淺談VRLA電池的智能化管理技術(shù)與意義

趙 康

中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

鉛酸蓄電池作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，其使命是作為后備能源為通信設(shè)備保駕護(hù)航，旨在保障設(shè)備在線不間斷工作。蓄電池實(shí)時(shí)保持良好的健康狀態(tài)是其履行使命的基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化管理，提前發(fā)現(xiàn)失效電池，提升后備保障能力，這必然離不開蓄電池的在線監(jiān)測。

1 VRLA電池的工作機(jī)制

鉛酸蓄電池的發(fā)明已有超過150年的歷史，隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入以及新材料的應(yīng)用，具備免加水維護(hù)的閥控式密封鉛酸蓄電池作為新一代的產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于包括信息通信在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域，。

VRLA電池主要由正負(fù)極板單元、隔板單元、電解液單元、匯流排單元、正負(fù)極柱單元、安全閥單元和電池槽、電池蓋單元等構(gòu)成。其工作機(jī)制主要是借助于正負(fù)極板單元上的活性物質(zhì)PbO2、Pb與H2SO4在充電、放電的過程中進(jìn)行雙向“往返”的可逆化學(xué)反應(yīng)，總過程如下：

充放電過程的工作原理示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 充電過程工作原理示意圖

圖2 放電過程工作原理示意圖

圖2 工控設(shè)備資產(chǎn)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)

由于VRLA電池發(fā)展為緊湊貧液式架構(gòu)，副反應(yīng)產(chǎn)生的O2到達(dá)負(fù)極與Pb進(jìn)行相互作用產(chǎn)生PbO2，其與H2SO4電解液作用產(chǎn)生兩種產(chǎn)物，一種是H2O，另外一種是PbSO4。

綜上所述，正極板單元失去的水可以從負(fù)極板單元獲得，以實(shí)現(xiàn)VRLA電池免去加水環(huán)節(jié)的運(yùn)管目標(biāo)。

2 VRLA電池服役期的影響因素

影響VRLA電池服役期的因素較多，根據(jù)不同的影響因素所在的部位，正極單元退化、負(fù)極單元出現(xiàn)不可逆硫酸鹽化、熱量平衡狀態(tài)失控、匯流排單元遭到腐蝕、電池漏液甚至電解液干涸等均會(huì)導(dǎo)致VRLA電池失效，使得其服役期提前結(jié)束。

正極板柵腐蝕：正極板上的電動(dòng)勢達(dá)到1.69 V以上時(shí)，正極板柵上的金屬鉛存在熱力學(xué)不穩(wěn)定特點(diǎn)，在放完電后進(jìn)入充電期階段，容易與電解液中的氧原子相互作用，產(chǎn)生一定程度的腐蝕反應(yīng)，通常會(huì)逐漸引起腐蝕層增大，晶界腐蝕加劇，同時(shí)會(huì)引起電池容量下降，充電電壓快速升高，電池內(nèi)阻增大。

正極活性物質(zhì)軟化脫落：在多次充放電的過程中，會(huì)逐步形成無定形態(tài)結(jié)晶度較高、結(jié)合力較弱的β-PbO2晶體，正極板單元在充電階段所生成的PbO2顆粒之間會(huì)存在斥力，影響顆粒間的聚合，嚴(yán)重情況下會(huì)使得正極板單元上的活性物質(zhì)脫落，導(dǎo)致電池可利用容量大大降低直至失效。

負(fù)極硫酸鹽化：在長時(shí)間開路、深度放電、小倍率放電、欠充電狀態(tài)、長期小電流充電的情況下，負(fù)極板通過逐步積累產(chǎn)生難溶解、低化學(xué)活性、顆粒度較大的、在充電時(shí)無法完全進(jìn)行可逆反應(yīng)的PbSO4，從而會(huì)引起VRLA電池內(nèi)阻增加，電池可利用容量下降。

熱失控：VRLA電池進(jìn)入恒壓充電階段后，在電池負(fù)極板單元因存在“氧復(fù)合”反應(yīng)而產(chǎn)生大量的熱，這些熱量在密封的緊裝配式結(jié)構(gòu)內(nèi)難以向外界擴(kuò)散而慢慢積累，VRLA電池內(nèi)部便出現(xiàn)較快的溫度升高；另一方面，由于VRLA電池內(nèi)部出現(xiàn)非理想預(yù)期的升溫，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)電解液失水，最終會(huì)形成一個(gè)惡性循環(huán)鏈，造成電池?zé)崞胶鉅顟B(tài)的失控。出現(xiàn)熱失控會(huì)導(dǎo)致浮充電流增加，溫度升高，電池外殼鼓脹，酸密度增大，內(nèi)阻下降。

匯流排腐蝕：由于焊接不均勻，導(dǎo)致極耳與匯流排之間存在虛焊以及負(fù)極匯流排所處的PH值環(huán)境和負(fù)極氧復(fù)合反應(yīng)的情況，導(dǎo)致負(fù)極匯流排出現(xiàn)腐蝕，該失效模式通常會(huì)引起開路電壓偏低，內(nèi)阻偏高。

電池漏液：密封膠與極柱粘接失效，電池槽與電池蓋之間熱熔粘接面失效，以及安全閥在排氣泄壓的過程中等，均會(huì)引起VRLA電池內(nèi)部電解液減少。而在浮充電壓偏大、充電電流過大的條件下，正負(fù)極板存在析氧、析氫的過程，同樣會(huì)導(dǎo)致電解液水分的缺失，嚴(yán)重情況下出現(xiàn)電解液干涸，導(dǎo)致蓄電池開路電壓偏高，酸密度變大，隔膜內(nèi)含酸量偏低，同時(shí)會(huì)引起內(nèi)阻增大，容量變小。

通過以上分析，除了很少一部分失效模式可通過外觀來診斷外，其它大多可以將電池的內(nèi)阻、容量等信息作為診斷蓄電池健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，因此重點(diǎn)監(jiān)測上述指標(biāo)有助于實(shí)現(xiàn)VRLA電池健康狀態(tài)的自動(dòng)化管理。

3 VRLA電池的智能化管理技術(shù)

在以往的鉛酸蓄電池運(yùn)維過程中，執(zhí)勤人員經(jīng)常借助于傳統(tǒng)而簡單的測試儀器，通過測量端電壓來診斷蓄電池狀態(tài)的健康與否。但是VRLA電池作為后備儲(chǔ)能裝置，大多處于浮充狀態(tài)下，所以無論蓄電池是否失效，測量出來的兩端電壓基本一致，因此電壓不足以作為診斷蓄電池性能好壞的依據(jù)。

實(shí)際上電池真實(shí)放電能力的主要評判標(biāo)準(zhǔn)是其實(shí)際放電容量，而傳統(tǒng)的離線容量測試雖可以準(zhǔn)確測量電池容量，但存在以下不足：（1）蓄電池離線測試過程中，原重要設(shè)備缺少了后備電源供電的在線保障；（2）需要額外投入負(fù)載，一是占用空間，二是增加成本；（3）在測試放電容量的過程中浪費(fèi)電池自身所存儲(chǔ)的能量，同時(shí)還需要提供電能來為其充電；（4）測試周期較長，放電過程需要8h～10h，充電過程需要10h左右；（5）需要測試人員攜帶測量儀器，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，工作量大，效率低。

傳統(tǒng)的離線核容測試過程存在諸多不足，不利于蓄電池健康狀態(tài)的智能化管理，蓄電池的在線核容技術(shù)便得到推廣，目前主要有快速容量測試法、內(nèi)阻測量法等。

鑒于目前技術(shù)的限制，快速容量測試手段無法保證精確在線測量，因此不能作為診斷蓄電池性能好壞的有效技術(shù)。導(dǎo)致VRLA電池服役期提前結(jié)束的因素大多都與電池的內(nèi)阻息息相關(guān)，這已通過大量的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，蓄電池在正常使用過程中隨著服役期的推移，其內(nèi)阻也會(huì)變大。

VRLA電池內(nèi)阻作為重要的參數(shù)，與使用壽命存在著相互的關(guān)聯(lián)已被公認(rèn)，內(nèi)阻在線監(jiān)測技術(shù)作為診斷蓄電池性能較為全面的監(jiān)測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，而內(nèi)阻在線監(jiān)測實(shí)現(xiàn)智能化管理的方式主要有直流放電和交流注入法。

直流放電法就是通常所說的采用瞬間大電流進(jìn)行放電來測試自身內(nèi)阻，該方法的最大弊端是在大電流放電的情況下會(huì)縮減蓄電池的生命期，此外測量結(jié)果會(huì)受到較多因素的影響，目前無法廣泛進(jìn)行應(yīng)用推廣。

交流注入法是通過外部激勵(lì)源對VRLA電池兩端施加交流的激勵(lì)信號，同時(shí)測量兩端的反饋信號，最后得出自身內(nèi)阻的過程。由于是外部激勵(lì)源施加信號，可以避免蓄電池自身大電流放電，極大地降低對電池生命期的影響，所以交流注入法目前被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。另外，由于蓄電池自身內(nèi)阻能夠達(dá)到毫歐甚至微歐級，為避免外部測量線路阻抗對測量數(shù)據(jù)的影響而采用四端子接線，如圖3所示，即電池的正、負(fù)極分別有兩根線與監(jiān)測模塊連接，一根對電池進(jìn)行注入交流電信號，另一根采集反饋信號，實(shí)現(xiàn)了僅從激勵(lì)和采集線匯聚點(diǎn)處計(jì)算內(nèi)阻，完全消除了線纜自身電阻對測量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的在線監(jiān)測，達(dá)到了VRLA電池的智能化管理目標(biāo)。

圖3 VRLA電池內(nèi)阻防干擾在線測試圖

4 VRLA電池實(shí)現(xiàn)智能化管理的意義

傳統(tǒng)蓄電池維護(hù)需要檢測人員攜帶儀器到現(xiàn)場進(jìn)行蓄電池性能試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，并做數(shù)據(jù)分析。蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，減少了大量測試工作，使得蓄電池管理由人工日常測試和維護(hù)提高到全自動(dòng)智能化運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)了減少運(yùn)維人員工作量的目標(biāo)，提高了運(yùn)維效率。使用蓄電池在線監(jiān)測管理技術(shù)，可以實(shí)時(shí)調(diào)取和掌握蓄電池的健康狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對VRLA電池的全生命周期管理的目標(biāo)，對發(fā)現(xiàn)的欠佳狀態(tài)的蓄電池可及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整，使得蓄電池一直保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，延長其服役期。另外，傳統(tǒng)蓄電池維護(hù)，需要進(jìn)行人工現(xiàn)場測試，在檢測過程中會(huì)有因誤操作而導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，應(yīng)用蓄電池在線監(jiān)測管理技術(shù)可以避免因運(yùn)維人員誤操作所帶來的安全隱患，進(jìn)一步提高VRLA蓄電池作為后備儲(chǔ)能電源的高可靠保障能力。

5 結(jié)束語

本文介紹了VRLA電池的工作機(jī)制，分析了VRLA電池服役期的影響因素，并進(jìn)一步闡述了蓄電池的智能化管理技術(shù)，以及應(yīng)用的價(jià)值和意義。隨著VRLA電池日新月異的技術(shù)革新，蓄電池的管理將會(huì)向更精確化、人性化、智能化的方向發(fā)展。在運(yùn)用精度更高的信號處理技術(shù)和多種智能算法，保障與提高檢測精度，實(shí)現(xiàn)智能化管理等方面，仍需要進(jìn)行更廣泛和深入的分析和研究。