淺談蓄電池的安全性能

淺談蓄電池的安全性能

0蓄電池組的早期失效由于電池系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中的直線系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的可靠性，蓄能家是唯一向外界供電的系統(tǒng)，其性能直接關(guān)系到電氣系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的安全可靠性。但是由于使用不當(dāng)或者不能及時(shí)維護(hù),經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致蓄電池組中個(gè)別蓄電池的早期失效,會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電池組的放電容量,嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的崩潰。因此必須對(duì)蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。1基于閥控式鉛酸蓄電池的蓄電池鉛酸蓄電池(Lead-AcidBattey,LAB)作為一種化學(xué)電源,自1860年普蘭特(Plante)首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)用的蓄電池以來(lái),尤其是近年來(lái)隨著閥控式鉛酸蓄電池(ValveRegulatedLAB,VRLAB)的出現(xiàn),蓄電池以其價(jià)格低廉、易于浮充使用、電能效率高、電源獨(dú)立性好、可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、變電站、發(fā)電廠、郵電通訊系統(tǒng)、鐵路客車等各個(gè)領(lǐng)域。而蓄電池組作為一種后備電源,已經(jīng)成為電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。1.1雙硫酸鹽化理論蓄電池由普蘭特(Plante)在1860年發(fā)明,1882年葛拉斯頓(J.HGladstone)和特瑞比(A.Tribe)提出了蓄電池成流反應(yīng)的“雙硫酸鹽化理淪”。按照這一理論,蓄電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)如下:負(fù)極反應(yīng):Ρb+ΗSΟ-4充電→放電ΡbSΟ4+Η++2ePb+HSO?4→放電充電PbSO4+H++2e正極反應(yīng):ΡbΟ2+3Η++ΗSΟ-4+2e充電→放電ΡbSΟ4+2Η2ΟPbO2+3H++HSO?4+2e→放電充電PbSO4+2H2O電池反應(yīng):Ρb+ΡbΟ2+2Η++2ΗSΟ-4放電→充電2ΡbSΟ4+2Η2ΟPb+PbO2+2H++2HSO?4→充電放電2PbSO4+2H2O因?yàn)樵诜烹姇r(shí),在正、負(fù)極上都生成了硫酸鉛,所以叫“雙硫酸鹽化理論”。從上述反應(yīng)式可以看出:1)蓄電池的負(fù)極活性物質(zhì)Pb在放電時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)生成PbSO4,在充電時(shí),PbSO4被還原成Pb。蓄電池的正極活性物質(zhì)PbO2在放電時(shí)發(fā)生還原反應(yīng)生成PbSO4,同時(shí)有水蒸氣產(chǎn)生,在充電時(shí),PbSO4被還原成PbO2。2)蓄電池中的電解液不僅傳導(dǎo)電流,而且參加電池反應(yīng)。放電時(shí)硫酸不斷減少,同時(shí)又有水生成,這樣就使電池中的電解液濃度不斷降低,反之在充電時(shí),硫酸卻不斷生成,因此電解液濃度將不斷增加。這就是可以使用密度法測(cè)量硫酸液的濃度,從而評(píng)估蓄電池荷電狀態(tài)的原因。但這只能適用于傳統(tǒng)(開(kāi)口)蓄電池,由于現(xiàn)在廣泛使用的閥控蓄電池是密封的無(wú)法測(cè)量硫酸液的濃度,因而采用密度法已經(jīng)無(wú)法對(duì)蓄電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)。3)蓄電池在放電時(shí)產(chǎn)生大量水蒸氣,且反應(yīng)越劇烈,溫度越高,產(chǎn)生的水蒸氣越多,因此開(kāi)口蓄電池需要定期補(bǔ)充因水蒸氣揮發(fā)損失的水分,防止電解液的濃度過(guò)大導(dǎo)致硫酸鹽結(jié)晶,加速蓄電池的老化速度。對(duì)于閥控蓄電池由于是密封的,化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水分可以循環(huán)利用,不需補(bǔ)充水分,因而這種蓄電池也稱免維護(hù)蓄電池,但只是針對(duì)不用加水而言是免維護(hù)的,其它的日常維護(hù)和監(jiān)測(cè)還是必須要進(jìn)行的。1.2充電所特性1.2.1金屬絲的充電特性1過(guò)充電反應(yīng)時(shí)電池浮充電路設(shè)計(jì)在充電過(guò)程中,鉛酸電池負(fù)極板上的硫酸鉛逐漸變?yōu)殂U,正極板上的硫酸鉛逐漸變?yōu)槎趸U。當(dāng)正負(fù)極板上的硫酸鉛完全變成鉛和二氧化鉛后,電池開(kāi)始發(fā)生過(guò)充電反應(yīng),產(chǎn)生氫氣和氧氣。過(guò)充電開(kāi)始的時(shí)間與充電速率有關(guān)。當(dāng)充電速率大于C/5時(shí),電池容量恢復(fù)到放出容量的80%以前,即開(kāi)始過(guò)充電反應(yīng),如圖1所示。只有充電速率小于C/100,才能使電池容量恢復(fù)到100%后,才開(kāi)始過(guò)充電反應(yīng)。由圖1還可以看出,采用較大充電速率時(shí),為了使電池容量恢復(fù)到100%,必須允許一定的過(guò)充電,過(guò)充電反應(yīng)發(fā)生后,單個(gè)電池的電壓迅速上升,達(dá)到一定數(shù)值后,上升速率減小,然后電池電壓開(kāi)始緩慢下降。由此可知,電池充足電后,維持電池容量的最佳方法是在電池組兩端加入恒定的電壓,即對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充。在浮允狀態(tài)下,充入電池的電流應(yīng)能補(bǔ)充電池因自放電而失去的電量。浮充電壓不能過(guò)高,以免因嚴(yán)重過(guò)充電而縮短電池的壽命。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷?不僅可以補(bǔ)充蓄電池由于自放電等因素造成的電能損失,而且還可以有效地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。2鉛酸電池生熱鉛酸蓄電池的電壓與溫度有很大關(guān)系,溫度每升高1℃,單個(gè)電池的電壓將下降4mV。也就是說(shuō),鉛酸電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù),其值為-4mV/℃。由此可知,在環(huán)境溫度為25℃時(shí)工作很理想的充電器,當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時(shí),電池就不能充足電,當(dāng)環(huán)境溫度升到50℃時(shí),電池將因嚴(yán)重過(guò)充電而縮短壽命。1.2.2電池負(fù)載功能1第2段放電狀態(tài)將一只額定電壓2V的蓄電池完全充足電后以20h放電率的電流進(jìn)行放電,且不斷調(diào)節(jié)可變電阻,使放電電流保持恒定,每隔一定時(shí)間測(cè)量一次電池的端電壓,得到的放電特性曲線如圖2所示。從圖中可以看出蓄電池的整個(gè)放電過(guò)程可分為以下4個(gè)階段:①開(kāi)始放電階段開(kāi)始放電時(shí),化學(xué)反應(yīng)在極板孔內(nèi)進(jìn)行,首先消耗的是極板孔內(nèi)的硫酸、而此時(shí)外圍的硫酸來(lái)不及向內(nèi)補(bǔ)充,所以極板孔內(nèi)電解液密度迅速下降(電動(dòng)勢(shì)迅速下降),端電壓迅速下降。②相對(duì)穩(wěn)定階段隨著極板孔隙內(nèi)電解液密度的不斷下降,硫酸向孔隙內(nèi)的擴(kuò)散速度也隨之加快,從而使放電電壓和放電電流得以維持,極板孔隙內(nèi)外的密度差基本保持一定,端電壓也按近似直線規(guī)律緩慢下降。③迅速下降階段當(dāng)放電接近終了時(shí),孔隙外電解液密度已大大下降,極板表面硫酸鉛的數(shù)量增多,急劇下降的臨界點(diǎn)(端電壓約為1.7V)稱為放電終止電壓,如圖2虛線所示,若此時(shí)仍繼續(xù)放電,端電壓會(huì)很快下陷到OV,所以必須停止放電。④電壓回升階段停止放電后,由于放電電流為0、故內(nèi)阻上的壓降為0,且有足夠時(shí)間讓硫酸滲入列極板孔隙內(nèi),所以端電壓回升到一定的電動(dòng)勢(shì)數(shù)值。2情況不同的情況下開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)壓量的情況蓄電池以恒定的電流放電時(shí),如果蓄電池的溫度不同,則端電壓下降的情況也不同。溫度低時(shí)的端電壓始終比溫度高時(shí)的端電壓要小些,這是因?yàn)楫?dāng)溫度低時(shí),電解液的黏度大、離子運(yùn)動(dòng)的速度減慢、內(nèi)阻增大、化學(xué)反應(yīng)速度慢、極扳孔隙內(nèi)的硫酸不能得到及時(shí)的補(bǔ)充,所以端電壓下降得快。1.2.3循環(huán)使用壽命短蓄電池經(jīng)過(guò)深度放電后,電池的初期容量會(huì)有所提高,且隨著放電深度的加深,容量也相應(yīng)的上升,電池的荷電保持率幾乎沒(méi)有受到影響,但是電池的循環(huán)使用壽命卻大大地縮短了。這是由于過(guò)度放電會(huì)使活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)后生成的鹽堆積,容易結(jié)晶,無(wú)法還原為活性物質(zhì)繼續(xù)循環(huán)利用,而且結(jié)晶鹽還會(huì)對(duì)電極進(jìn)行腐蝕,加速蓄電池的老化。因此,應(yīng)盡量避免對(duì)蓄電池進(jìn)行深度放電,一般都要設(shè)定一個(gè)放電終止電壓,待放電后端電壓到達(dá)放電終止電壓后,應(yīng)及時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。1.2.4正常蓄電池充、放電過(guò)程對(duì)于存在故障的蓄電池,在浮充狀態(tài)下檢測(cè)其端電壓可能處于正常狀態(tài),但其充、放電的動(dòng)態(tài)過(guò)程與正常蓄電池有明顯區(qū)別。由于故障蓄電池的容量較小內(nèi)阻較大,充電時(shí),很快被充滿電,端電壓也增大的很快,放電時(shí),故障蓄電池也很快把存儲(chǔ)的電量放完,其端電壓也很快急劇下降。2對(duì)蓄電池性能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)由于蓄電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng),其容量、失效模式及老化程度等性能狀態(tài)受蓄電池正極板柵的腐蝕,負(fù)極板的硫酸化、電池自放電和熱失控、電解液干涸等各種因素的影響,因此要做到對(duì)蓄電池性能狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)比較困難。目前對(duì)蓄電池的維護(hù),除了進(jìn)行一些日常的維護(hù)工作,如保持蓄電池清潔、檢查接觸裝置和導(dǎo)線連接是否可靠、定期進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)等之外,還要使用各種檢測(cè)儀器,離線或?qū)崟r(shí)在線將蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)和容量信息檢測(cè)出來(lái),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在故障的落后電池,提高蓄電池的使用效率。目前人們已經(jīng)根據(jù)對(duì)蓄電池的化學(xué)機(jī)理和失效模式不斷研究探索,提出了許多行之有效的監(jiān)測(cè)方法。2.1蓄電池保有容量的檢測(cè)蓄電池的容量是指蓄電池目前充電狀況的等級(jí),相當(dāng)于蓄電池實(shí)際能夠放出容量的大小,也就是對(duì)蓄電池保有容量(剩余容量)的多少進(jìn)行檢測(cè),主要有密度法(比重法)、安時(shí)計(jì)、內(nèi)阻法(電導(dǎo)法)等。1蓄電池剩余容量的測(cè)量也稱d值法,主要通過(guò)測(cè)量蓄電池電解液的密度d值來(lái)判斷蓄電池的剩余容量(也稱保有容量)CB,使用十分廣泛,常用于測(cè)量開(kāi)口式鉛酸電池,但不適合對(duì)密封鉛酸蓄電池(即閥控式蓄電池)的測(cè)量。2蓄電池剩余容量的計(jì)算一種直流電量測(cè)量?jī)x,通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電流值并對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分的方法估算蓄電池的已經(jīng)放出的電量,然后用蓄電池的額定容量減去已放電容量,就可以得出蓄電池的剩余容量。電流安時(shí)計(jì)自七十年代研制出來(lái),經(jīng)歷了數(shù)字式到智能化的過(guò)程,其功能和可靠性等指標(biāo)均大大提高。3蓄電池容量評(píng)估由于蓄電池的容量與電池內(nèi)阻(電導(dǎo))存在密切的關(guān)系,有較高的相關(guān)性,電池的容量越大,內(nèi)阻就越小,因此可以通過(guò)蓄電池內(nèi)阻(電導(dǎo))的測(cè)量,對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行在線評(píng)估診斷。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的蓄電池電導(dǎo)測(cè)試儀、內(nèi)阻測(cè)試儀都是采用注入交流信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池內(nèi)阻(電導(dǎo))的測(cè)量,從而估算蓄電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)。但是研究表明密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻(或電導(dǎo))和蓄電池的容量之間并沒(méi)有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系,仍然只是對(duì)蓄電池的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行大致估算。2.2在線接檢測(cè)方法蓄電池運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)檢測(cè)蓄電池的電壓、電流、溫度等同蓄電池性能密切相關(guān)的參數(shù),得出當(dāng)前蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)信息,然后通過(guò)分析處理并和預(yù)先設(shè)定的蓄電池性能判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,從而診斷出蓄電池的當(dāng)前的健康狀態(tài)是否良好。在和蓄電池的健康狀態(tài)密切相關(guān)的參數(shù)當(dāng)中,對(duì)溫度和電流的測(cè)量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn),對(duì)單個(gè)電池的電壓檢測(cè)也比較簡(jiǎn)單,但是要實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)在一起的蓄電池組中單體電池電壓的準(zhǔn)確測(cè)量一直是一個(gè)難于解決的問(wèn)題。而電壓檢測(cè)是最直接檢測(cè)也是最常用的一個(gè)參數(shù),也是目前許多電池監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用的檢測(cè)方法,在解決如何測(cè)量蓄電池組中的單體電池電壓的問(wèn)題上,主要方法有:1)電阻分壓法精密電阻作為分壓器,取得電池電壓.然后用繼電器來(lái)切換蓄電池組中的每只電池,缺點(diǎn)是:精度差、體積大、成本高、壽命短、速度慢,且其電壓值計(jì)算比較麻煩。2)V/F轉(zhuǎn)換法在多路輸入信號(hào)的選擇上采用模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通,在模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換上采用可編程定時(shí)器的V/F轉(zhuǎn)換器。其中,在解決輸入信號(hào)電壓高于芯片的最大工作電壓的問(wèn)題上存在技術(shù)難點(diǎn),且采用V/F轉(zhuǎn)換作為A/D轉(zhuǎn)換器其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、在小信號(hào)范圍內(nèi)線性度差、精度低。3)光電隔離器件和大電解電容器法在線測(cè)量單體電池電壓用光電隔離器件和大電解電容器構(gòu)成采樣保持電路來(lái)測(cè)量蓄電池組中單體電池電壓。在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中,電容上的電壓能發(fā)生變化,使其精度趨低,而且電容充放電時(shí)間及晶體管和隔離芯片等器件動(dòng)作延遲等因素,決定其采樣時(shí)間長(zhǎng)。4)浮動(dòng)地法國(guó)內(nèi)研制并投產(chǎn)的ZXJ24/2—1型蓄電池組智能監(jiān)測(cè)儀,采用浮動(dòng)地技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量蓄電池組中各單體電池電壓,測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確,但也存在模擬開(kāi)關(guān)切換以及各器件的不一致性問(wèn)題對(duì)浮動(dòng)地的內(nèi)電位的影響,從而使測(cè)量結(jié)果偏差加大。綜上所述,使用密度法、安時(shí)計(jì)、電導(dǎo)法能夠定量測(cè)量蓄電池的容量信息。目前國(guó)內(nèi)廠家在研究了蓄電池組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用最新的微處理器技術(shù),結(jié)合現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)方法,開(kāi)發(fā)出性價(jià)比高、功能更加完善的新型蓄電池在線監(jiān)測(cè)儀器。3在線電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1aduc331新技術(shù)整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下,選用性能表現(xiàn)優(yōu)良的最新器件。系統(tǒng)主要有以下幾部分組成:由數(shù)據(jù)采集電路、溫度傳感電路、電流傳感電路、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、大屏幕液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路、MCU控制系統(tǒng)等。MCU采用模擬器件公司的最新微控制芯片ADuC831,由于該芯片不但內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器,而且還內(nèi)置了達(dá)64K的FLASH程序存儲(chǔ)器,因此不但簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),還提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性能。系統(tǒng)的具體工作過(guò)程是:數(shù)據(jù)采集電路不斷循環(huán)采集各個(gè)單體電池電壓、總電壓等,經(jīng)差分放大,模擬開(kāi)關(guān),由ADuC831單片機(jī)的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度、流過(guò)蓄電池的電流進(jìn)行采集送模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后由微控制器對(duì)采集的各種參數(shù)進(jìn)行綜合分析處理,測(cè)量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)通過(guò)液晶顯示器顯示,對(duì)個(gè)別電池出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。系統(tǒng)自帶32K非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,用于記錄采樣值及保存蓄電池運(yùn)行狀態(tài)信息,且能通過(guò)232或485通訊接口對(duì)數(shù)據(jù)上傳。其功能框圖如圖3所示。3.2浮充狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析因?yàn)楸鞠到y(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充、放電過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),因此除了要模擬驗(yàn)證蓄電池浮充狀態(tài)下系統(tǒng)的性能外,還需要模擬驗(yàn)證系統(tǒng)能否對(duì)蓄電池的充、放電動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)施實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。為此在正常浮充狀態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,模擬蓄電池放電狀態(tài),具體做法是:只將總電壓從33.86V減小至28.60V,即測(cè)得的支路電壓到達(dá)蓄電池放電終止電壓1.80V附近時(shí),記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),即模擬蓄電池正常放電狀態(tài)。為了模擬蓄電池組在浮充狀態(tài)性能良好,實(shí)際存在早期失效電池的情況。將總電壓恢復(fù)到正常浮充狀態(tài)時(shí)的大小33.86V,調(diào)節(jié)電位器的值使其小于其他分壓電阻值,接著減小總電壓值至32.30V,再記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4給出了模擬蓄電池放電狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖4可以看出,對(duì)于浮充狀態(tài)下性能狀態(tài)良好的蓄電池組從浮充狀態(tài)到放電終止電壓時(shí),各單體電池的電壓的均勻性依然保持十分良好。通過(guò)計(jì)算,各個(gè)支路電壓的殘差也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2倍的所有支路測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差。而存在個(gè)別早期失效電池的電池組,在浮充狀態(tài)下表現(xiàn)性能良好,而開(kāi)始放電后.失效電池電壓下降較快,電池組均勻性很快就遭到破壞,通過(guò)計(jì)算,其殘差也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2倍的所有支路測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差。為模擬蓄電池的充電過(guò)程,對(duì)于正常充電過(guò)程,調(diào)整電位器使其大小與其他分壓電阻阻值相同,然后改變總電壓使其從28.60V增加到33.86V,記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。模擬蓄電池異常充電狀態(tài)的措施是:在總電壓為28.60V時(shí)調(diào)整電位器的大小,使其分壓值小于其他電阻分壓值,然后在不斷增大總電壓的同時(shí),調(diào)節(jié)電位器,使其阻值大于其他分壓電阻值,在總電壓為30.62V時(shí)記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖5給出了模擬蓄電池充電狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖5不難看出,對(duì)于充電前存在失效單體電池的蓄電池