阀控式蓄电池在线维护技术的应用研究

徐剑虹袁玲

杭州高特电子设备有限公司310012 杭州

摘要：以往对阀控式铅酸蓄电池的监测仅仅停留在对电池电压和内阻的测试上，没有有效的分析及维护手段，本文从浮充电压对阀控电池容量及寿命的影响角度，讨论了阀控电池浮充状态的分析判断方法，并提出了通过在线充放电的控制来调整阀控电池浮充状态的技术，达到对电池在线维护、改善性能、延长寿命的目的。本文还提出了具体的实现方案，举例了应用结果。

关键词：阀控式蓄电池浮充状态数学模型在线补充电在线活化

一．概述

不论是电力变电站、通信机房还是移动基站，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，20多年来人们一直被阀控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了，或者只能维持很短的时间[1]。为此人们作了很多探索，提出了很多阀控电池的失效机理[2][3] [4]，也对阀控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[5] [6]，也有人提出了蓄电池的测试数学模型[7]等等，让我们看到了阀控电池测试技术的发展和希望。

本文不再赘述阀控电池的失效机理和测试方法，而是从蓄电池在线维护的角度出发，讨论了蓄电池浮充电压对电池性能的影响，及其离散度和电池容量的关系，提出了对可能发生或已经表现出的落后电池进行在线维护的技术，以改善蓄电池组的性能，延长蓄电池组使用寿命，并以较为成熟和低成本的技术方案予以实现，在此基础上开发了可以实际应用的产品。

二．浮充电压对阀控电池的影响

为了补充阀控式铅酸蓄电池备用时由于自放电引起的容量损失，在实际使用中，作为备用的铅酸蓄电池平时都处于浮充电状态。即给蓄电池二端加上一定的充电电压，使电池处于浮充电流产生的充电和自放电引起的容量损失的动态平衡状态，保持蓄电池是满容量的。

单体浮充电压是根据电池厂家要求设定的，阀控电池一般在2.23~2.27V之间。单体浮充电压对阀控电池的容量和寿命有着明显的影响，图一说明了这一影响的关系。

图一. 浮充电压及环境温度与电池寿命关系曲线[8]

可以看出同样的温度下，浮充电压过低（2.21V）或过高（2.30V）对电池寿命都是不利的。

在蓄电池组实际运行时，充电机并不是对每个电池单独控制充电的，而是控制整组电池的充电电压。如要求单体浮充电压为2.25V时，对通信电源的24节电池组，则整组电池电压设为：24×2.25＝54V；对电力电源108节电池组，则整组电池电压设为：108×2.25＝243V。这时，问题就产生了——由于电池生产过程中材料、工艺等非一致性，导致了单体电池性能参数的非一致性，每个单体电池并没有按理想设定的浮充电压（2.25V）在充电！

图二记录了一组电池使用初期单体电池浮充电压的变化。

图二. 电池组使用初期单体电池浮充电压[9]

显然，单体电池浮充电压波动很大，高的超过了2.30V以上，低的超过了2.20V以下，这就为蓄电池的失效埋下了种子。

•过高的浮充电压意味着对电池的过充，加速了正极板腐蚀并减少了电池寿命；

•同样，过低的浮充电压意味着对电池的欠充，加速负极板腐蚀，也减少了电池寿命；

•电池组中各单体电池电压会相互影响，产生更大的波动，加强了过充和欠充现象。

图三描述了充电电压与极板腐蚀速率的关系，显示了过高和过低的充电电压对极板腐蚀的影响。

图三. 充电电压与极板腐蚀速率

在对实际运行的蓄电池组浮充电压数据进行分析后，可以看到浮充电压的偏离现象，尽管理论和实践都证明，单体电池的浮充电压和电池容量没有相关性[10]，但是浮充电压的离散度却和电池性能有相关性，通过放电测试验证了浮充电压长期偏离对容量的影响，尤其是浮充电压离散度更能表征对电池容量产生的影响。

图四

图四为某电信机房一组蓄电池组中其中1＃和7＃电池的浮充电压与平均浮充电压的比较图，显然1＃电池处于长期欠充电状态，7＃电池处于长期过充电状态。

放电数据完全证实了这一判断，1＃电池由于长期处于欠充电状态，放电电压明显低于平均电压，且在放电终止时回升缓慢，而7＃电池由于处于长期过充电状态，放电电压也明显低于平均电压，但在放电终止时迅速跳跃回升，表现了内阻的作用。图五。

图五

图六是另一机房的浮充电压数据，可以看到某几节电池浮充电压明显的偏离平均电压，有些蓄电池处于长期欠充状态，放电测试也同样验证了分析结果。

图六

从以上分析和数据可以得出：

•阀控式铅酸蓄电池的浮充电压会对电池容量和寿命产生影响；

•由于电池制造工艺的非一致性，也由于蓄电池总是成组使用的，导致了实际使用中浮充电压离散性不可避免的存在。

三．在线维护技术的提出

既然已经知道了阀控式铅酸蓄电池的浮充电压对电池容量和寿命的影响，是否可以通过改善浮充电压来改善电池容量和延长使用寿命呢？

有电池厂家提出过对每个单体电池进行均压充电的技术，在每个电池二端加入箝位电路，使浮充电压达到一致，最后发现每个电池实际就是有差异的，简单的强制均压效果并不好。

也有人提出了根据电池差异，在线调整充电电压的方法，并且取得了较好的效果[11]。

考虑到在线调整浮充电压的复杂性和高成本，本文从浮充电压对阀控式铅酸蓄电池产生影响的机理出发，提出了在线维护的原理和方法。

1．通过监测浮充电压的离散度、内阻的变化趋势等相关参数，分析阀控电池实际的运行状态。

由于阀控电池平时一直处于浮充电状态，所以只有三种可能，即正常浮充状态、过充状态、欠充状态。这一状态的判别，并不是简单的在某一时刻去测量单体电池浮充电压，而是应该通过一段时间的电压数据分析，如自身离散度的变化、相对整组离散度的变化等，再辅以内阻的变化，才能较为准确的获得浮充电状态。

2．对确认过充的电池，予以在线活化。

当电池处于长期过充电状态，将加速正极板的腐蚀，影响电池容量。过充的电池会在浮充电压中得到表现，并依据本文提及的分析方法得出判断，通过在线对过充电池适当调整浮充电压（轻微的放电），和充放电维护活化，可改善过充对电池造成的损害，并使电池恢复到正常浮充电状态。

3．对确认欠充的电池，予以在线补充电。

长期充电不足或是在放电后没有及时完全充电，将导致负极板的硫酸盐化，使原本处于欠充的负极板PbSO4无法得到还原，并影响电池容量。欠充的电池会在浮充电压中得到表现，并依据本文提及的分析方法得出判断，及时予以在线补充电，改善可能出现的硫化现象，使电池恢复到正常浮充电状态。

四．在线维护技术的实现

现在的蓄电池监测系统中，不论是现场设备、单机版监控软件，还是网络监控系统，一般都缺乏对蓄电池状态分析的有效方法，即使有一些内阻的在线测试，也只是显示了内阻数据，而没有告知电池状态，更没有维护的手段。为此，根据上述思路，我们在已有的蓄电池监测模块（BMM）的基础上，增加了二大模块：

1．将蓄电池监测模块（BMM）通过网络联网或接入已有的动环系统，并在远程计算机系统中安装分析软件模块——蓄电池失效数学模型，实时监测和分析蓄电池浮充电压的离散度、内阻的变化趋

势等相关参数，分析阀控电池实际的运行状态，并针对性的发出维护指令。

2．在蓄电池监测模块（BMM）内增加蓄电池维护模块，可以对任意单体电池充放电进行控制，实现在线对单体电池浮充电压进行调整，补充电或放电。当系统发现某一电池浮充电压有持续异常或

性能有偏差时，发出维护指令，则蓄电池监测模块（BMM）执行相应的充放电维护程序。

图七图七描述了整个系统实现框图。对于设备的测量方法、维护方法及具体电路本文不再深入讨论。

五．应用实例

本文所描述的系统已经在一些电力变电站直流蓄电池监测系统中使用。

图八为某电力变电站蓄电池组浮充电压运行数据，其中A时刻对整组蓄电池组进行了充放电维护，可以直观地看出，在线维护后，整组电池浮充电压的离散性变小，其一致性明显变好。

图八

图九是整组蓄电池在此运行时间段里浮充电压的组离散度，通过数值可以更明确地发现，本组蓄电池在维护前后，整组浮充电压表现的差异。

图九

在图八，看到有两节蓄电池的浮充电压明显偏高，且在此运行阶段，波动较大，图十是其中一节40#蓄电池的浮充电压离散度表现，其中B时刻对该电池进行充放电维护，从图上看，40#电池的浮充电压离散性在进行维护后明显变好，且离散度本身的变化波动也明显变小。本节电池的浮充电压由维护前的2.303V拉回到2.256V正常浮充状态。

图十

六．结论

1．阀控式铅酸蓄电池的浮充电压是电池运行的非常关键的参数，会对电池极板产生渐变的、长期的影响，导致电池处于欠充或过充状态，对电池容量和寿命产生影响；

2．由于电池制造工艺的非一致性，也由于蓄电池总是成组使用的，导致了实际使用中浮充电压离散性不可避免的存在，因而浮充电压对电池可能的欠充和过充状态总是存在的；

3．为了改变浮充电压对阀控电池的影响或改善已经发生欠充和过充的电池性能，对电池进行维护是必要的，也是可行的；

4．本文提出了一种在线维护的方案，通过对单体电池充放电进行控制，实现在线对单体电池浮充电压进行调整、补充电或活化，进而改善浮充电压对电池造成过充和欠充的影响。应用数据表明了方案的有效性和可行性。

参考文献：

[1] 李克民，蓄电池是通信电源技术维护工作中的重中之重. 电信技术2003( 5 )

[2] 潘文章. 铅酸密封蓄电池早期失效原因分析与改善方法探讨.

[3] 吴贤章，胡信国. 循环用阀控电池失效模式的研究. 电池2003（10）：299-301

[4] 王秀菊，李莉. 电力电源中蓄电池失效模式及在线监测. 电源技术2004（12）：790-793

[5] Dr. David Feder. Field&Laboratory Studies To Assess the State Of HealthOf Valve-Regulated

Lead Acid Batteries:Part I - Conductance/Capacity Correlation Studies (Intele1992)

[6] Dr. David Feder. Analysis and Interpretation of Conductance Measurements used to Assess the State-Of-Health of Valve Regulated Lead Acid Batteries (Intele1994)

[7] 崔虹，徐剑虹. 阀控式铅酸蓄电池（VRLA）失效数学模型的研究 .电信技术2007( 5 )

[8] EXIDE，电池衰退结构图（PPT）

[9] 南都，客户交流18期资料（PPT）

[10] A.I.Harrison and R.P.Bullough. Float voltage characteristics of valve regulated lead-acid batteries

[11] 丁涛，彭伟，娄洁良. 荷满、均压是通信用阀控式铅酸蓄电池在线诊断的必要条件