浅谈蓄电池的安全性能

浅谈蓄电池的安全性能

0蓄电池组的早期失效由于电池系统和通信系统中的直线系统和外部系统的可靠性，蓄能家是唯一向外界供电的系统，其性能直接关系到电气系统和通信系统的安全可靠性。但是由于使用不当或者不能及时维护,经常会导致蓄电池组中个别蓄电池的早期失效,会严重影响整个电池组的放电容量,严重者会导致整个供电系统的崩溃。因此必须对蓄电池组的运行状态进行实时在线监测。1基于阀控式铅酸蓄电池的蓄电池铅酸蓄电池(Lead-AcidBattey,LAB)作为一种化学电源,自1860年普兰特(Plante)首次实现了实用的蓄电池以来,尤其是近年来随着阀控式铅酸蓄电池(ValveRegulatedLAB,VRLAB)的出现,蓄电池以其价格低廉、易于浮充使用、电能效率高、电源独立性好、可移动等优点被广泛应用于汽车、船舶、变电站、发电厂、邮电通讯系统、铁路客车等各个领域。而蓄电池组作为一种后备电源,已经成为电力系统和通信系统中的直流系统的一个重要组成部分。1.1双硫酸盐化理论蓄电池由普兰特(Plante)在1860年发明,1882年葛拉斯顿(J.HGladstone)和特瑞比(A.Tribe)提出了蓄电池成流反应的“双硫酸盐化理沦”。按照这一理论,蓄电池的电极反应和电池反应如下:负极反应:Ρb+ΗSΟ-4充电→放电ΡbSΟ4+Η++2ePb+HSO−4→放电充电PbSO4+H++2e正极反应:ΡbΟ2+3Η++ΗSΟ-4+2e充电→放电ΡbSΟ4+2Η2ΟPbO2+3H++HSO−4+2e→放电充电PbSO4+2H2O电池反应:Ρb+ΡbΟ2+2Η++2ΗSΟ-4放电→充电2ΡbSΟ4+2Η2ΟPb+PbO2+2H++2HSO−4→充电放电2PbSO4+2H2O因为在放电时,在正、负极上都生成了硫酸铅,所以叫“双硫酸盐化理论”。从上述反应式可以看出:1)蓄电池的负极活性物质Pb在放电时发生氧化反应生成PbSO4,在充电时,PbSO4被还原成Pb。蓄电池的正极活性物质PbO2在放电时发生还原反应生成PbSO4,同时有水蒸气产生,在充电时,PbSO4被还原成PbO2。2)蓄电池中的电解液不仅传导电流,而且参加电池反应。放电时硫酸不断减少,同时又有水生成,这样就使电池中的电解液浓度不断降低,反之在充电时,硫酸却不断生成,因此电解液浓度将不断增加。这就是可以使用密度法测量硫酸液的浓度,从而评估蓄电池荷电状态的原因。但这只能适用于传统(开口)蓄电池,由于现在广泛使用的阀控蓄电池是密封的无法测量硫酸液的浓度,因而采用密度法已经无法对蓄电池进行监测。3)蓄电池在放电时产生大量水蒸气,且反应越剧烈,温度越高,产生的水蒸气越多,因此开口蓄电池需要定期补充因水蒸气挥发损失的水分,防止电解液的浓度过大导致硫酸盐结晶,加速蓄电池的老化速度。对于阀控蓄电池由于是密封的,化学反应产生的水分可以循环利用,不需补充水分,因而这种蓄电池也称免维护蓄电池,但只是针对不用加水而言是免维护的,其它的日常维护和监测还是必须要进行的。1.2充电所特性1.2.1金属丝的充电特性1过充电反应时电池浮充电路设计在充电过程中,铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅,正极板上的硫酸铅逐渐变为二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后,电池开始发生过充电反应,产生氢气和氧气。过充电开始的时间与充电速率有关。当充电速率大于C/5时,电池容量恢复到放出容量的80%以前,即开始过充电反应,如图1所示。只有充电速率小于C/100,才能使电池容量恢复到100%后,才开始过充电反应。由图1还可以看出,采用较大充电速率时,为了使电池容量恢复到100%,必须允许一定的过充电,过充电反应发生后,单个电池的电压迅速上升,达到一定数值后,上升速率减小,然后电池电压开始缓慢下降。由此可知,电池充足电后,维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒定的电压,即对蓄电池进行浮充。在浮允状态下,充入电池的电流应能补充电池因自放电而失去的电量。浮充电压不能过高,以免因严重过充电而缩短电池的寿命。采用适当的浮充电压,不仅可以补充蓄电池由于自放电等因素造成的电能损失,而且还可以有效地延长蓄电池的使用寿命。2铅酸电池生热铅酸蓄电池的电压与温度有很大关系,温度每升高1℃,单个电池的电压将下降4mV。也就是说,铅酸电池的电压具有负温度系数,其值为-4mV/℃。由此可知,在环境温度为25℃时工作很理想的充电器,当环境温度降到0℃时,电池就不能充足电,当环境温度升到50℃时,电池将因严重过充电而缩短寿命。1.2.2电池负载功能1第2段放电状态将一只额定电压2V的蓄电池完全充足电后以20h放电率的电流进行放电,且不断调节可变电阻,使放电电流保持恒定,每隔一定时间测量一次电池的端电压,得到的放电特性曲线如图2所示。从图中可以看出蓄电池的整个放电过程可分为以下4个阶段:①开始放电阶段开始放电时,化学反应在极板孔内进行,首先消耗的是极板孔内的硫酸、而此时外围的硫酸来不及向内补充,所以极板孔内电解液密度迅速下降(电动势迅速下降),端电压迅速下降。②相对稳定阶段随着极板孔隙内电解液密度的不断下降,硫酸向孔隙内的扩散速度也随之加快,从而使放电电压和放电电流得以维持,极板孔隙内外的密度差基本保持一定,端电压也按近似直线规律缓慢下降。③迅速下降阶段当放电接近终了时,孔隙外电解液密度已大大下降,极板表面硫酸铅的数量增多,急剧下降的临界点(端电压约为1.7V)称为放电终止电压,如图2虚线所示,若此时仍继续放电,端电压会很快下陷到OV,所以必须停止放电。④电压回升阶段停止放电后,由于放电电流为0、故内阻上的压降为0,且有足够时间让硫酸渗入列极板孔隙内,所以端电压回升到一定的电动势数值。2情况不同的情况下开展网络压量的情况蓄电池以恒定的电流放电时,如果蓄电池的温度不同,则端电压下降的情况也不同。温度低时的端电压始终比温度高时的端电压要小些,这是因为当温度低时,电解液的黏度大、离子运动的速度减慢、内阻增大、化学反应速度慢、极扳孔隙内的硫酸不能得到及时的补充,所以端电压下降得快。1.2.3循环使用寿命短蓄电池经过深度放电后,电池的初期容量会有所提高,且随着放电深度的加深,容量也相应的上升,电池的荷电保持率几乎没有受到影响,但是电池的循环使用寿命却大大地缩短了。这是由于过度放电会使活性物质参加化学反应后生成的盐堆积,容易结晶,无法还原为活性物质继续循环利用,而且结晶盐还会对电极进行腐蚀,加速蓄电池的老化。因此,应尽量避免对蓄电池进行深度放电,一般都要设定一个放电终止电压,待放电后端电压到达放电终止电压后,应及时对蓄电池进行充电。1.2.4正常蓄电池充、放电过程对于存在故障的蓄电池,在浮充状态下检测其端电压可能处于正常状态,但其充、放电的动态过程与正常蓄电池有明显区别。由于故障蓄电池的容量较小内阻较大,充电时,很快被充满电,端电压也增大的很快,放电时,故障蓄电池也很快把存储的电量放完,其端电压也很快急剧下降。2对蓄电池性能状态进行监测由于蓄电池是一个复杂的电化学系统,其容量、失效模式及老化程度等性能状态受蓄电池正极板栅的腐蚀,负极板的硫酸化、电池自放电和热失控、电解液干涸等各种因素的影响,因此要做到对蓄电池性能状态的准确监测比较困难。目前对蓄电池的维护,除了进行一些日常的维护工作,如保持蓄电池清洁、检查接触装置和导线连接是否可靠、定期进行充放电实验等之外,还要使用各种检测仪器,离线或实时在线将蓄电池的运行状态和容量信息检测出来,以便及时发现存在故障的落后电池,提高蓄电池的使用效率。目前人们已经根据对蓄电池的化学机理和失效模式不断研究探索,提出了许多行之有效的监测方法。2.1蓄电池保有容量的检测蓄电池的容量是指蓄电池目前充电状况的等级,相当于蓄电池实际能够放出容量的大小,也就是对蓄电池保有容量(剩余容量)的多少进行检测,主要有密度法(比重法)、安时计、内阻法(电导法)等。1蓄电池剩余容量的测量也称d值法,主要通过测量蓄电池电解液的密度d值来判断蓄电池的剩余容量(也称保有容量)CB,使用十分广泛,常用于测量开口式铅酸电池,但不适合对密封铅酸蓄电池(即阀控式蓄电池)的测量。2蓄电池剩余容量的计算一种直流电量测量仪,通过实时测量电流值并对时间进行积分的方法估算蓄电池的已经放出的电量,然后用蓄电池的额定容量减去已放电容量,就可以得出蓄电池的剩余容量。电流安时计自七十年代研制出来,经历了数字式到智能化的过程,其功能和可靠性等指标均大大提高。3蓄电池容量评估由于蓄电池的容量与电池内阻(电导)存在密切的关系,有较高的相关性,电池的容量越大,内阻就越小,因此可以通过蓄电池内阻(电导)的测量,对蓄电池的容量进行在线评估诊断。现在广泛应用的蓄电池电导测试仪、内阻测试仪都是采用注入交流信号的方法实现对蓄电池内阻(电导)的测量,从而估算蓄电池当前的荷电状态。但是研究表明密封铅酸蓄电池的内阻(或电导)和蓄电池的容量之间并没有严格的数学关系,仍然只是对蓄电池的当前运行状态进行大致估算。2.2在线接检测方法蓄电池运行状态的监测主要是通过检测蓄电池的电压、电流、温度等同蓄电池性能密切相关的参数,得出当前蓄电池的运行状态信息,然后通过分析处理并和预先设定的蓄电池性能判断标准进行比较,从而诊断出蓄电池的当前的健康状态是否良好。在和蓄电池的健康状态密切相关的参数当中,对温度和电流的测量相对来说比较容易实现,对单个电池的电压检测也比较简单,但是要实现对串联在一起的蓄电池组中单体电池电压的准确测量一直是一个难于解决的问题。而电压检测是最直接检测也是最常用的一个参数,也是目前许多电池监控系统普遍采用的检测方法,在解决如何测量蓄电池组中的单体电池电压的问题上,主要方法有:1)电阻分压法精密电阻作为分压器,取得电池电压.然后用继电器来切换蓄电池组中的每只电池,缺点是:精度差、体积大、成本高、寿命短、速度慢,且其电压值计算比较麻烦。2)V/F转换法在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通,在模拟信号的转换上采用可编程定时器的V/F转换器。其中,在解决输入信号电压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点,且采用V/F转换作为A/D转换器其缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。3)光电隔离器件和大电解电容器法在线测量单体电池电压用光电隔离器件和大电解电容器构成采样保持电路来测量蓄电池组中单体电池电压。在A/D转换过程中,电容上的电压能发生变化,使其精度趋低,而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素,决定其采样时间长。4)浮动地法国内研制并投产的ZXJ24/2—1型蓄电池组智能监测仪,采用浮动地技术实现测量蓄电池组中各单体电池电压,测量结果比较准确,但也存在模拟开关切换以及各器件的不一致性问题对浮动地的内电位的影响,从而使测量结果偏差加大。综上所述,使用密度法、安时计、电导法能够定量测量蓄电池的容量信息。目前国内厂家在研究了蓄电池组运行状态监测的有关技术的基础上,利用最新的微处理器技术,结合现代电路设计方法,开发出性价比高、功能更加完善的新型蓄电池在线监测仪器。3在线电池监控系统的设计3.1aduc331新技术整个系统采用模块化设计,在满足系统性能要求的前提下,选用性能表现优良的最新器件。系统主要有以下几部分组成:由数据采集电路、温度传感电路、电流传感电路、外部数据存储器、大屏幕液晶显示电路、声光报警电路、MCU控制系统等。MCU采用模拟器件公司的最新微控制芯片ADuC831,由于该芯片不但内部集成了模数转换器,而且还内置了达64K的FLASH程序存储器,因此不但简化了电路设计,还提高了整个系统的可靠性能。系统的具体工作过程是:数据采集电路不断循环采集各个单体电池电压、总电压等,经差分放大,模拟开关,由ADuC831单片机的内置模数转换器进行A/D转换,同时对环境温度、流过蓄电池的电流进行采集送模数转换器进行A/D转换,然后由微控制器对采集的各种参数进行综合分析处理,测量数据能够实时通过液晶显示器显示,对个别电池出现异常时能够及时发出声光报警。系统自带32K非易失性数据存储器,用于记录采样值及保存蓄电池运行状态信息,且能通过232或485通讯接口对数据上传。其功能框图如图3所示。3.2浮充状态下的实验数据分析因为本系统要实现对蓄电池充、放电过程的动态监测,因此除了要模拟验证蓄电池浮充状态下系统的性能外,还需要模拟验证系统能否对蓄电池的充、放电动态过程实施实时在线监测。为此在正常浮充状态模拟实验的基础上,模拟蓄电池放电状态,具体做法是:只将总电压从33.86V减小至28.60V,即测得的支路电压到达蓄电池放电终止电压1.80V附近时,记录一组实验数据,即模拟蓄电池正常放电状态。为了模拟蓄电池组在浮充状态性能良好,实际存在早期失效电池的情况。将总电压恢复到正常浮充状态时的大小33.86V,调节电位器的值使其小于其他分压电阻值,接着减小总电压值至32.30V,再记录一组实验数据。图4给出了模拟蓄电池放电状态的实验数据。从图4可以看出,对于浮充状态下性能状态良好的蓄电池组从浮充状态到放电终止电压时,各单体电池的电压的均匀性依然保持十分良好。通过计算,各个支路电压的残差也远远小于2倍的所有支路测量值的标准差。而存在个别早期失效电池的电池组,在浮充状态下表现性能良好,而开始放电后.失效电池电压下降较快,电池组均匀性很快就遭到破坏,通过计算,其残差也远远大于2倍的所有支路测量值的标准差。为模拟蓄电池的充电过程,对于正常充电过程,调整电位器使其大小与其他分压电阻阻值相同,然后改变总电压使其从28.60V增加到33.86V,记录一组实验数据。模拟蓄电池异常充电状态的措施是:在总电压为28.60V时调整电位器的大小,使其分压值小于其他电阻分压值,然后在不断增大总电压的同时,调节电位器,使其阻值大于其他分压电阻值,在总电压为30.62V时记录一组实验数据。图5给出了模拟蓄电池充电状态的实验数据。从图5不难看出,对于充电前存在失效单体电池的蓄电池