VRLA電池組可靠性檢測(cè)方法

     1 前言

　　某地電信中心機(jī)站發(fā)生通訊中斷故事，分析原因是，機(jī)站配置48 V 4000 Ah 電池組，采用4 組并聯(lián)每組24 只GFM- 1000 電池， 負(fù)載電流為260～300 A。電池為使用6 年半左右的VRLA （AGM） 電池。經(jīng)檢查，4 組并聯(lián)電池組中，每組都有2～3 只容量很低的電池存在，當(dāng)電池組負(fù)載放電時(shí)，整組電池電壓下降較快，在維護(hù)人員趕到前，總電壓已降至脫離電壓，所以導(dǎo)致發(fā)生通訊中斷事故。

　　某省的電信中心機(jī)站也發(fā)生過(guò)通訊中斷的嚴(yán)重事故，說(shuō)明中國(guó)通訊行業(yè)中使用的VRLA 備用電池存在著較為嚴(yán)重的可靠性隱患，主要表現(xiàn)在：使用中后期缺乏行之有效的可靠性檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)。

　　結(jié)合多年來(lái)在VRLA 電池的制造、工藝、使用維護(hù)等方面積累的經(jīng)驗(yàn)，特提出一種檢測(cè)VRLA 電池可靠性的方法，以期對(duì)同行有所借鑒，對(duì)VRLA備用電池組用戶的維護(hù)有所幫助。

　　2 通訊用VRLA 備用電池組配置

　　通訊用VRLA 備用電池組的電壓一般為48 V；中心機(jī)站一般把幾組24 只2V GFM系列的大容量48 V 電池組并聯(lián)起來(lái)；非中心機(jī)站及邊際網(wǎng)一般采用幾組4 只12V GFM系列48 V 電池組并聯(lián)方式，或采用幾組24 只2V GFM系列中小容量48 V電池組并聯(lián)方式。

　　通訊用48 V VRLA 備用電池組的容量大小是根據(jù)負(fù)載大小來(lái)配置的。負(fù)載電流一般設(shè)計(jì)為C10/15(A)左右。市電中斷時(shí)，在正常情況下，電池組能堅(jiān)持供電12～16 h。例如：中心機(jī)站負(fù)載為48 V×270 A 左右時(shí)，一般配置48 V 4000 Ah 的電池組，常用4 組48 V 1000 Ah 電池組并聯(lián)起來(lái)，或者采用2 組48 V 2000 Ah 電池組并聯(lián)。

　　3 UPS 備用VRLA 電池組配置

　　UPS 備用VRLA 電池組一般常用的有220 V、380 V 電池組。電池組的容量大小是根據(jù)負(fù)載大小而定的，最大負(fù)載電流大小一般為電池組的1～2小時(shí)放電率。市電中斷時(shí)，在電池組正常情況下，至少能堅(jiān)持供電1～2 h 左右。

　　4 市電斷電時(shí)的處理程序

　　中心通訊機(jī)站一般都備有柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，所以市電中斷后，VRLA 電池組只要能堅(jiān)持供電2 h左右，就能啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來(lái)供電。

　　對(duì)一般性的通訊機(jī)站，因?yàn)槭菬o(wú)人值守的，所以有關(guān)維護(hù)人員一般需要4～5 h 左右才能趕到機(jī)站，啟動(dòng)柴油發(fā)電系統(tǒng)，所以市電中斷后，VRLA電池組要求能堅(jiān)持供電4～5 h 左右。

　　對(duì)于UPS 機(jī)站，市電中斷后，VRLA 電池組只要堅(jiān)持供電15～30 min，有關(guān)人員就能啟動(dòng)柴油發(fā)電系統(tǒng)供電。

　　5 市電斷電后的現(xiàn)狀

　　雖然現(xiàn)在VRLA 備用電池組容量配置裕度都較大，特別是對(duì)通訊備用電源，電池組容量只要有額定容量的40 %左右，至少能對(duì)負(fù)載供電達(dá)6 h左右，使維護(hù)人員有足夠的時(shí)間啟動(dòng)柴油發(fā)電系統(tǒng)，從而保證通訊的正常運(yùn)行。

　　但是，現(xiàn)實(shí)中常有通訊中斷事故，中斷2 h 以上的重大事故也不少見(jiàn)。這是因?yàn)椋篤RLA 電池組平時(shí)大多數(shù)時(shí)候都處于浮充備用狀態(tài)，只要每組電池中有極少部分的電池容量很小，在市電中斷而由電池組供電時(shí)，電池組總電壓就會(huì)下降很快，很快降至脫離電壓，使電池組對(duì)負(fù)載供電池時(shí)間較短，人們來(lái)不及啟動(dòng)柴油發(fā)電系統(tǒng)，從而造成通訊中斷事故。

　　這其實(shí)并不僅僅只是VRLA 電池容量大小的問(wèn)題，而且是VRLA 電池容量可靠性的問(wèn)題，因?yàn)槲覀儾豢赡茴l繁地對(duì)電池組進(jìn)行容量檢測(cè)。所以重要的是對(duì)VRLA 電池的容量的可靠性有一種判斷的方法（或稱為判斷標(biāo)準(zhǔn)）。

　　6 VRLA 電池容量可靠性有關(guān)的因素

　　現(xiàn)在的中心機(jī)站一般都有浮充檢控，對(duì)沒(méi)有檢控的機(jī)站，運(yùn)維人員也會(huì)每隔一段時(shí)間去檢測(cè)電池浮充電壓的大小。但是電池的浮充電壓大小并不能較好地反應(yīng)出電池內(nèi)部狀態(tài)的可靠性，經(jīng)常有浮充電壓很正常的電池，其容量已很小的情況。

　　多年來(lái)，通過(guò)對(duì)大量容量嚴(yán)重偏低且失效電池的分析及解剖，發(fā)現(xiàn)失效的原因主要有以下兩種類(lèi)型：

　　第一種類(lèi)型：匯流排及板耳腐蝕斷裂。一般有以下特點(diǎn)：

　　a） 負(fù)極匯流排及負(fù)極板耳腐蝕嚴(yán)重， 負(fù)極板耳與負(fù)極匯流排基本腐蝕脫離；

　　b） 正匯流排與正板耳完整， 無(wú)明顯腐蝕跡象；

　　c） 正極板完整， 無(wú)明顯變形膨脹現(xiàn)象， 活性物質(zhì)無(wú)明顯的糊狀；

　　d） 正極板柵較完整；

　　e） 負(fù)極板完整， 不發(fā)硬， 無(wú)明顯硫酸鹽化之跡象。

　　也就是說(shuō)， 對(duì)于第一種失效類(lèi)型， 電池除了匯流排與板耳腐蝕斷裂外， 其余部分都正常。

　　第二種類(lèi)型： PCL 現(xiàn)象。

　　一般有以下特點(diǎn)：

　　a） 正極匯流排與正極板耳完整， 無(wú)明顯腐蝕之現(xiàn)象；

　　b） 負(fù)極匯流排與負(fù)極板耳完整， 無(wú)明顯穿透型腐蝕；

　　c） 正極板完整， 無(wú)明顯變形膨脹現(xiàn)象， 活性物質(zhì)無(wú)明顯的糊狀；

　　d） 正極板柵較完整；

　　e） 負(fù)極板完整，不發(fā)硬，無(wú)明顯硫酸鹽化之跡象；

　　f） 正極板發(fā)生早期容量損失現(xiàn)象， 使電池容量很小。

　　所以，影響VRLA 電池容量可靠性的因素主要有兩個(gè)：第一個(gè)是匯流排與板耳的腐蝕狀況，主要是負(fù)極匯流排與負(fù)極板耳的腐蝕狀況。第二個(gè)就是所謂的PCL 現(xiàn)象，即早期容量損失現(xiàn)象。對(duì)于VRLA 電池，主要是正極板的早期容量損失現(xiàn)象。

　　7 VRLA 電池可靠性檢測(cè)方法

　　對(duì)使用期為3 年以內(nèi)的VRLA 電池組，每年做一次容量檢測(cè)，將C10 容量比同組電池中最高容量低10 %以上的電池?fù)Q掉。

　　對(duì)使用3 年以上的電池組，每年檢查一次匯流排與板耳的腐蝕情況，然后再作容量檢測(cè)，具體操作方法如下：

　?。?） 分組檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)應(yīng)斷開(kāi)熔絲；

　?。?） 開(kāi)閥；

　?。?） 用內(nèi)窺鏡（即胃鏡） 伸入電池氣室內(nèi)，觀察匯流排與板耳的腐蝕情況，檢查時(shí)應(yīng)注意不要損傷隔板；

　　（4） 如匯流排與板耳腐蝕較嚴(yán)重：匯流排有斷裂現(xiàn)象，部分板耳與匯流排有腐蝕斷裂現(xiàn)象，則應(yīng)將該電池更換掉，且這樣的電池不能再做容量恢復(fù)，應(yīng)直接報(bào)廢（如圖1）；

圖1 腐蝕的板耳和匯流排

　?。?） 對(duì)匯流排完整，板耳與匯流排焊接牢固的電池才可繼續(xù)進(jìn)行以下檢測(cè)（圖2）；

圖2 正常的板耳和匯流排

　?。?） 蓋閥；

　?。?） 容量檢測(cè)，分類(lèi)及恢復(fù)：對(duì)匯流排及板耳完整，無(wú)明顯腐蝕的電池作容量檢測(cè)；將容量明顯偏低的電池挑出，集中處理；作容量恢復(fù)。

　　在幾年前就已有較為成熟的方法對(duì)產(chǎn)生PCL現(xiàn)象的電池作容量恢復(fù)，能使90 %以上的電池完全恢復(fù)容量，其余不足10 %的電池也能使其容量得到大幅度的提高，至目前為止已成功處理并恢復(fù)了幾萬(wàn)只電池。

　　VRLA 備用電源浮充使用過(guò)程中，常有落后電池產(chǎn)生，這與現(xiàn)行VRLA 備用電源充電方式有較大的關(guān)系，具體討論如下。

　　8 對(duì)現(xiàn)行VRLA 備用電池組充電方式的檢討及改進(jìn)

　　8.1 現(xiàn)行VRLA 備用電池組充電方式

　　電池組平時(shí)處于浮充狀態(tài)，每隔3 個(gè)月左右均充一次，均充時(shí)間12 h 左右。

　　8.2 現(xiàn)行VRLA 備用電池組充電方式的效果

　　現(xiàn)行VRLA 備用電池組浮充加定期均充的充電方式并不能很好的保證電池組中的每一只電池都處于充足電的狀態(tài)。VRLA 備用電池組中的各個(gè)電池單體狀態(tài)不可能完全一致，總存在一些容量相對(duì)落后的電池單體，原因在文獻(xiàn)[1]中已有較詳細(xì)的論述。

　　電池組在浮充狀態(tài)下，并不能使落后的電池單體完全充電，因?yàn)樵诟〕洌ê銐合蘖鞒潆姡?情況下，電池組中容量相對(duì)較高的電池端電壓上升較快，從而使整組電池的浮充限流值下降較快，使相對(duì)落后的電池單體充電不足。

　　部分電池單體長(zhǎng)期充電不足，會(huì)造成電池內(nèi)部部分活性物質(zhì)的硫酸鹽粗晶?；?，使充電時(shí)電池內(nèi)硫酸鉛轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)變得較困難[1]。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，落后電池中活性物質(zhì)的硫酸鹽粗晶?；絹?lái)越嚴(yán)重，使落后電池容量下降較快。即使定期的均充電也不能使落后電池的粗晶粒的硫酸鉛全部轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期浮充后，再轉(zhuǎn)入均充，電池組的充電電壓上升較快，使均充大電流充電時(shí)間較短，均充電流下降較快，從而不能有效地“沖刷”粗晶粒的硫酸鉛，使其不能完全溶解而轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)。

　　所以，現(xiàn)有的長(zhǎng)期浮充加定期均充的充電方式并不能較好的保證落后電池及時(shí)充足電，也就不能很好地避免VRLA 備用電池組中有容量很小的電池單體出現(xiàn)。

　　8.3 充電方式的改進(jìn)

　　只有用大電流較長(zhǎng)時(shí)間充電，使電池溫度上升，才能使粗晶粒的硫酸鉛溶解度提高；在大電流“沖刷”下，易使粗晶粒的硫酸鉛細(xì)化，使其更易溶解；大電流較長(zhǎng)時(shí)間的充電能起到“攪拌”電解液的作用，減少分層，提高硫酸鉛的溶解度，提高充電效率。關(guān)于電解液分層對(duì)電池充/ 放電的影響，在文獻(xiàn)[1]中已有所論述。溶解的硫酸鉛在充電情況下，才易轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)。

　　均充電時(shí)，只有先對(duì)電池組放電，然后再均充電，才能保證均充時(shí)有較長(zhǎng)時(shí)間的大電流充電，使落后電池及時(shí)充足電。所以，現(xiàn)有的VRLA 備用電源充電方式：長(zhǎng)期浮充＋定期均充電方式，應(yīng)改為：長(zhǎng)期浮充＋定期放電＋定期均充方式；或者改為：靜置＋定期放電＋定期均充方式。

　　這就需要VRLA 備用電源運(yùn)行維護(hù)人員及相關(guān)人員在長(zhǎng)期的實(shí)踐中逐漸提高認(rèn)識(shí)，而且需要開(kāi)關(guān)電源廠家認(rèn)識(shí)的提高及配合，以合適的充/ 放電程序設(shè)置來(lái)促進(jìn)VRLA 備用電源中的落后電池及時(shí)充足電，從而提高VRLA 備用電池組容量的可靠性。

　　9 建議

　　VRLA 備用電池組系統(tǒng)至少應(yīng)有兩組以上的電池組并聯(lián)，以提高電池組的可靠性。取消電池組的長(zhǎng)期浮充＋定期均充電的充電制度，對(duì)并聯(lián)電池組中的每組電池改為：定期放電、均衡充電、再停止充電一段時(shí)間，并以此循環(huán)，具體如下：

　?。?） 采用自動(dòng)（或手動(dòng)） 切換系統(tǒng)，先將并聯(lián)電池組中的其中一組電池與其余電池組分離，再對(duì)這組電池負(fù)載放電，放出容量為該電池組額定容量的40 %左右，并在脫離電壓前將負(fù)載切換為市電供電；

　?。?） 電池組負(fù)載放電后，再對(duì)電池組均衡充電，均衡充電時(shí)間一般為24 h 左右。

　　（3） 均衡充電完成后，對(duì)電池組停止充電，停充時(shí)間一般可設(shè)2 個(gè)月左右。

　?。?） 然后再按上述3 步循環(huán)。

　?。?） 一組電池均衡充電完成后，通過(guò)自動(dòng)（或手動(dòng)） 切換系統(tǒng)，再對(duì)其余的電池組分別作相同的放電、均衡充電、停止充電、循環(huán)。

　　或?qū)㈦姵亟M長(zhǎng)期浮充＋定期均充電的充電制度改為長(zhǎng)期浮充＋定期放電＋定期均充的方式。定期負(fù)載放電電量一般可定為：30 %~40 %C10。

　　VRLA 備用電池組充電方式的改進(jìn)，需要開(kāi)關(guān)電源廠方的配合，使開(kāi)關(guān)電源能自動(dòng)完成上述功能的充電方式，從而大大減少運(yùn)維的工作強(qiáng)度。對(duì)使用3 年以上的VRLA 電池組，再按前面第7 節(jié)中所述內(nèi)容做匯流排及板耳的腐蝕狀態(tài)檢測(cè)。