蓄电池在线内阻在直流电源系统中的监测技术及运用

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。

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。