閥控鉛酸蓄電池的失效探討及在線監(jiān)測

目前，蓄電池監(jiān)測模塊大多都是電壓巡檢儀，在線監(jiān)測電池的浮充電壓，在超出設(shè)定值時給出報警。相對以前的整組電壓監(jiān)測方式來說，單體電壓監(jiān)測是前進(jìn)了一大步，但對于電池的長期運(yùn)行過程中的容量衰減以至失效的監(jiān)測，電壓能反映的問題非常有限：100Ah的電池和衰減至10Ah的電池在浮充電壓上的差異很難區(qū)別開來。因此，需要從蓄電池的失效模式進(jìn)行探討，從而解決蓄電池的監(jiān)測問題。

二、閥控鉛酸蓄電池的失效模式

對于閥控式鉛酸電池，通常的性能變壞機(jī)制有以下幾種情況：

1、 熱量的積累

開口式鉛酸電池在充電時，除了活性物質(zhì)再生外，還有硫酸電解質(zhì)中的水逐步電解生成氫氣和氧氣。當(dāng)氣體從電池蓋出氣孔通向大氣時，每18克水分解產(chǎn)生11.7千卡的熱。

而對于閥控式鉛酸電池來說，充電時內(nèi)部產(chǎn)生的氧氣流向負(fù)極，氧氣在負(fù)極板處使活性物質(zhì)海綿狀鉛氧化，并有效低補(bǔ)充了電解而失去的水。由于氧循環(huán)抑制了氫氣的析出，而且氧氣參與反應(yīng)又生成水。這樣雖然消除了爆炸性的氣體混合物的排出問題，但是這種密封式使熱擴(kuò)散減少了一種重要途徑，而只能通過電池殼壁的熱傳導(dǎo)作為放熱的唯一途徑。

閥控鉛酸電池依賴于電殼壁的熱傳導(dǎo)來散熱，電池安裝時良好的通風(fēng)和較低的室溫是很重要的條件。為了進(jìn)一步降低熱失控的危險性，浮充電壓通常具體視不同的生產(chǎn)者和不同室溫而定。廠家一般都給出電池的浮充電壓和溫度補(bǔ)償系數(shù)。

2、硫酸化

閥控式比開口式電池更易產(chǎn)生的問題是負(fù)極板的硫酸化。這是由于：

1）氧的循環(huán)引起的負(fù)極板較低的電位；

2）在強(qiáng)酸電解質(zhì)匯集的電池底部形成的酸的分層，在這種不流動，非循環(huán)的電解質(zhì)系統(tǒng)中是很難避免的。

這兩個都可能在浮充條件下產(chǎn)生一定數(shù)量的殘留硫酸鹽，然后轉(zhuǎn)變成永久性的硫酸鹽形式。因此，當(dāng)極板加速去活化時，可用的放電安時容量就會減小。隨著負(fù)極板溫度的升高，這種狀況會更加惡化。由于氧循環(huán)反應(yīng)的發(fā)生，負(fù)極板表面被氧化，相當(dāng)數(shù)量的熱釋放出來。

3、 正極板群的腐蝕和脫落

閥控式鉛酸電池中，這種形式的性能變壞本來就更加嚴(yán)重。由于氧循環(huán)反應(yīng)，負(fù)極活性物質(zhì)被持續(xù)氧化生成硫酸鉛，有效地維持了放電狀態(tài)，因此降低了負(fù)極板的電位。而對于給定的浮充電壓正極板群的電位則相應(yīng)較高。因而氧化氣氛加劇了，引起了更多的氧氣的析出，使活性物質(zhì)的腐蝕與脫落加劇。

4、 電池的干涸

在使用期間氣體再復(fù)合機(jī)制的有效率不是100%，水被電解生成氫氣和氧氣的速度雖然低于相同大小的富液式電池的電解速率的2%，但水還是會逐漸失去。

當(dāng)失水是主要的失效原因時，電解質(zhì)的比重將會增加，當(dāng)比重由最初的1.30增至1.36時，表示失水度約達(dá)到25%。在失水度達(dá)到25%時，酸的高濃度加速了硫酸化，電解質(zhì)比重又開始下降。電池電壓直接正比于電解質(zhì)比重，因此電池電壓并不是電池健康狀況的可靠顯示。

5、 負(fù)極上部鉛的腐蝕

正極板柵和極群的腐蝕性在鉛酸電池的各個設(shè)計中都是本來就有的。與之形成明顯對比的是負(fù)極板位于高度還原氣氛，在開口式電池中位于極群匯流排通常浸在電解液液面以下，這樣就避免了由于正極板群上冒出的氧氣而產(chǎn)生的侵蝕。但是閥控電池的許多設(shè)計沒有保護(hù)極板板耳、極群和匯流排，特別是兩者之間的焊接接頭。因此，它們暴露在從氧循環(huán)中逃溢出來、在電池板群上部的連續(xù)的氧氣氣流中。依賴于板柵（板耳）和極群所選鉛合金的一致性和生產(chǎn)質(zhì)量（需要板柵部分完全溶化焊接和匯流排的低孔隙率），迅速氧化可能就會發(fā)生。

三、蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的研制

為了給蓄電池提供良好的運(yùn)行環(huán)境，在線監(jiān)測電池的工作狀況，電池管理系統(tǒng)（BMS-Battery　Management System）應(yīng)運(yùn)而生，成為高可靠電源系統(tǒng)的關(guān)鍵一部分。

1、電池單體的內(nèi)阻測量

內(nèi)阻R反比于傳輸電流的橫截面積A。活性物質(zhì)的脫落、極板板柵和匯流排的硫酸化和腐蝕、干涸都可降低有效的橫截面積A，所以可通過測量內(nèi)阻來檢測電池的失效。

內(nèi)阻和電池狀態(tài)的相關(guān)程度可變性很大。從報導(dǎo)的相關(guān)性來看，變化范圍從0%到100%。英國電子協(xié)會（ERA）對用阻抗監(jiān)測的實(shí)驗室設(shè)計和商用設(shè)計兩種產(chǎn)品進(jìn)行了大量的電池調(diào)查，發(fā)現(xiàn)二者的準(zhǔn)確性在50%以上。一個基本的困難是測量小變化數(shù)值的精度問題。正常的300安時備用電流的電阻僅在0.25