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蓄电池在线内阻在直流电源系统中的监测技术及运用

文章发布时间:2010-12-22 10:40来源:upsclan.com 作者:upsclan 关注次数:

1 概述 

目前,阀控式铅酸蓄电池在电力操作电源、通信电源中广泛使用,由于阀控式铅酸蓄电池结构的特殊性,在运行中可靠地检测蓄电池的性能,并有针对性地对蓄电池进行维护变得困难但又很迫切。从电源系统运行的高可靠性要求,各类蓄电池监测系统也在广泛使用。但不同的测试模式对蓄电池的性能状况反映也不一样,多年的研究和运用表明,内阻检测是目前最为可靠的测试方式之一。而蓄电池的不同失效模式对内阻的反映情况也不一样,了解蓄电池的内阻和各种失效模式的关系,合理地分析阀控式铅酸蓄电池的内阻数据,有利于更好地对蓄电池进行检测和维护。近年来,由于原材料的涨价,国内很多阀控式铅酸蓄电池厂家采用了很多新的生产工艺,由此带来对新工艺蓄电池内阻数据分析也发生了新的变化。合理地选择此类蓄电池内阻数据基准,对判断阀控式铅酸蓄电池性能有很大的帮助。合理地运用内阻数据维护蓄电池,对延长蓄电池的使用寿命有很大的作用,为获得最大的安全效益和经济效益有着很重要的意义。 

2 常见的蓄电池失效模式 

对于阀控式铅酸蓄电池,通常的性能变坏机制有:电池失水、极板群的腐蚀、活性物质的脱落、深放电引起的钝化和深度放电后的恢复等等。几种性能变坏的情况分述于下。 

⑴ 电池失水 

铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高、导致电池正极栅板的腐蚀,使电池的活性物质减少,从而使电池的容量降低而失效。 

阀控式铅酸蓄电池充电后期,正极释放的氧气与负极接触,发生反应,重新生成水,即 

O2 + 2Pb→2PbO 

PbO + H2SO4→H2O +PbSO4 

使负极由于氧气的作用处于欠充电状态,因而不产生氢气。这种正极的氧气被负极铅吸收,再进一步化合成水的过程,即所谓阴极吸收。 

在上述阴极吸收过程中,由于产生的水在密封情况下不能溢出,因此阀控式密封铅酸蓄电池可免除补加水维护,这也是阀控式密封铅酸蓄电池称为免维电池的由来。但当充电过程中,充电电压超过2.35V/单体时就有可能使气体逸出。因为此时电池体内短时间产生了大量气体来不及被负极吸收,压力超过某个值时,便开始通过单向排气阀排气,排出的气体虽然经过滤酸垫滤掉了酸雾,但毕竟使电池损失了气体,也等于失水,所以阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压的要求是非常严格的,绝对不能过充电。 

⑵ 负极板硫酸化 

电池负极栅板的主要活性物质是海棉状铅,电池充电时负极栅板发生如下化学反应: 

PbSO4 + 2e = Pb + SO4- 

正极上发生氧化反应: 

PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO4- + 2e 

放电过程发生的化学反应是这一反应的逆反应,当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时,在电池的正负极栅板上就有PbSO4存在,PbSO4长期存在会失去活性,不能再参与化学反应,这一现象称为活性物质的硫酸化。为防止硫酸化的形成,电池必须经常保持在充足电的状态,蓄电池绝对不能过放。 

⑶ 正极板腐蚀 

由于电池失水,造成电解液比重增高,过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀,防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。 

⑷ 热失控 

热失控是指蓄电池在恒压充电时,充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用,并逐步损坏蓄电池。造成热失控的根本原因是浮充电压过高。 

一般情况下,浮充电压定为(2.23 ~ 2.25)V/单体(25℃)比较合适。如果不按此浮充范围工作,而是采用2.35V/单体(25℃),则连续充电4个月就可能出现热失控;或者采用2.30V/单体(25℃),连续充电(6 ~ 8)个月就可能出现热失控;要是采用2.28V/单体(25℃),则连续(12 ~ 18)个月就会出现严重的容量下降,进而导致热失控。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气,电池容量下降,最后失效。 

3 阀控铅酸蓄电池内阻模型研究 

阻抗分析是电化学研究中的常用方法,是电池性能研究和产品设计的必要手段[10]。 

图3-1是常用的铅酸电池阻抗的等效电路。 

 

蓄电池在线内阻在直流电源系统中的监测技术及运用

 

图1 蓄电池阻抗等效电路

图1中Lp、Ln为正负极电感; Rt.p和Rt.n 是电极离子迁移电阻;Cdl.p、Cdl.n是极板双电层电容;  Zw.p、Zw.n为Warburg阻抗,是由离子在电解液和多孔电极中扩散速度决定的;RHF是前面提到的欧姆电阻。 

文献[4]研究中将Warburg阻抗表示为一个电阻和电容串联组成的阻抗ZW。 

蓄电池在线内阻在直流电源系统中的监测技术及运用

式中  λ——Warburg系数,表示反应物和生成物的扩散传质特性;ω——角频率

电池的阻抗包括欧姆电阻和正负极阻抗:

Zcell = Zp + Zn + RHF                                    (2) 

电池阻抗是一个复阻抗,在其它条件不变的情况下,与测试频率有关。 

通常情况的内阻是指某一固定频率下的内阻值,对于一般的VRLA蓄电池,多数采用低于100Hz的频率,在实际使用中常把复阻抗的模称为内阻。 

4 内阻在线测量方法 

备用场合使用的VRLA电池一般容量很大,在几十Ah到数千Ah,电池的内阻值很小。由于阻值低,电池正负极输出感应的电压幅值很小,要准确测量内阻有一定难度,尤其是在线测量时电池端存在充电纹波和负载变动时的动态变化。常见的内阻测试方法简述于下。 

 

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