鉛酸蓄電池維護與測試現狀及測試技術發展趨勢

鉛酸蓄電池維護與測試現狀及測試技術發展趨勢

摘要：介紹了影響蓄電池使用壽命的因素，并就容量測試技術的現狀進行了分析，結合實際介紹了蓄電池容量測試技術的發展趨勢。

關鍵詞：蓄電池；使用壽命；容量測試技術；發展趨勢

0??? 引言

??? 隨著信息、能源、電子技術的快速發展,VRLA電池目前已被廣泛地應用于郵電、通信、電力、交通、船舶、航空航天、應急照明等諸多領域。與普通的鉛酸蓄電池相比，VRLA電池由于采用了內部氧復合技術，大大緩解了電解液的損耗，從而使蓄電池在免維護狀態下長期服役，而且具有體積小、防爆、電壓穩定、無污染、重量輕、放電性能高、維護量小等優點，所以深受各個行業的青睞。

??? 但是，VRLA電池自上個世紀80年代投入實際使用以來，也出現了較多的問題和爭議，甚至還對VRLA電池的可靠性產生過懷疑，這對VRLA電池的正常使用和推廣產生了不利的影響。

??? 作為后備電源，蓄電池是確保設備正常運行的最后一道防線，具有特殊的作用和意義。目前，廣泛應用的VRLA電池聲稱免維護，僅是指平時無須加酸液和水，無須調節電解液的密度。由于蓄電池平時處于浮充狀態，時間一長，就會出現活性物質脫落、電解液干涸、極板變形、極板腐蝕及硫化等現象，從而導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，定期對蓄電池進行管理和維護，便能夠保證蓄電池有較長的使用壽命，從而保證通信設備擁有不間斷電源。所以，在通信設備用電源系統的維護中，蓄電池的維護管理占據非常重要的位置。為了充分發揮蓄電池作為后備電源的作用，以保證通信、電力系統的正常運行，使得對后備電源的維護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??? 溫度與容量的關系

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

表1??? 在25℃以下時溫度與容量的關系

1.2??? 不同的充電方式對蓄電池壽命的影響

??? 對閥控式鉛酸蓄電池的維護需要建立精確的充放電制度并加以實施，才能使該蓄電池達到最優的性能和最長的使用壽命。國內外大量研究的結果表明，充放電方式決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，國內有許多蓄電池生產廠家和科研院所或學校都做過類似的實驗。經泰倫電源技術研究所試驗證明，將蓄電池分成兩組進行實驗，一組采用普通恒壓限流方式進行全容量壽命的試驗，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間中等電流沖擊方式進行容量循環壽命的試驗。結果，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壽命，其中采用階段恒流充電方式的蓄電池循環壽命較長?？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缺憾的。由于目前使用的整流設備，特別是開關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，陜西柯藍電子有限公司研制出了全新的CR－DC48全自動充電機。

??? CR－DC48全自動充電機充電的主要過程是將脈沖充電分成一個或幾個階段，嚴格按照蓄電池充電特性曲線進行自動充電，設計的充電模式是“恒流→（均充穩壓值）定壓減流→（自動判別轉為）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??? 放電與容量的關系

??? 大家知道，不同倍率的放電電流會使蓄電池有不同的容量，如表2所列。

表2??? 放電與容量的關系

??? 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，這是因為在小電流放電下形成的硫酸鉛顆粒的尺寸遠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。如硫酸鉛晶體長期得不到清理，必然會影響蓄電池的容量和使用壽命。

1.4??? 浮充電壓的設置對蓄電池壽命的影響

??? 浮充運行是蓄電池的最佳運行條件，運行時電池一直處于滿荷電狀態，理論上在此條件下運行蓄電池將達到最長的使用壽命。

??? 浮充電壓的設置對蓄電池的壽命具有相當重要的影響，浮充電壓產生的電流量應達到補償自放電及電池單體放電電量和維持氧循環的需要。

??? 不合理的浮充電壓主要在兩個方面影響電池，即正極板柵腐蝕速率和電池內氣體的排放。特別是當電池的浮充電壓超過一定值時，板柵腐蝕現象會進一步加劇，電池內的氧氣和氫氣產生較高氣壓，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，增大的浮充電流會產生更多的盈余氣體，這樣便使氧在負極復合受到阻力，從而削弱了氧的循環機能。

??? 此外浮充運行時，充電電壓還應隨環境溫度作適當調整，具體可以參考有關技術資料或者電池廠家給出的相關參數要求。

1.5??? 均充電方法對蓄電池壽命的影響

??? 均充電是為了防止某些蓄電池因容量、端壓的不一致而進行的補充電。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。由于在均衡充電時氣體的產生量比浮充充電時多幾十倍，所以充電時間不能太長，以避免盈余氣體影響氧的再復合效率，使失水量增加，而且使板柵腐蝕速度增加，從而損壞電池。一般對于新電池或狀態較好的電池，均充充電時電壓應相對較低，而對于使用時間較長或者性能較差的電池，均充電壓可適當升高。

1.6??? 蓄電池容量檢測中注意的問題

??? 蓄電池容量測試受到實際操作條件的影響，如在非標準條件（如放電倍率、溶液溫度等）下檢測時，應先換算成標準情況下的容量，以便在此基礎上進行分析研究和比較判斷，不過對于普通維護人員，換算工作顯然比較繁雜。

??? 在容量檢測時，操作也要謹慎，首先，應了解直流供電和市電供電情況，油機發電機能否啟動。檢測時應時時注意直流供電系統的情況和市電的供電情況，一旦發現不正常，應立即停止蓄電池容量檢測工作，恢復整流器的正常輸出，以免影響正常供電。

2??? 傳統的蓄電池維護測試技術發展歷程及效果分析

2.1??? 早期蓄電池電壓的測量法

??? 蓄電池的性能狀態最終體現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，在早期的電池維護中，由于測試儀器的匱乏，維護人員普遍采用萬用表對電池電壓進行測量，通過電壓高低來簡單判斷電池性能的好壞，而電池的實際放電能力只能通過電池實際容量反映出來，通過測量電池端電壓只能在一定程度上反映電池的落后情況。實際操作中，我們經常會發現，在浮充狀態下，壞電池或者落后電池與正常電池的電壓沒有太明顯區別，也沒有太好的規律性可言，大量研究實踐證明，即便是淺度放電狀態，單純通過電壓高低完全不足以判別電池性能的好壞。

2.2??? 核對放電法

??? 長期以來，蓄電池放電試驗主要沿用以下兩種方式：一是利用實際負載進行核對性放電試驗，二是利用傳統電阻箱進行放電試驗。傳統電阻箱放電容量試驗，蓄電池組須脫離系統，利用電阻箱對電池組進行放電試驗，經過數小時后，可以找出最落后的一到幾節電池，以落后電池到達終止電壓時的放電時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。

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

??? 傳統的核對放電設備普遍采用電阻絲或者水阻進行核對放電，并且是人工操作，程序繁瑣，存在一定的人身危險，這種傳統的核對放電試驗方式正在逐步被淘汰。目前，國內外普遍采用了新型的智能核對放電技術，該技術利用PWM控制原理，根據放電過程中電池組放電電壓的變化，對放電假負載可以進行實時調整，以保證電池組恒流放電。

??? 核對放電法具有容量測試準確可靠的優點，因此，仍然是目前世界上檢測電池性能的最可靠方法，同時由于核對放電本身可以對電池起到一定的維護作用，所以，核對放電是其他設備暫時還不能替代的。不過它的缺點也很突出，主要表現為：

??? ——核對放電時間長，風險大，電池組須脫離系統，蓄電池組所存儲的化學能全部以熱能形式消耗掉，既浪費了電能又費時費力，并且增加了系統斷電風險；

??? ——進行核對性放電試驗，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行；其次，機房必須有備用電池組，所以，更適于具備一主一備電池組結構的機房。

??? ——目前，核對放電只能測試整組電池容量，不能測試每一節單體電池容量，以容量最低的一節作為整組容量，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。

??? 頻繁地對蓄電池進行深放電，會產生硫酸鉛沉淀，導致極板硫酸化，容量下降，電池落后，因此，不適宜對鉛酸蓄電池頻繁進行深放電。

??? 所以，核對放電只能對蓄電池進行定期維護，無法滿足日常維護的需要。

2.3??? 在線快速容量測試法（電池巡檢法）

??? 在放電狀態下，對蓄電池組的各單體電池的端電壓進行巡檢，找出端電壓下降最快的一只，將其確認為落后電池，再利用核對放電儀器，對該節電池進行核對放電，檢測其容量，即代表該組電池的容量。

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

??? 這種方法的優點是操作簡單，風險系數小，并可以快速查找落后電池。不過最大的缺點還是測試精度低，只能作為電池落后狀態判定依據，不能準確測算電池的好壞程度及電池容量指標。同時測試要求較高，如要達到一定的測試精度，則機房一般應滿足包括放電因素在內的系列條件，而機房實際情況卻各有差別，大多達不到相應的測試要求，所以，測試情況還不是很理想，尤其是容量測試準確度較低。

2.4??? 電導（內阻）測量法

??? 電導測量是向蓄電池兩端加一個已知頻率和振幅的交流電壓信號，測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。電導是頻率的函數，不同的測試頻率下有不同的電導值，在低頻率下，電池電導與電池容量相關性很好，一般測量頻率在30Hz左右，根據不同容量的電池其測量頻率一般會作相應調整。電池的容量越小，電池電阻越大，電導值越小。

??? 電導法能準確查出完全失效的電池，根據大量的實驗分析及研究結果證明，電池的容量只有降低到50％以后，內阻或者電導會有較大變化，降低到40％以后，會有明顯變化，所以，根據電池電導值或者內阻值，可以在一定程度上確定電池的性能，但對于電池的好壞程度，還不能提供準確的數據依據。因此，采用電導法測試電池的內阻或電導是判定蓄電池好壞的一種有價值的參考思路，但卻不足以準確地測算出電池的實際性能指標，尤其是容量指標。

??? 電導測量技術雖然測試工作比較簡單，但是，由于內阻與容量線性關系不好，所以，測試結果不能很好地反映蓄電池的真實健康狀況。

3??? 容量測試技術發展趨勢

??? 在各地區的實際應用中，閥控式蓄電池的使用壽命是否終結的主要判據為，電池的剩余容量是否滿足機房工作要求，或者滿足有關維護規程的要求。隨著廣大電池維護工作者對電池構造、工藝、工作原理認識的逐步深入，早期那種單純靠電池端電壓來了解電池性能的方法已經被淘汰，而依據在線測試法對電池進行容量測試的手段還不夠準確和可靠，所以，了解電池的實際容量最準確的方法是通過放電檢測的手段來進行，國家有關電源維護規程中的核對放電試驗目前仍是唯一被公認的測試剩余容量的最有效方法，它是衡量蓄電池在關鍵時刻能否發揮作用，確保通信暢通與生產正常的重要手段。但由于風險大，時間過長，工作量過大，不宜作為日常檢驗的測試儀器，只宜作為電池組以一年一度或者三年一度的核對放電測試。

??? 針對目前的實際情況，包括廣大蓄電池制造廠家、蓄電池測試技術研究機構，以及廣大蓄電池維護人員而言，都在積極探索一種快速、準確、可靠、安全的蓄電池測試技術。特別對于廣大現場維護工程師而言，這種需求更顯迫切。

??? 遺憾的是，蓄電池是一種非常復雜的設備，對它進行快速準確的容量測試是非常困難的。從蓄電池性能與容量測試技術、測試效果的角度來看，作者認為可以將蓄電池在線測試技術歸納為定性測試技術。之前講到的包括電導法、內阻法、電壓測量法等，也都可以歸之為一個技術大類，即定性測試技術類。而核對放電技術可以歸之為定量測試技術類。定性測試技術的側重點在于給我們提供一個蓄電池性能狀態的參考，不需要準確測算整組電池或每節單體電池的實際容量指標，這樣就不會給客戶造成誤導。而作為它的重點即在于給我們提供一個準確的電池容量值，最終可以作為市電斷電后機房電源支撐能力的依據，這是至關重要的。

??? 對電池組進行實際容量測試的目的在于能夠準確掌握電池組的實際放電能力，根據國家有關電源維護規程以及蓄電池維護效果要求，電池組荷電容量達不到80％便應整組淘汰，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％也還在繼續使用，更有的相對落后地區，電池組實際容量甚至不到20％，這是非常危險的，一旦市電突然中斷，造成的后果可想而知。出現這個情況的原因首先是由于蓄電池更換費用昂貴，其次是我們的一線工程師沒有一種有效的手段可以及時、快速、準確、可靠地掌握機房電池的實際荷電能力。在這種情況下，作者認為一種快速定量的蓄電池容量測試技術與產品的推出就顯得更為迫切。這種技術或者產品的推出，將有效解決目前困擾電池測試領域的一個世界性難題。

4??? 結語

??? 目前全國范圍內用電情況日趨緊張，預計到2008年，國內市電供電狀況才能得到逐步改善，因此，今后幾年內基站的供電保障狀況將更令人擔憂，蓄電池使用環境將更惡劣，如何確?；就ㄐ艜惩?，提高通信可靠性，提升服務質量，同時又經濟合理配置通信設備是各運營商面臨的一個課題，而如何延長蓄電池供電時間和使用壽命是該課題的一個最主要內容。當然影響基站蓄電池壽命的因素很多，一個快速可靠的容量測試儀器，可以及時地發現蓄電池所出現的問題并解決問題，才能確?；就ㄐ艜惩?。在這方面，柯藍電子為廣大客戶提供了一個較為完美的解決方案。