放電試驗。僅在電池接近壽命終止時才需要進行放電試驗。
這種方法已經用于閥控鉛酸電池的故障檢測。然而，由于鬧控鉛酸電池的浮充電壓和電流的關系受內部氧再化合的影響，單體電池浮充電壓的偏移比淹沒式鉛酸蓄電池的大，而且偏移量的變化范圍也大，故試驗的結果不那么明顯。此外，閥控鉛酸蓄電池不能提供電解液比重的參考數據，所以，通過浮充電壓進行閥控鉛酸電池的故障檢測時，檢測結果存在一定的誤差。甚至有“浮充電壓正常但放電時出現嚴重故障”的情況。為了準確地掌握閥控鉛酸電池的狀態，檢測浮充電壓，放電試驗還是必要的。在放電試驗時，結合放電電壓的檢測，可以準確地檢測出故障電池。
（2）單體（單元）電池放電電壓監測
監測單體（單元）電池放電時的電壓變化，是檢測閥控鉛酸電池的故障的一種有效方法。因為單體電池放電時下降的速度與電池的“健康”狀況有關，故障電池的電壓下降得比正常電池快得多。據此可以檢查出故障電池。這種方法檢測結果準確，但必須與放電試驗結合進行。更重要的是，這種試驗必須在市電正常時帶假負載或在有整流器支持的情況下帶真負載放電。在市電停電時電池帶真負載放電過程中，雖然也能檢出故障電池，但檢出故障電池時已對供電系統造成嚴重影響，失去了故障預測的意義。因此需要較頻繁地進行上述試驗。
4.通過監測單體（單元）電池內阻預測電池故障
通過監測單體（單元）電池內阻預測電池故障是一個可以替代頻繁放電試驗的非常可靠的方法。需要說明的是：單體電池的內阻與其容量有關，因此可以用來檢測電池放電時的性能；單體電池的內阻與其容量的關系不是線性的，因此單體電池的內阻不能用來直接表示電池準確的容量，但可以作為電池性能好壞的指示信號。大量實驗結果表明，如果單體電池的內阻增加超過某個經驗數據，這個電池就不能放出應有的容量了。據此可以檢查出故障電池。
4.1電池內阻的測量
電池內阻可以采用交流法或直流法測量。
用交流法測量電池內阻時，將一個交流測試信號加在電池上，然后測量流過電池的電流（I）和該電流在電池兩端產生的交流電壓降（V），由此可以導出阻抗見（V／I）。由于交流信號頻率一般都選擇得可以忽略電容的影響，測得的數據實際上就是電阻。交流法的缺點是易受充電器紋波和其它噪聲源的影響。但是如果選擇適當的測試頻率，并采用有效的濾波器，還是可以避免電源紋波和其它噪聲的影響的。交流法的優點是不需要電池放電，可以方便地進行反復測量。用直流法測量電池內阻時，電池需瞬時放電，然后測量電池端電壓在放電過程中的瞬時變化和放電電流值，據此導出阻抗值。
4.2電池內阻和電池故障機理
參考“閥控鉛酸蓄電池的主要故障機理”的討論和進一步分析，很容易得出閥控鉛酸蓄電池的主要故障機理與電池內阻的關系。
（1）腐蝕
正極板柵和負極連接條的腐蝕都會使電池的金屬通道減少，金屬電阻尼增大，因此，電池內阻增大。
（2）板柵增長
板柵增長與腐蝕和電池的老化有關，板柵增長會使有效物質（涂膏）與板柵松動，同樣導致金屬電阻R增大，因此，電池內阻增大。
（3）硫（酸鹽）化
由于一部分有效物質轉化為硫酸鉛，徐膏的電阻增大，因此電池內阻增大。
（4）干枯
干枯是閥控鉛酸蓄電池所特有最嚴重的故障，干枯將使相鄰板柵間的導電通道電阻增大，最終將完全斷開。
（5）生產制造的缺陷
電池制造方面的缺陷，例如焊接和涂膏等方面的問題也會引起較高的金屬電阻和電池容量的下降。
以上分析表明，閥控鉛酸蓄電池的各類故障部會引起電池內阻的增加。因此，根據電池內阻的變化可以檢測出影響電池性能的所有問題。這些問題可以分為金屬電阻和電化學電阻兩類問題。金屬電阻問題不但可能引起電池容量的減少，還會造成電池端電壓迅速下降，甚至造成供電中斷，對電池性能的影響最嚴重。電化學電阻問題也會使電池容量減少，但由于電化學電阻只占電池內阻的一小部分，當電化學電阻變得很大時才會顯著地影響電池性能。曲線1是具有100％容量的“健康”電池的放電曲線，放電開始時，由于放電電流在電池內阻上產生壓降，電池端電壓從開路電壓突然降低到較低的數值，接著經歷了電壓衰減和恢復過程，穩定后電壓緩慢下降。當電壓下降到終止電壓時，放出了100％的容量。曲線2是金屬電阻較高的同型號電池以相同放電率放電的放電曲線，曲線2從放電開始就比曲線1低并一直持續到放電終止，圖中清楚地表明由于金屬電阻引起的電池容量的下降。曲線3是具有電化學電阻問題的電池的放電曲線，在放電初期，由于電化學電阻引起的容量下降不那么明顯，隨著放電的繼續，容量的下降就顯著增加。從圖中可以看出，無論存在金屬電阻問題或電化學電阻問題電池，當其端電壓下降到終止電壓時，放出的容量都沒有達到100％，電池內阻和／或放電電流越大，電池的額定容量與實際容量的差值越大。
4.3電池老化和電池內阻
電池內阻的大小也表示電池老化的程度，電池老化過程與構成電池的材料和部件在電池設計條件下損壞的速率有關。固定型閥控鉛酸蓄電池壽命都規定為在環境溫度25℃。浮充條件下的使用年限或以規定的放電深度放電的循環次數。電池進人壽命終止的自然過程是非常緩慢的板柵和連接條的腐蝕、涂膏與極板結合的松動以及電解液的干枯的過程。電池老化過程的標志是電池內阻的增加和電池容量的降低，當電池的實際容量降低到額定容量的80％以下時，其老化速度將迅速增加，電池就不能使用了，即電池壽命終止。電池壽命終止時的內阻值一般比初始值增加25％左右，但有的也可能增加50%。
4.4電池溫度和電池內阻
當電池溫度升高時，電解液的活動加強，故電池內阻減少；當電池溫度降低時，電解液的活動減弱，故電池內阻增大。大量試驗數據表明，當溫度較低時（25℃以下），電池內阻隨溫度變化顯著；當溫度較高時（25℃以上），電池內阻隨溫度變化緩慢。
因此，如需要在標準溫度下的電池內阻值，應對測得的電池內阻進行溫度修正。
工作于浮充方式的閥控鉛酸蓄電池，溫度升高時，由于內阻的減小，其浮充電流增大，導電元件的腐蝕加劇，因而壽命減少。另一方面，當溫度很低時，由于內阻的增大，電池就不能對負載放出能量。所以，閥控鉛酸蓄電池的溫度和環境溫度的監測是十分必要的。還必須對充電電壓進行溫度補償，以避免高溫下的過充和低溫下的欠充。
4.5電池充電狀態與電池內阻
電地處于不同的充電狀態時其內阻值不同，滿充電時內阻最小，放電到終止電壓時內阻最大。充電過程中內阻逐漸減小放電過程中內阻逐漸增大。故障電池充電時內阻減小的速度較“健康”電池慢；放電時內阻增大的速度較“健康”電池快。
4.6電池浮充電壓和電池內阻
大量單體電池故障現象表明，單體電池故障時，其內阻增大，浮充電壓上升。但內阻增大和充電壓上升不是同時發生的。內阻增大發生在浮充電壓上升前很長一段時間。當內阻增加值大于基準值的60％以上時，浮充電壓才開始上升。電池內阻從正常值變化到比基準值大60％，一般要經歷相當長的時間（例如幾個月或更長）。如下文所述，內阻增大25％就說明電池已有嚴重故障，而此時浮充電壓仍保持正常狀態。由此可見，利用內阻檢測電池故障可以較早地發現電池故障，而通過浮充電壓檢測故障可能會出現誤差。
4.7閥控鉛酸蓄電池的維護測試要求和內阻測試周期
根據IEEE－1188－1996，閥控鉛酸蓄電池的日常維護測試應包括以下內容：
（1）每月測系統授充電壓、充電電流、溫度并進行電池外觀檢查。
（2）每季測系統浮充電壓、充電電流、溫度和單體電池內阻并進行電池外觀檢查。
（3）每半年測系統浮充電壓、充電電流、溫度、單體電池內阻和單體電池電壓并進行電池外觀檢查。
（4）每年和初始安裝時測系統浮充電壓、充電電流、溫度、單體電池內阻、單體電池電壓和各單體電池之間連接電阻、整個電池組所有連接電阻并進行電池外觀檢查。
該標準明確規定了單體電池內阻測試應至少每個季度進行一次。這是因為閥控鉛酸蓄電池既不能進行電解液比重檢查又不能對電池內部構件進行直觀檢查，需要進行較頻繁的測試。
4.8根據電池內阻判斷電池故障
（1）電池內阻基準值
電池內阻基準值是用來衡量電池內阻變化的參考值。電池內阻基準值可以采用“初始值”或“平均值”。
“初始值”是在新電池安裝后驗收時對每個單體（單元）電池進行內阻測量所得到的電池內阻值。由于“初始值”是在一定的環境溫度下測得的，投入運行的電池，其內阻的測量也應在相同溫度下進行，以便與“初始值”比較。因此，“初始值”適用于溫度比較穩定的應用環境。
“平均值”是指進行單體（單元）電池內阻測量時電池組中所有單體（單元）電池的內阻的平均值。衡量電池內阻時，如果將測得的每個單體（單元）電池內阻與“平均值”相比較，得出的結果可以消除濕度對內阻的影響。
（2）判斷電池故障的依據
根據前面關于影響電池內阻的因素的討論可知，閥控鉛酸蓄電池除非在充放電時，其內阻的變化不是很快，故內阻的增大可以反映電池容量和性能下降的程度。一般說來，當單體（單元）電池浮充時的內阻值比基準值（“初始值”或“平均值”）增大25%以上時，這個電池就可以判斷為故障電池。至于溫度對內阻的影響，如果采用“平均值”作為比較的基準是可以消除的。
（3）故障電池的處理
當某個單體（單元）電池內阻的數值預示該電池有潛在的故障時，可以采取以下措施之一： ·檢查這個電池的連接，必要時擰緊連接螺絲。如果連接正常，單獨給這個電池充電。如果沒有改善，更換這個電池。
·對這個單體（單元）電池進行容量試驗，再根據試驗結果 決定是否更換這個電池。如果其容量小于80％額定容量立即更換這個電池。否則還可以使用一段時間。
·對這個電池所在的整組電池進行容量試驗，更換其中實 際容量小于80％額定容量的所有的電池。如果這組電池中有多個電池的容量達不到80％額定容量，也可考慮更 換整組電池。
究竟采取哪一種措施，取決于系統可靠性和經濟方面的考慮。如果主要考慮可靠性，應選擇第三種措施。第一種措施是最經濟的處理措施，適用于較小的應用系統以及采用短壽命的閥控鉛酸蓄電池的應用系統。無論采用哪種措施，都可以在造成備用電源系統故障以前處理好故障電池，因而可以保證備用電源系統永遠安全可靠地供電。
