蓄电池维护与测试topwhip

广州拓威讯科技发展有限公司 阀控式铅酸蓄电池使用 维护与测试技术 广州拓威讯科技发展有限公司 目录 第一章阀控式铅酸蓄电池基本知识 第二章蓄电池的工作原理及失效机理 第三章蓄电池使用寿命 第四章蓄电池的使用维护规程 第五章蓄电池维护解决方案 第六章蓄电池维护与测试技术发展趋势 广州拓威讯科技发展有限公司 第一章阀控式铅酸蓄电池基本知识 1 蓄电池定义蓄电池是一种能将电能与化学能进行相互转化的装置 2 蓄电池的结构与组成蓄电池由正极板 负极板 电解液 隔板组成 正极主要为PbO2 负极为Pb 电解液为H2SO4 广州拓威讯科技发展有限公司 阀控式铅酸蓄电池基本知识 3 蓄电池的分类3 1按不同用途和形式分 固定型蓄电池 分为开口式 封闭式 防酸隔爆式 消氢式等 移动型蓄电池 分为汽车起动用 火车用 摩托车用 船舶用 电瓶车用等 3 2按极板结构分为 涂膏式 或涂浆式 化成式 又称形成式 半化成式 或半形成式 玻璃丝管式 或叫管式 等 3 3按电解质的不同分为 铅酸蓄电池 以酸性物质作电解质 如现在备用电源广泛采用的蓄电池 大都属这类 传统的铅酸蓄电池 酸性反压电池 硅胶蓄电池 干荷蓄电池 TW系列高能免维护固态蓄电池 碱性电解质电池 以碱性物质作电解质 但电解质并不消耗 仅完成导电的作用 实用的有铁镍蓄电池 镉镍蓄电池和银锌蓄电池等 都适应大电流放电 特性优于铅酸蓄电池 广州拓威讯科技发展有限公司 第二章蓄电池的工作原理及失效机理 广州拓威讯科技发展有限公司 一 铅酸蓄电池的工作原理 正极活性物质是二氧化铅 电极反应为 PbO2 3H HSO4 2ePbSO4 2H2O负极活性物质是海绵状金属铅 电极反应为 Pb HSO4 2ePbSO4 H 电池反应 Pb PbO2 2H 2HSO4 2PbSO4 2H2O从反应式中可以看出 硫酸不仅传导电流 而且参与电化学反应 放电时硫酸不断减少 生成水 电解液浓度降低 充电时不断生成硫酸 消耗水 电解液浓度增加 Pb H2SO4 H2O体系的氧化还原标准电极电位 V PbSO4 Pb 0 356VV PbO2 PbSO4 1 865VE V V 1 865 0 356 2 221V即电池电动势 通常近似为蓄电池开路电压 广州拓威讯科技发展有限公司 二 开口式铅酸蓄电池与阀控式铅酸蓄电池的区别 开口式铅酸蓄电池的水和硫酸在使用过程中会蒸发散失 虽然可以通过加水加酸进行维护 但维护工作量大 且污染环境 为了减少维护 阀控式铅酸蓄电池应运而生 阀控式铅酸蓄电池具有如下优点 无需加水加酸 调配电解液等维护工作 特性优良 低温放电性能良好 无酸雾逸出 使用安全 对环境无污染 可与设备同室安装 结构紧凑 可立式或卧式安装 占地面积小 无 记忆效应 广州拓威讯科技发展有限公司 三 阀控式铅酸蓄电池结构特点 全密封结构 用一安全阀控制电池内气体压力 利用氧再复合 水循环 原理 使电池正极析出的氧气通过隔膜扩散到负极发生氧化反应生成PbO2 并与H2SO4反应 最终生成水 避免了水的散失 采用玻璃纤维或胶体作为隔膜 吸贮电解液 贫液式 紧装配 广州拓威讯科技发展有限公司 阀控式铅酸蓄电池结构 正极柱 隔板 外壳 负极柱 安全阀 汇流排 栅板 广州拓威讯科技发展有限公司 四 阀控式铅酸蓄电池的氧再复合机理 在阀控式铅酸蓄电池中 为了防止充电后期氢气和氧气的逸出 在设计时 负极容量相对于正极过剩 即当充电进行至最终阶段 正极板首先产生氧气 即2H2OO2 4H 氧气经隔板中的气孔扩散到负极板 并与负极板活性物质 海绵状Pb和H2SO4发生反应生成PbSO4 同时抑制了负极板氢气的产生 即2Pb O22PbOPbO H2SO4PbSO4 H2O由于是在充电过程中 生成的PbSO4又被回复到了海绵状Pb 总的结果为O2 4H 4e 2H2O显然这是正极板产生氧气的逆过程 即正极板充电后期电解水所产生的氧气 在负极板被复合并还原成水 所以阀控式铅酸蓄电池在充电过程中没有氢气和氧气的冒出 亦没有水的损失 这就是阀控式铅酸蓄电池无需加酸加水 免维护的原因 广州拓威讯科技发展有限公司 阀控式铅酸蓄电池的氧再复合机理 2Pb O2 2PbOPbO H2SO4 PbSO4 H2O2PbSO4 2H 4e 2Pb 2HSO4 O2 4H 4e 2H2O 2O 2 4e O2 2H2O 4e 4H O2 广州拓威讯科技发展有限公司 五 阀控式铅酸蓄电池早期失效 阀控式铅酸蓄电池VRLA拥有先进的设计思想和工作原理 理论上有较高的可靠性和较长的使用寿命 厂家也都宣传有10 15年的浮充使用寿命 然而实际使用情况却强差人意 有些厂家的电池仅使用了二三年 甚至更短时间就出现了失效电池 广州拓威讯科技发展有限公司 六 阀控式铅酸蓄电池的早期失效的原因 充电时氧再复合反应不完全板栅腐蚀 硫酸铅的存在 使负极长期处于非完全充电状态 形成不可逆硫酸铅 充电过程中 由于紧装配密封结构使热量不易散出 导致电池温升过高失效 失水 负极板硫酸盐化 热失控 广州拓威讯科技发展有限公司 阀控式铅酸蓄电池早期失效的原因 电池本身的离散性是电池早期失效的根本原因 电极材料的配方制备 安装化成工艺的非稳定因素和不一致因素 导致了电池性能的离散性 这给电池的运行留下了失效的隐患 当性能不一致的电池组成一组电池并投入运行时 各电池的浮充电压会有很大差异 经长时间运行后 浮充电压高的电池因长期过充导致失水和极板腐蚀 反之 浮充电压低的电池因长期欠充导致容量损失和极板硫酸化 电池性能劣化有自加速的趋势 工艺设计缺陷 渗漏液 极耳腐蚀断裂 阀盖开闭失灵等 广州拓威讯科技发展有限公司 第三章蓄电池使用寿命 影响阀控式铅酸蓄电池实际使用寿命的因素很多 起主要作用的有以下几方面 一 温度与容量的关系二 不同的充电方式对蓄电池寿命的影响三 放电与容量的关系四 浮充电压的设置对电池寿命的影响五 均充电方法对电池寿命的影响 广州拓威讯科技发展有限公司 一 温度与容量的关系 阀控式蓄电池 25 时 蓄电池的容量为100 在25 以下时 每升高10 蓄电池的容量会减少一半 而在25 以下时 广州拓威讯科技发展有限公司 二 不同的充电方式对蓄电池寿命的影响 充电模式 恒流 均充稳压值 定压减流 自动判别转为 涓流浮充 三波段式使电解液降温等等 广州拓威讯科技发展有限公司 三 放电与容量的关系 广州拓威讯科技发展有限公司 四 浮充电压的设置对电池寿命的影响 浮充运行是蓄电池的最佳运行条件 运行时电池一直处于满荷电状态 理论上在此条件下运行电池将达到最长的使用寿命 不合理的浮充电压主要影响电池两个方面 正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放 特别是当电池的浮充电压超过一定值 板栅腐蚀现象会进一步加剧 电池内的氧气和氢气产生较高气压 通过排气阀排放 从而造成电池失水 正极腐蚀则意味着电池失水 进一步加剧电池劣化 寿命缩短 若将浮充电压超过一定幅度 增大的浮充电流会产生更多的盈余气体 这样便使氧在负极复合造成阻力 从而削弱了氧的循环机能 广州拓威讯科技发展有限公司 五 均充电方法对电池寿命的影响 均充电是为了防止某些电池因容量 端压的不一致而进行的补充电 一般做法是将浮充电压提高0 05 0 07V C 但最高不得超过2 35V C 由于在均衡充电时气体的产生量比浮充充电时多几十倍 所以充电时间不能太长 以避免盈余气体影响氧的再化合效率 失水量增加 而且使板栅腐蚀速度增加 从而损坏电池 一般对于新电池或状态较好的电池 均充充电时电压应相对较低 而对于使用时间较长或者性能较差的电池 均充电压可适当升高 广州拓威讯科技发展有限公司 第四章阀控铅酸蓄电池的使用维护规程 根据 中华人民共和国电力行业标准 DL T724 2000相关规定 对于新投入和已投入使用的阀控式铅酸蓄电池应进行相关的维护工作 以下内容摘至该标准 一 阀控铅酸蓄电池交接验收要求该规程5 3 3c 项对阀控铅酸蓄电池容量试验提出如下要求 广州拓威讯科技发展有限公司 二 阀控铅酸蓄电池的运行维护 该规程6 3项对阀控铅酸蓄电池组的运行及维护提出如下要求 广州拓威讯科技发展有限公司 阀控铅酸蓄电池的运行维护 广州拓威讯科技发展有限公司 阀控铅酸蓄电池的运行维护 广州拓威讯科技发展有限公司 三 异常情况处理电池常见故障和处理方法见下表 广州拓威讯科技发展有限公司 第五章蓄电池维护解决方案 一 充电机性能指标的测试 电力DL T724 2000 电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程 第5 6条中 对充电装置的稳压精度 稳流精度 纹波系数 蓄电池容量等技术指标及试验有明确的规定及技术要求 目前电力系统中运行的直流电源设备达到的技术指标 都是由生产厂家在设备出厂和试验时提供的数据 现场检修维护人员因不具备相应的测试手段 难以确认设备的技术指标是否满足要求 而且运行实践证明 随着运行时间的推移 特别是投运1 3年内 设备的技术指标会发生偏移 典型的后果是因充电机指标下降 充电机的稳压精度 稳流精度及纹波系数超标 蓄电池容量下降等现象 同样因现场不具备相应的测试手段 无法及时发现 调整 所造成的后果就是蓄电池提前失效或损坏 直接威胁电网的安全运行 广州拓威讯科技发展有限公司 高频开关电源工作原理 充电机Pwm控制原理图示 电路使用两个开关管G1和G2 两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止 在变压器 次级统组得到方波电压 经整流滤波变为所需要的直流电压 广州拓威讯科技发展有限公司 充电机性能指标测试 直流电源性能指标 稳压精度 定义 交流输入电压在额定电压 15 范围内变化 负荷电流在0 100 额定值变化时 直流输出电压在调整范围内的任一数值时其稳压精度按以下公式计算 式中 广州拓威讯科技发展有限公司 充电机性能指标测试 直流电源性能指标 稳压精度 测试方法 充电装置在稳压状态下 直流输出电压设定为规定范围内任一点 交流输入电压在 85 115 额定值 电压表2PV所示值 内变化 调整负载电流为0 100 额定值 电流表1PA所示值 分别测量其充电装置的输出电压 电压表1PV所示值 找出上述变化范围内充电装置输出电压的极限值Um 根据定义计算稳压精度 广州拓威讯科技发展有限公司 充电机性能指标测试 定义 交流输入电压在额定电压 10 范围内变化 输出电流在20 100 额定值的任一数值 充电电压在规定的调整范围内变化时 其稳流精度按以下公式计算 直流电源性能指标 稳流精度 式中 广州拓威讯科技发展有限公司 充电机性能指标测试 测试方法 充电装置在恒流充电状态下 充电电流设定为规定的整定范围内的任一点 交流输入电压在 85 115 额定值 电压表2PV所示值 内变化 调整充电电压在规定的变化范围内变化 分别测量充电电流 电流表2PA所示值 找出上述变化范围内充电电流的极限值IM 根据定义公式计算稳流精度 直流电源性能指标 稳流精度 广州拓威讯科技发展有限公司 充电机性能指标测试 纹波有效值系数定义 直流电源性能指标 纹波系数 式中 纹波峰值系数定义 广州拓威讯科技发展有限公司 充电机性能指标测试 测试方法 充电装置在稳压状态下 直流输出电压设定在规定的范围内 交流输入电压在 85 115 额定值 电压表2PV所示值 内变化 调整负载电流为0 100 额定值 电流表1PA所示值 分别测量充电装置的输出电压 电压表1PV所示值 输出电压的交流分量峰 峰值 示波器1PR所示值 和交流分量有效值 电压表3PV所示值 直流电源性能指标 纹波系数 广州拓威讯科技发展有限公司 充电机性能指标测试 直流电源性能指标 纹波系数 稳压精度 稳流精度及纹波系数 广州拓威讯科技发展有限公司 二 电导测试技术 电导就是传导电流的能力 反映了电池单元可以进行化学反应的极板面积的物理特征 正极 PbO2 负极 Pb 电解液 H2SO4 H2O国际单位 西门子 S 或欧姆 Mho 电导测试方法 见IEEE标准1118 1996 将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端然后测量所产生的同相位同频率的交流电流 电导值就是交流电流分量与交流电压分量的比值 广州拓威讯科技发展有限公司 电导等效模型 RS被称为串联电阻 欧姆电阻 代表电池内部所有部件的电阻总和 RP是并联电阻 也被称作充电转移电阻 极化电阻 CDL代表与电池极板表面面积相关的电容 极化电容 W被称为Warburg阻抗 反映在充放电过程中离子穿过电池极板的小孔扩散的情况 IS是串联电感 与电池极柱 连接条和电池板栅的感应属性相关 广州拓威讯科技发展有限公司 电导测试方法 一个很小的交流电信号加在电池的端子上 VAC 然后测量所产生的电流信号 IAC 电导 G 的计算可以通过欧姆定律得到 G IAC VAC 电池极板表面区域 广州拓威讯科技发展有限公司 电导测试依据 1992年国际电信能源会议结论 电池放电容量与电池电导之间的相关程度很高相关系数0 8 0 98 原Motorola公司专利技术 电导测试值 标称电导参考值的80 剩余容量不低于标称容量的80 电导测试值 标称电导参考值的60 剩余容量不高于标称容量的60 广州拓威讯科技发展有限公司 关于参考电导值的几点说明 蓄电池电导与容量之间关系的建立是通过设置或计算参考电导值来实现的 根据国内外大量测试数据的经验 通常参考电导值的选定可根据以下原则进行 最理想的情况 在电池安装后90天到180天之间的时候 对该组电池进行测试 此时得到的整组电池的电导值的平均值作为电导参考值 以后定期测试电池 并将测试数据与这个参考值进行比较 可以有效地维护电池 及时发现电池出现的问题 2 如果电池组已经使用了一段时间 但您最新的放电测试结果表明 该组电池的容量能达到100 您仍然可以测试这组电池 并将整组电池的平均值作为该组电池的初始参考值 3 如果电池组的使用时间小于1年 可直接测试电池 并取平均值作为该组电池的电导参考值 注意 一组新电池的电导测试值读数应在15 以内 广州拓威讯科技发展有限公司 关于参考电导值的几点说明 4 如果电池组的使用时间在1年以上 而您没有放电测试结果表明该组电池的容量仍然能达到100 那么对于使用寿命在1 5年的电池 您可以将该组电池最高30 电池的值作为其临时参考值 而对于使用寿命在5年以上的电池 您可以直接使用该组最高值作为其临时初始参考值 5 下面为试列出的几种不同厂家 型号的蓄电池的参考电导值 光宇GFM 2000Z8500S光宇GFM 20008300S光宇GFM 1000Z5300S华达GFM 10005200S南都GFM 20006200S南都GFM 15006000S南都GFM 10005200S汤浅UXL1100 24400S汤浅UXL550 24300S 广州拓威讯科技发展有限公司 关于参考电导值的几点说明 在没有参考值的情况下如果我们不知道电池的参考值 通过测试电池 我们仍然能够了解有关电池健康状况的诸多信息 并帮助我们对电池如何处置做出决定 本组电池横向对比 对于6V和12V的电池 通过每组电池测试数据直接的横向对比就往往能够发现问题 电池组中落后电池衰减很快 往往已经低于电导值较高电池的30 以上 我们能够很快了解电池的整体状况 并找到落后电池 一般来说 如果一组电池当中电池之间的电导值参差不齐 差异越大 这组电池能够在放电实验中的表现越不好 那些电导值相对很低的电池通常在放电实验中会较早地到达终止电压 但并非完全一一对应 自身纵向对比 对于2V大容量的电池 电池直接电导值的差异可能不明显 但您只要开始测试电池 并保存好测试的数据 您就已经开始为未来的测试建立了对比的基值 如果与一年前的测试结果相比 下降幅度超过10 的电池应当引起关注 您可通过放电进一步核实电池的具体情况 实际上 通过每次测试进行纵向对比 了解电池的健康状况 正是电导维护电池的核心方法 广州拓威讯科技发展有限公司 电导测试结果图示 后台分析管理软件V2 1P 数据存储数据分析报表生成统计分析 主要功能 广州拓威讯科技发展有限公司 三 蓄电池的活化 阀控式铅酸蓄电池在使用中普遍采用长期浮充电方式工作 由于电池组中各电池内在性能的差异及使用环境的影响 经过一段时间后 部分电池会因过充 欠充 活性物质脱落 栅板腐蚀 硫化等 造成容量下降或失效活化质量落后的电池 使该电池恢复至正常运行状态 可延长整组蓄电池的使用寿命 单体蓄电池活化图示 广州拓威讯科技发展有限公司 蓄电池活化 电池活化仪数据管理分析软件曲线图示 广州拓威讯科技发展有限公司 四 放电维护方法 按规程描述 蓄电池组在投入运行之后必需按要求对其进行放电维护工作 一方面起到活化蓄电池组的目的 另一方面起到核对蓄电池组容量的作用 右图描述出放电仪恒流放电的控制原理图示 如右图所示 放电回路共有两种工作模式 其一为恒阻放电 其二为恒流放电通路 当用户设定好放电参数并开始放电操作之后 主控板将先开启恒阻放电通路 直到逼近放电电流值之后 再开启恒流放电通路 以实现恒流放电的目的 其中恒流放电是通过PWM控制方式实现 恒阻放电通路 恒流放电通路 广州拓威讯科技发展有限公司 放电维护方法 运行模式 广州拓威讯科技发展有限公司 放电维护方法 放电维护方法软件图示 广州拓威讯科技发展有限公司 五 蓄电池维护全面解决方案 蓄电池维护全面解决方案 一 放电测试仪 活化仪 充电机 电导容量测试仪 多组蓄电池 广州拓威讯科技发展有限公司 蓄电池维护全面解决方案 维护实例一 以500AH蓄电池组为例 首先智能充电机对蓄电池组进行充电 直到充满为止 再使用便携式放电测试仪对整组蓄电池进行放电检测 放电电流为50A 当其中一个蓄电池电压下降到1 8V时放电过程结束 这时蓄电池运行维护数据管理系统3 10分别显示出电压最低的六个蓄电池的电压值 分别为 1 8V 1 85V 1 90V 2 0V 2 04V 2 05V 放电结束后将得到放电过程的参数 电压值为2 0V 2 04V和2 05V的蓄电池是良好的 并不需要活化 而电压值为1 8V 1 85V和1 90V的蓄电池需要活化 通过蓄电池智能活化仪对电压值为1 8V 1 85V和1 90V的蓄电池进行活化 发现电压值为1 8V的蓄电池活化完后容量为350Ah 这说明这个电池已经坏死 需要更换新的蓄电池 电压值为1 85V和1 90V的蓄电池活化完后的容量分别为450Ah和464Ah 说明这两个蓄电池已经被成功地活化 蓄电池运行维护数据管理系统3 10可以计算出其它电压值比这六个蓄电池高的蓄电池都是良好的 不需要活化 活化过程结束后将得到活化过程的参数 广州拓威讯科技发展有限公司 蓄电池维护全面解决方案 维护实例一 将上面要求更换的蓄电池更换好 然后使用智能充电机对电池组进行全面充电 直到充满为止 在这个过程中也会得出充电参数 使用TOPWHIP