鉛酸蓄電池維護(hù)與測(cè)試現(xiàn)狀及測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

鉛酸蓄電池維護(hù)與測(cè)試現(xiàn)狀及測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

摘要：介紹了影響蓄電池使用壽命的因素，并就容量測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際介紹了蓄電池容量測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：蓄電池；使用壽命；容量測(cè)試技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

0??? 引言

??? 隨著信息、能源、電子技術(shù)的快速發(fā)展,VRLA電池目前已被廣泛地應(yīng)用于郵電、通信、電力、交通、船舶、航空航天、應(yīng)急照明等諸多領(lǐng)域。與普通的鉛酸蓄電池相比，VRLA電池由于采用了內(nèi)部氧復(fù)合技術(shù)，大大緩解了電解液的損耗，從而使蓄電池在免維護(hù)狀態(tài)下長(zhǎng)期服役，而且具有體積小、防爆、電壓穩(wěn)定、無污染、重量輕、放電性能高、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，所以深受各個(gè)行業(yè)的青睞。

??? 但是，VRLA電池自上個(gè)世紀(jì)80年代投入實(shí)際使用以來，也出現(xiàn)了較多的問題和爭(zhēng)議，甚至還對(duì)VRLA電池的可靠性產(chǎn)生過懷疑，這對(duì)VRLA電池的正常使用和推廣產(chǎn)生了不利的影響。

??? 作為后備電源，蓄電池是確保設(shè)備正常運(yùn)行的最后一道防線，具有特殊的作用和意義。目前，廣泛應(yīng)用的VRLA電池聲稱免維護(hù)，僅是指平時(shí)無須加酸液和水，無須調(diào)節(jié)電解液的密度。由于蓄電池平時(shí)處于浮充狀態(tài)，時(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)活性物質(zhì)脫落、電解液干涸、極板變形、極板腐蝕及硫化等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致容量降低甚至失效，一旦市電中斷，有可能釀成重大事故。因此，定期對(duì)蓄電池進(jìn)行管理和維護(hù)，便能夠保證蓄電池有較長(zhǎng)的使用壽命，從而保證通信設(shè)備擁有不間斷電源。所以，在通信設(shè)備用電源系統(tǒng)的維護(hù)中，蓄電池的維護(hù)管理占據(jù)非常重要的位置。為了充分發(fā)揮蓄電池作為后備電源的作用，以保證通信、電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使得對(duì)后備電源的維護(hù)問題成為了我們探討的中心。

1??? 蓄電池使用壽命

??? 影響閥控式鉛酸蓄電池實(shí)際使用壽命的因素很多，起主要作用的有以下幾方面。

1.1??? 溫度與容量的關(guān)系

??? 閥控式蓄電池在環(huán)境溫度為25℃時(shí)的容量為100％；超過25℃時(shí)，每升高10℃蓄電池的容量會(huì)減少一半；而在25℃以下時(shí)，溫度與容量的關(guān)系如表1所列。

表1??? 在25℃以下時(shí)溫度與容量的關(guān)系

1.2??? 不同的充電方式對(duì)蓄電池壽命的影響

??? 對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的維護(hù)需要建立精確的充放電制度并加以實(shí)施，才能使該蓄電池達(dá)到最優(yōu)的性能和最長(zhǎng)的使用壽命。國(guó)內(nèi)外大量研究的結(jié)果表明，充放電方式?jīng)Q定了蓄電池使用的壽命，有一些蓄電池與其說是使用壞的，不如說是充電方式不妥被損壞的。在這方面，國(guó)內(nèi)有許多蓄電池生產(chǎn)廠家和科研院所或?qū)W校都做過類似的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)泰倫電源技術(shù)研究所試驗(yàn)證明，將蓄電池分成兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一組采用普通恒壓限流方式進(jìn)行全容量壽命的試驗(yàn)，另一組則采用階段恒流充電方式控制充電的容量，并在充電后期采用短時(shí)間中等電流沖擊方式進(jìn)行容量循環(huán)壽命的試驗(yàn)。結(jié)果，兩組蓄電池因采用不同的充電方式而得到相差甚大的循環(huán)壽命，其中采用階段恒流充電方式的蓄電池循環(huán)壽命較長(zhǎng)?？梢?，目前被廣泛采用的恒壓限流充電方式，特別在充電后期是有相當(dāng)缺憾的。由于目前使用的整流設(shè)備，特別是開關(guān)電源不具備恒流特性，采用第二種充電的方式還存在一定的困難，為此，陜西柯藍(lán)電子有限公司研制出了全新的CR－DC48全自動(dòng)充電機(jī)。

??? CR－DC48全自動(dòng)充電機(jī)充電的主要過程是將脈沖充電分成一個(gè)或幾個(gè)階段，嚴(yán)格按照蓄電池充電特性曲線進(jìn)行自動(dòng)充電，設(shè)計(jì)的充電模式是“恒流→（均充穩(wěn)壓值）定壓減流→（自動(dòng)判別轉(zhuǎn)為）涓流浮充”三波段式使電解液降溫。這種方法比較理想，可以消除硫化。

1.3??? 放電與容量的關(guān)系

??? 大家知道，不同倍率的放電電流會(huì)使蓄電池有不同的容量，如表2所列。

表2??? 放電與容量的關(guān)系

??? 這里值得注意的是，在小電流放電條件下形成的硫酸鉛，要氧化還原是十分困難的，這是因?yàn)樵谛‰娏鞣烹娤滦纬傻牧蛩徙U顆粒的尺寸遠(yuǎn)比大電流放電條件下的大，就是說在大電流條件下晶體形成的速度要比小電流條件下慢，晶體來不及生長(zhǎng)就很快被氧化還原了，因而顆粒比較小。而在小電流條件下，較大的硫酸鉛晶體就不容易被還原。如硫酸鉛晶體長(zhǎng)期得不到清理，必然會(huì)影響蓄電池的容量和使用壽命。

1.4??? 浮充電壓的設(shè)置對(duì)蓄電池壽命的影響

??? 浮充運(yùn)行是蓄電池的最佳運(yùn)行條件，運(yùn)行時(shí)電池一直處于滿荷電狀態(tài)，理論上在此條件下運(yùn)行蓄電池將達(dá)到最長(zhǎng)的使用壽命。

??? 浮充電壓的設(shè)置對(duì)蓄電池的壽命具有相當(dāng)重要的影響，浮充電壓產(chǎn)生的電流量應(yīng)達(dá)到補(bǔ)償自放電及電池單體放電電量和維持氧循環(huán)的需要。

??? 不合理的浮充電壓主要在兩個(gè)方面影響電池，即正極板柵腐蝕速率和電池內(nèi)氣體的排放。特別是當(dāng)電池的浮充電壓超過一定值時(shí)，板柵腐蝕現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步加劇，電池內(nèi)的氧氣和氫氣產(chǎn)生較高氣壓，通過排氣閥排放，從而造成電池失水，正極腐蝕則意味著電池失水，進(jìn)一步加劇電池劣化、壽命縮短。若將浮充電壓超過一定幅度，增大的浮充電流會(huì)產(chǎn)生更多的盈余氣體，這樣便使氧在負(fù)極復(fù)合受到阻力，從而削弱了氧的循環(huán)機(jī)能。

??? 此外浮充運(yùn)行時(shí)，充電電壓還應(yīng)隨環(huán)境溫度作適當(dāng)調(diào)整，具體可以參考有關(guān)技術(shù)資料或者電池廠家給出的相關(guān)參數(shù)要求。

1.5??? 均充電方法對(duì)蓄電池壽命的影響

??? 均充電是為了防止某些蓄電池因容量、端壓的不一致而進(jìn)行的補(bǔ)充電。一般做法是將浮充電壓提高0.05～0.07V/℃，但最高不得超過2.35V。由于在均衡充電時(shí)氣體的產(chǎn)生量比浮充充電時(shí)多幾十倍，所以充電時(shí)間不能太長(zhǎng)，以避免盈余氣體影響氧的再?gòu)?fù)合效率，使失水量增加，而且使板柵腐蝕速度增加，從而損壞電池。一般對(duì)于新電池或狀態(tài)較好的電池，均充充電時(shí)電壓應(yīng)相對(duì)較低，而對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)或者性能較差的電池，均充電壓可適當(dāng)升高。

1.6??? 蓄電池容量檢測(cè)中注意的問題

??? 蓄電池容量測(cè)試受到實(shí)際操作條件的影響，如在非標(biāo)準(zhǔn)條件（如放電倍率、溶液溫度等）下檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先換算成標(biāo)準(zhǔn)情況下的容量，以便在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析研究和比較判斷，不過對(duì)于普通維護(hù)人員，換算工作顯然比較繁雜。

??? 在容量檢測(cè)時(shí)，操作也要謹(jǐn)慎，首先，應(yīng)了解直流供電和市電供電情況，油機(jī)發(fā)電機(jī)能否啟動(dòng)。檢測(cè)時(shí)應(yīng)時(shí)時(shí)注意直流供電系統(tǒng)的情況和市電的供電情況，一旦發(fā)現(xiàn)不正常，應(yīng)立即停止蓄電池容量檢測(cè)工作，恢復(fù)整流器的正常輸出，以免影響正常供電。

2??? 傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)測(cè)試技術(shù)發(fā)展歷程及效果分析

2.1??? 早期蓄電池電壓的測(cè)量法

??? 蓄電池的性能狀態(tài)最終體現(xiàn)在電池的容量與落后程度上，電池的電壓可以在一定程度上反映出電池性能的好壞，當(dāng)電池放電到一定程度后，其電壓值便開始明顯降低，在早期的電池維護(hù)中，由于測(cè)試儀器的匱乏，維護(hù)人員普遍采用萬用表對(duì)電池電壓進(jìn)行測(cè)量，通過電壓高低來簡(jiǎn)單判斷電池性能的好壞，而電池的實(shí)際放電能力只能通過電池實(shí)際容量反映出來，通過測(cè)量電池端電壓只能在一定程度上反映電池的落后情況。實(shí)際操作中，我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，在浮充狀態(tài)下，壞電池或者落后電池與正常電池的電壓沒有太明顯區(qū)別，也沒有太好的規(guī)律性可言，大量研究實(shí)踐證明，即便是淺度放電狀態(tài)，單純通過電壓高低完全不足以判別電池性能的好壞。

2.2??? 核對(duì)放電法

??? 長(zhǎng)期以來，蓄電池放電試驗(yàn)主要沿用以下兩種方式：一是利用實(shí)際負(fù)載進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)，二是利用傳統(tǒng)電阻箱進(jìn)行放電試驗(yàn)。傳統(tǒng)電阻箱放電容量試驗(yàn)，蓄電池組須脫離系統(tǒng)，利用電阻箱對(duì)電池組進(jìn)行放電試驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)小時(shí)后，可以找出最落后的一到幾節(jié)電池，以落后電池到達(dá)終止電壓時(shí)的放電時(shí)間與放電電流來估算其容量，并以此容量作為整組電池的容量。

??? 容量試驗(yàn)是檢測(cè)電池容量最直接、最可靠的方法，無論是在線還是離線進(jìn)行檢測(cè)，都必須設(shè)置備用電源作為防范措施，以保證通信安全。

??? 傳統(tǒng)的核對(duì)放電設(shè)備普遍采用電阻絲或者水阻進(jìn)行核對(duì)放電，并且是人工操作，程序繁瑣，存在一定的人身危險(xiǎn)，這種傳統(tǒng)的核對(duì)放電試驗(yàn)方式正在逐步被淘汰。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用了新型的智能核對(duì)放電技術(shù)，該技術(shù)利用PWM控制原理，根據(jù)放電過程中電池組放電電壓的變化，對(duì)放電假負(fù)載可以進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證電池組恒流放電。

??? 核對(duì)放電法具有容量測(cè)試準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此，仍然是目前世界上檢測(cè)電池性能的最可靠方法，同時(shí)由于核對(duì)放電本身可以對(duì)電池起到一定的維護(hù)作用，所以，核對(duì)放電是其他設(shè)備暫時(shí)還不能替代的。不過它的缺點(diǎn)也很突出，主要表現(xiàn)為：

??? ——核對(duì)放電時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大，電池組須脫離系統(tǒng)，蓄電池組所存儲(chǔ)的化學(xué)能全部以熱能形式消耗掉，既浪費(fèi)了電能又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且增加了系統(tǒng)斷電風(fēng)險(xiǎn)；

??? ——進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)，必須具備一定條件，首先，盡可能在市電基本保障的條件下進(jìn)行；其次，機(jī)房必須有備用電池組，所以，更適于具備一主一備電池組結(jié)構(gòu)的機(jī)房。

??? ——目前，核對(duì)放電只能測(cè)試整組電池容量，不能測(cè)試每一節(jié)單體電池容量，以容量最低的一節(jié)作為整組容量，而其他部分電池由于放電深度不夠，其劣化或落后程度還不能完全充分暴露出來。

??? 頻繁地對(duì)蓄電池進(jìn)行深放電，會(huì)產(chǎn)生硫酸鉛沉淀，導(dǎo)致極板硫酸化，容量下降，電池落后，因此，不適宜對(duì)鉛酸蓄電池頻繁進(jìn)行深放電。

??? 所以，核對(duì)放電只能對(duì)蓄電池進(jìn)行定期維護(hù)，無法滿足日常維護(hù)的需要。

2.3??? 在線快速容量測(cè)試法（電池巡檢法）

??? 在放電狀態(tài)下，對(duì)蓄電池組的各單體電池的端電壓進(jìn)行巡檢，找出端電壓下降最快的一只，將其確認(rèn)為落后電池，再利用核對(duì)放電儀器，對(duì)該節(jié)電池進(jìn)行核對(duì)放電，檢測(cè)其容量，即代表該組電池的容量。

??? 目前，用在線快速測(cè)試法可以較快地判定電池組中部分或者個(gè)別落后或劣化電池，但還不足以準(zhǔn)確測(cè)定電池的好壞程度，包括電池的容量等指標(biāo)，僅適宜作為一個(gè)定性測(cè)試的參考。以前有廠家根據(jù)客戶的需求特點(diǎn)，推出一系列在線測(cè)試電池容量的設(shè)備與儀器，即在線監(jiān)測(cè)儀或在線巡檢儀，其宣傳的重點(diǎn)是容量測(cè)試不僅快速準(zhǔn)確可靠，而且可以在線進(jìn)行。這種技術(shù)研究的思路是值得推廣的，不過技術(shù)研究情況以及在各地基站進(jìn)行的實(shí)地測(cè)試表明，除了少數(shù)情況外，一般都達(dá)不到一個(gè)很理想的效果。原因是多方面的，其中有蓄電池的生產(chǎn)制造工藝的原因，有蓄電池電化學(xué)特性的原因，有蓄電池的實(shí)際使用與維護(hù)的原因，有實(shí)際測(cè)試條件的原因等。

??? 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小，并可以快速查找落后電池。不過最大的缺點(diǎn)還是測(cè)試精度低，只能作為電池落后狀態(tài)判定依據(jù)，不能準(zhǔn)確測(cè)算電池的好壞程度及電池容量指標(biāo)。同時(shí)測(cè)試要求較高，如要達(dá)到一定的測(cè)試精度，則機(jī)房一般應(yīng)滿足包括放電因素在內(nèi)的系列條件，而機(jī)房實(shí)際情況卻各有差別，大多達(dá)不到相應(yīng)的測(cè)試要求，所以，測(cè)試情況還不是很理想，尤其是容量測(cè)試準(zhǔn)確度較低。

2.4??? 電導(dǎo)（內(nèi)阻）測(cè)量法

??? 電導(dǎo)測(cè)量是向蓄電池兩端加一個(gè)已知頻率和振幅的交流電壓信號(hào)，測(cè)量出與電壓同相位的交流電流值，其交流電流分量與交流電壓的比值即為電池的電導(dǎo)。電導(dǎo)是頻率的函數(shù)，不同的測(cè)試頻率下有不同的電導(dǎo)值，在低頻率下，電池電導(dǎo)與電池容量相關(guān)性很好，一般測(cè)量頻率在30Hz左右，根據(jù)不同容量的電池其測(cè)量頻率一般會(huì)作相應(yīng)調(diào)整。電池的容量越小，電池電阻越大，電導(dǎo)值越小。

??? 電導(dǎo)法能準(zhǔn)確查出完全失效的電池，根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)分析及研究結(jié)果證明，電池的容量只有降低到50％以后，內(nèi)阻或者電導(dǎo)會(huì)有較大變化，降低到40％以后，會(huì)有明顯變化，所以，根據(jù)電池電導(dǎo)值或者內(nèi)阻值，可以在一定程度上確定電池的性能，但對(duì)于電池的好壞程度，還不能提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，采用電導(dǎo)法測(cè)試電池的內(nèi)阻或電導(dǎo)是判定蓄電池好壞的一種有價(jià)值的參考思路，但卻不足以準(zhǔn)確地測(cè)算出電池的實(shí)際性能指標(biāo)，尤其是容量指標(biāo)。

??? 電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)雖然測(cè)試工作比較簡(jiǎn)單，但是，由于內(nèi)阻與容量線性關(guān)系不好，所以，測(cè)試結(jié)果不能很好地反映蓄電池的真實(shí)健康狀況。

3??? 容量測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

??? 在各地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中，閥控式蓄電池的使用壽命是否終結(jié)的主要判據(jù)為，電池的剩余容量是否滿足機(jī)房工作要求，或者滿足有關(guān)維護(hù)規(guī)程的要求。隨著廣大電池維護(hù)工作者對(duì)電池構(gòu)造、工藝、工作原理認(rèn)識(shí)的逐步深入，早期那種單純靠電池端電壓來了解電池性能的方法已經(jīng)被淘汰，而依據(jù)在線測(cè)試法對(duì)電池進(jìn)行容量測(cè)試的手段還不夠準(zhǔn)確和可靠，所以，了解電池的實(shí)際容量最準(zhǔn)確的方法是通過放電檢測(cè)的手段來進(jìn)行，國(guó)家有關(guān)電源維護(hù)規(guī)程中的核對(duì)放電試驗(yàn)?zāi)壳叭允俏ㄒ槐还J(rèn)的測(cè)試剩余容量的最有效方法，它是衡量蓄電池在關(guān)鍵時(shí)刻能否發(fā)揮作用，確保通信暢通與生產(chǎn)正常的重要手段。但由于風(fēng)險(xiǎn)大，時(shí)間過長(zhǎng)，工作量過大，不宜作為日常檢驗(yàn)的測(cè)試儀器，只宜作為電池組以一年一度或者三年一度的核對(duì)放電測(cè)試。

??? 針對(duì)目前的實(shí)際情況，包括廣大蓄電池制造廠家、蓄電池測(cè)試技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，以及廣大蓄電池維護(hù)人員而言，都在積極探索一種快速、準(zhǔn)確、可靠、安全的蓄電池測(cè)試技術(shù)。特別對(duì)于廣大現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工程師而言，這種需求更顯迫切。

??? 遺憾的是，蓄電池是一種非常復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)它進(jìn)行快速準(zhǔn)確的容量測(cè)試是非常困難的。從蓄電池性能與容量測(cè)試技術(shù)、測(cè)試效果的角度來看，作者認(rèn)為可以將蓄電池在線測(cè)試技術(shù)歸納為定性測(cè)試技術(shù)。之前講到的包括電導(dǎo)法、內(nèi)阻法、電壓測(cè)量法等，也都可以歸之為一個(gè)技術(shù)大類，即定性測(cè)試技術(shù)類。而核對(duì)放電技術(shù)可以歸之為定量測(cè)試技術(shù)類。定性測(cè)試技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)在于給我們提供一個(gè)蓄電池性能狀態(tài)的參考，不需要準(zhǔn)確測(cè)算整組電池或每節(jié)單體電池的實(shí)際容量指標(biāo)，這樣就不會(huì)給客戶造成誤導(dǎo)。而作為它的重點(diǎn)即在于給我們提供一個(gè)準(zhǔn)確的電池容量值，最終可以作為市電斷電后機(jī)房電源支撐能力的依據(jù)，這是至關(guān)重要的。

??? 對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)際容量測(cè)試的目的在于能夠準(zhǔn)確掌握電池組的實(shí)際放電能力，根據(jù)國(guó)家有關(guān)電源維護(hù)規(guī)程以及蓄電池維護(hù)效果要求，電池組荷電容量達(dá)不到80％便應(yīng)整組淘汰，但是，一般客戶在使用過程中，即便電池容量只有60％，有的甚至只有40％也還在繼續(xù)使用，更有的相對(duì)落后地區(qū)，電池組實(shí)際容量甚至不到20％，這是非常危險(xiǎn)的，一旦市電突然中斷，造成的后果可想而知。出現(xiàn)這個(gè)情況的原因首先是由于蓄電池更換費(fèi)用昂貴，其次是我們的一線工程師沒有一種有效的手段可以及時(shí)、快速、準(zhǔn)確、可靠地掌握機(jī)房電池的實(shí)際荷電能力。在這種情況下，作者認(rèn)為一種快速定量的蓄電池容量測(cè)試技術(shù)與產(chǎn)品的推出就顯得更為迫切。這種技術(shù)或者產(chǎn)品的推出，將有效解決目前困擾電池測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)世界性難題。

4??? 結(jié)語(yǔ)

??? 目前全國(guó)范圍內(nèi)用電情況日趨緊張，預(yù)計(jì)到2008年，國(guó)內(nèi)市電供電狀況才能得到逐步改善，因此，今后幾年內(nèi)基站的供電保障狀況將更令人擔(dān)憂，蓄電池使用環(huán)境將更惡劣，如何確?；就ㄐ艜惩?，提高通信可靠性，提升服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)又經(jīng)濟(jì)合理配置通信設(shè)備是各運(yùn)營(yíng)商面臨的一個(gè)課題，而如何延長(zhǎng)蓄電池供電時(shí)間和使用壽命是該課題的一個(gè)最主要內(nèi)容。當(dāng)然影響基站蓄電池壽命的因素很多，一個(gè)快速可靠的容量測(cè)試儀器，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)蓄電池所出現(xiàn)的問題并解決問題，才能確保基站通信暢通。在這方面，柯藍(lán)電子為廣大客戶提供了一個(gè)較為完美的解決方案。