铅酸蓄电池维护与测试现状及测试技术发展趋势

liyf · 发表于 2014-10-5 12:31:05

铅酸蓄电池维护与测试现状及测试技术发展趋势

摘要：介绍了影响蓄电池使用寿命的因素，并就容量测试技术的现状进行了分析，结合实际介绍了蓄电池容量测试技术的发展趋势。 关键词：蓄电池；使用寿命；容量测试技术；发展趋势
引言
随着信息、能源、电子技术的快速发展,VRLA电池目前已被广泛地应用于邮电、通信、电力、交通、船舶、航空航天、应急照明等诸多领域。与普通的铅酸蓄电池相比，VRLA电池由于采用了内部氧复合技术，大大缓解了电解液的损耗，从而使蓄电池在免维护状态下长期服役，而且具有体积小、防爆、电压稳定、无污染、重量轻、放电性能高、维护量小等优点，所以深受各个行业的青睐。
但是，VRLA电池自上个世纪80年代投入实际使用以来，也出现了较多的问题和争议，甚至还对VRLA电池的可靠性产生过怀疑，这对VRLA电池的正常使用和推广产生了不利的影响。
作为后备电源，蓄电池是确保设备正常运行的最后一道防线，具有特殊的作用和意义。目前，广泛应用的VRLA电池声称免维护，仅是指平时无须加酸液和水，无须调节电解液的密度。由于蓄电池平时处于浮充状态，时间一长，就会出现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、极板腐蚀及硫化等现象，从而导致容量降低甚至失效，一旦市电中断，有可能酿成重大事故。因此，定期对蓄电池进行管理和维护，便能够保证蓄电池有较长的使用寿命，从而保证通信设备拥有不间断电源。所以，在通信设备用电源系统的维护中，蓄电池的维护管理占据非常重要的位置。为了充分发挥蓄电池作为后备电源的作用，以保证通信、电力系统的正常运行，使得对后备电源的维护问题成为了我们探讨的中心。
1 蓄电池使用寿命
影响阀控式铅酸蓄电池实际使用寿命的因素很多，起主要作用的有以下几方面。
1.1 温度与容量的关系
阀控式蓄电池在环境温度为25℃时的容量为100％；超过25℃时，每升高10℃蓄电池的容量会减少一半；而在25℃以下时，温度与容量的关系如表1所列。
表1 在25℃以下时温度与容量的关系

温度/℃	当前容量/％
25	100
20	95
15	90
10	84
5	76
0	71

从表1不难看出，阀控式蓄电池的容量是随着温度的变化而变化的，维护人员必须认真做到根据实际温度的变化合理地调整蓄电池的放电电流，同时要控制好蓄电池的环境温度使其保持在22℃～25℃以内。
1.2 不同的充电方式对蓄电池寿命的影响
对阀控式铅酸蓄电池的维护需要建立精确的充放电制度并加以实施，才能使该蓄电池达到最优的性能和最长的使用寿命。国内外大量研究的结果表明，充放电方式决定了蓄电池使用的寿命，有一些蓄电池与其说是使用坏的，不如说是充电方式不妥被损坏的。在这方面，国内有许多蓄电池生产厂家和科研院所或学校都做过类似的实验。经泰伦电源技术研究所试验证明，将蓄电池分成两组进行实验，一组采用普通恒压限流方式进行全容量寿命的试验，另一组则采用阶段恒流充电方式控制充电的容量，并在充电后期采用短时间中等电流冲击方式进行容量循环寿命的试验。结果，两组蓄电池因采用不同的充电方式而得到相差甚大的循环寿命，其中采用阶段恒流充电方式的蓄电池循环寿命较长。可见，目前被广泛采用的恒压限流充电方式，特别在充电后期是有相当缺憾的。由于目前使用的整流设备，特别是开关电源不具备恒流特性，采用第二种充电的方式还存在一定的困难，为此，陕西柯蓝电子有限公司研制出了全新的CR－DC48全自动充电机。
CR－DC48全自动充电机充电的主要过程是将脉冲充电分成一个或几个阶段，严格按照蓄电池充电特性曲线进行自动充电，设计的充电模式是“恒流→（均充稳压值）定压减流→（自动判别转为）涓流浮充”三波段式使电解液降温。这种方法比较理想，可以消除硫化。
1.3 放电与容量的关系
大家知道，不同倍率的放电电流会使蓄电池有不同的容量，如表2所列。
表2 放电与容量的关系

放电率/h	蓄电池额定容量的百分数/％	放电电流倍数	终止电压/V
0.5	45	7	1.7
1	55	5.14	1.75
3	75	2.5	1.8
10	100	1.0	1.8

在通信电源直流供电系统中配置的蓄电池容量是不相同的，对蓄电池在实际放电电流下运行的容量应有一个准确的计算。
这里值得注意的是，在小电流放电条件下形成的硫酸铅，要氧化还原是十分困难的，这是因为在小电流放电下形成的硫酸铅颗粒的尺寸远比大电流放电条件下的大，就是说在大电流条件下晶体形成的速度要比小电流条件下慢，晶体来不及生长就很快被氧化还原了，因而颗粒比较小。而在小电流条件下，较大的硫酸铅晶体就不容易被还原。如硫酸铅晶体长期得不到清理，必然会影响蓄电池的容量和使用寿命。
1.4 浮充电压的设置对蓄电池寿命的影响
浮充运行是蓄电池的最佳运行条件，运行时电池一直处于满荷电状态，理论上在此条件下运行蓄电池将达到最长的使用寿命。
浮充电压的设置对蓄电池的寿命具有相当重要的影响，浮充电压产生的电流量应达到补偿自放电及电池单体放电电量和维持氧循环的需要。
不合理的浮充电压主要在两个方面影响电池，即正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放。特别是当电池的浮充电压超过一定值时，板栅腐蚀现象会进一步加剧，电池内的氧气和氢气产生较高气压，通过排气阀排放，从而造成电池失水，正极腐蚀则意味着电池失水，进一步加剧电池劣化、寿命缩短。若将浮充电压超过一定幅度，增大的浮充电流会产生更多的盈余气体，这样便使氧在负极复合受到阻力，从而削弱了氧的循环机能。
此外浮充运行时，充电电压还应随环境温度作适当调整，具体可以参考有关技术资料或者电池厂家给出的相关参数要求。15均充电方法对蓄电池寿命的影响
均充电是为了防止某些蓄电池因容量、端压的不一致而进行的补充电。一般做法是将浮充电压提高0.05～0.07V/℃，但最高不得超过2.35V。由于在均衡充电时气体的产生量比浮充充电时多几十倍，所以充电时间不能太长，以避免盈余气体影响氧的再复合效率，使失水量增加，而且使板栅腐蚀速度增加，从而损坏电池。一般对于新电池或状态较好的电池，均充充电时电压应相对较低，而对于使用时间较长或者性能较差的电池，均充电压可适当升高。
1.6 蓄电池容量检测中注意的问题
蓄电池容量测试受到实际操作条件的影响，如在非标准条件（如放电倍率、溶液温度等）下检测时，应先换算成标准情况下的容量，以便在此基础上进行分析研究和比较判断，不过对于普通维护人员，换算工作显然比较繁杂。
在容量检测时，操作也要谨慎，首先，应了解直流供电和市电供电情况，油机发电机能否启动。检测时应时时注意直流供电系统的情况和市电的供电情况，一旦发现不正常，应立即停止蓄电池容量检测工作，恢复整流器的正常输出，以免影响正常供电。
2 传统的蓄电池维护测试技术发展历程及效果分析
2.1 早期蓄电池电压的测量法
蓄电池的性能状态最终体现在电池的容量与落后程度上，电池的电压可以在一定程度上反映出电池性能的好坏，当电池放电到一定程度后，其电压值便开始明显降低，在早期的电池维护中，由于测试仪器的匮乏，维护人员普遍采用万用表对电池电压进行测量，通过电压高低来简单判断电池性能的好坏，而电池的实际放电能力只能通过电池实际容量反映出来，通过测量电池端电压只能在一定程度上反映电池的落后情况。实际操作中，我们经常会发现，在浮充状态下，坏电池或者落后电池与正常电池的电压没有太明显区别，也没有太好的规律性可言，大量研究实践证明，即便是浅度放电状态，单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能的好坏。
2.2 核对放电法
长期以来，蓄电池放电试验主要沿用以下两种方式：一是利用实际负载进行核对性放电试验，二是利用传统电阻箱进行放电试验。传统电阻箱放电容量试验，蓄电池组须脱离系统，利用电阻箱对电池组进行放电试验，经过数小时后，可以找出最落后的一到几节电池，以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容量，并以此容量作为整组电池的容量。
容量试验是检测电池容量最直接、最可靠的方法，无论是在线还是离线进行检测，都必须设置备用电源作为防范措施，以保证通信安全。
传统的核对放电设备普遍采用电阻丝或者水阻进行核对放电，并且是人工操作，程序繁琐，存在一定的人身危险，这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前，国内外普遍采用了新型的智能核对放电技术，该技术利用PWM控制原理，根据放电过程中电池组放电电压的变化，对放电假负载可以进行实时调整，以保证电池组恒流放电。
核对放电法具有容量测试准确可靠的优点，因此，仍然是目前世界上检测电池性能的最可靠方法，同时由于核对放电本身可以对电池起到一定的维护作用，所以，核对放电是其他设备暂时还不能替代的。不过它的缺点也很突出，主要表现为：
——核对放电时间长，风险大，电池组须脱离系统，蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，并且增加了系统断电风险；
——进行核对性放电试验，必须具备一定条件，首先，尽可能在市电基本保障的条件下进行；其次，机房必须有备用电池组，所以，更适于具备一主一备电池组结构的机房。
——目前，核对放电只能测试整组电池容量，不能测试每一节单体电池容量，以容量最低的一节作为整组容量，而其他部分电池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。
频繁地对蓄电池进行深放电，会产生硫酸铅沉淀，导致极板硫酸化，容量下降，电池落后，因此，不适宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。
所以，核对放电只能对蓄电池进行定期维护，无法满足日常维护的需要。
2.3 在线快速容量测试法（电池巡检法）
在放电状态下，对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检，找出端电压下降最快的一只，将其确认为落后电池，再利用核对放电仪器，对该节电池进行核对放电，检测其容量，即代表该组电池的容量。
目前，用在线快速测试法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣化电池，但还不足以准确测定电池的好坏程度，包括电池的容量等指标，仅适宜作为一个定性测试的参考。以前有厂家根据客户的需求特点，推出一系列在线测试电池容量的设备与仪器，即在线监测仪或在线巡检仪，其宣传的重点是容量测试不仅快速准确可靠，而且可以在线进行。这种技术研究的思路是值得推广的，不过技术研究情况以及在各地基站进行的实地测试表明，除了少数情况外，一般都达不到一个很理想的效果。原因是多方面的，其中有蓄电池的生产制造工艺的原因，有蓄电池电化学特性的原因，有蓄电池的实际使用与维护的原因，有实际测试条件的原因等。
这种方法的优点是操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是测试精度低，只能作为电池落后状态判定依据，不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高，如要达到一定的测试精度，则机房一般应满足包括放电因素在内的系列条件，而机房实际情况却各有差别，大多达不到相应的测试要求，所以，测试情况还不是很理想，尤其是容量测试准确度较低。
2.4 电导（内阻）测量法
电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号，测量出与电压同相位的交流电流值，其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数，不同的测试频率下有不同的电导值，在低频率下，电池电导与电池容量相关性很好，一般测量频率在30Hz左右，根据不同容量的电池其测量频率一般会作相应调整。电池的容量越小，电池电阻越大，电导值越小。
电导法能准确查出完全失效的电池，根据大量的实验分析及研究结果证明，电池的容量只有降低到50％以后，内阻或者电导会有较大变化，降低到40％以后，会有明显变化，所以，根据电池电导值或者内阻值，可以在一定程度上确定电池的性能，但对于电池的好坏程度，还不能提供准确的数据依据。因此，采用电导法测试电池的内阻或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路，但却不足以准确地测算出电池的实际性能指标，尤其是容量指标。
电导测量技术虽然测试工作比较简单，但是，由于内阻与容量线性关系不好，所以，测试结果不能很好地反映蓄电池的真实健康状况。
3 容量测试技术发展趋势
在各地区的实际应用中，阀控式蓄电池的使用寿命是否终结的主要判据为，电池的剩余容量是否满足机房工作要求，或者满足有关维护规程的要求。随着广大电池维护工作者对电池构造、工艺、工作原理认识的逐步深入，早期那种单纯靠电池端电压来了解电池性能的方法已经被淘汰，而依据在线测试法对电池进行容量测试的手段还不够准确和可靠，所以，了解电池的实际容量最准确的方法是通过放电检测的手段来进行，国家有关电源维护规程中的核对放电试验目前仍是唯一被公认的测试剩余容量的最有效方法，它是衡量蓄电池在关键时刻能否发挥作用，确保通信畅通与生产正常的重要手段。但由于风险大，时间过长，工作量过大，不宜作为日常检验的测试仪器，只宜作为电池组以一年一度或者三年一度的核对放电测试。
针对目前的实际情况，包括广大蓄电池制造厂家、蓄电池测试技术研究机构，以及广大蓄电池维护人员而言，都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言，这种需求更显迫切。
遗憾的是，蓄电池是一种非常复杂的设备，对它进行快速准确的容量测试是非常困难的。从蓄电池性能与容量测试技术、测试效果的角度来看，作者认为可以将蓄电池在线测试技术归纳为定性测试技术。之前讲到的包括电导法、内阻法、电压测量法等，也都可以归之为一个技术大类，即定性测试技术类。而核对放电技术可以归之为定量测试技术类。定性测试技术的侧重点在于给我们提供一个蓄电池性能状态的参考，不需要准确测算整组电池或每节单体电池的实际容量指标，这样就不会给客户造成误导。而作为它的重点即在于给我们提供一个准确的电池容量值，最终可以作为市电断电后机房电源支撑能力的依据，这是至关重要的。
对电池组进行实际容量测试的目的在于能够准确掌握电池组的实际放电能力，根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，电池组荷电容量达不到80％便应整组淘汰，但是，一般客户在使用过程中，即便电池容量只有60％，有的甚至只有40％也还在继续使用，更有的相对落后地区，电池组实际容量甚至不到20％，这是非常危险的，一旦市电突然中断，造成的后果可想而知。出现这个情况的原因首先是由于蓄电池更换费用昂贵，其次是我们的一线工程师没有一种有效的手段可以及时、快速、准确、可靠地掌握机房电池的实际荷电能力。在这种情况下，作者认为一种快速定量的蓄电池容量测试技术与产品的推出就显得更为迫切。这种技术或者产品的推出，将有效解决目前困扰电池测试领域的一个世界性难题。
4 结语
目前全国范围内用电情况日趋紧张，预计到2008年，国内市电供电状况才能得到逐步改善，因此，今后几年内基站的供电保障状况将更令人担忧，蓄电池使用环境将更恶劣，如何确保基站通信畅通，提高通信可靠性，提升服务质量，同时又经济合理配置通信设备是各运营商面临的一个课题，而如何延长蓄电池供电时间和使用寿命是该课题的一个最主要内容。当然影响基站蓄电池寿命的因素很多，一个快速可靠的容量测试仪器，可以及时地发现蓄电池所出现的问题并解决问题，才能确保基站通信畅通。在这方面，柯蓝电子为广大客户提供了一个较为完美的解决方案。

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