閥控鉛酸蓄電池的失效探討及在線監測

目前，蓄電池監測模塊大多都是電壓巡檢儀，在線監測電池的浮充電壓，在超出設定值時給出報警。相對以前的整組電壓監測方式來說，單體電壓監測是前進了一大步，但對于電池的長期運行過程中的容量衰減以至失效的監測，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別開來。因此，需要從蓄電池的失效模式進行探討，從而解決蓄電池的監測問題。

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，除了活性物質再生外，還有硫酸電解質中的水逐步電解生成氫氣和氧氣。當氣體從電池蓋出氣孔通向大氣時，每18克水分解產生11.7千卡的熱。

而對于閥控式鉛酸電池來說，充電時內部產生的氧氣流向負極，氧氣在負極板處使活性物質海綿狀鉛氧化，并有效低補充了電解而失去的水。由于氧循環抑制了氫氣的析出，而且氧氣參與反應又生成水。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散減少了一種重要途徑，而只能通過電池殼壁的熱傳導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來散熱，電池安裝時良好的通風和較低的室溫是很重要的條件。為了進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償系數。

2、硫酸化

閥控式比開口式電池更易產生的問題是負極板的硫酸化。這是由于：

1）氧的循環引起的負極板較低的電位；

2）在強酸電解質匯集的電池底部形成的酸的分層，在這種不流動，非循環的電解質系統中是很難避免的。

這兩個都可能在浮充條件下產生一定數量的殘留硫酸鹽，然后轉變成永久性的硫酸鹽形式。因此，當極板加速去活化時，可用的放電安時容量就會減小。隨著負極板溫度的升高，這種狀況會更加惡化。由于氧循環反應的發生，負極板表面被氧化，相當數量的熱釋放出來。

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重。由于氧循環反應，負極活性物質被持續氧化生成硫酸鉛，有效地維持了放電狀態，因此降低了負極板的電位。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，使活性物質的腐蝕與脫落加劇。

4、 電池的干涸

在使用期間氣體再復合機制的有效率不是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。

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

5、 負極上部鉛的腐蝕

正極板柵和極群的腐蝕性在鉛酸電池的各個設計中都是本來就有的。與之形成明顯對比的是負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生的侵蝕。但是閥控電池的許多設計沒有保護極板板耳、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中逃溢出來、在電池板群上部的連續的氧氣氣流中。依賴于板柵（板耳）和極群所選鉛合金的一致性和生產質量（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生。

三、蓄電池監測系統的研制

為了給蓄電池提供良好的運行環境，在線監測電池的工作狀況，電池管理系統（BMS-Battery　Management System）應運而生，成為高可靠電源系統的關鍵一部分。

1、電池單體的內阻測量

內阻R反比于傳輸電流的橫截面積A。活性物質的脫落、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，所以可通過測量內阻來檢測電池的失效。

內阻和電池狀態的相關程度可變性很大。從報導的相關性來看，變化范圍從0%到100%。英國電子協會（ERA）對用阻抗監測的實驗室設計和商用設計兩種產品進行了大量的電池調查，發現二者的準確性在50%以上。一個基本的困難是測量小變化數值的精度問題。正常的300安時備用電流的電阻僅在0.25