阀控式铅酸蓄电池参数在线监测系统设计

2020-09-07宋春然王璐瑶吴立霞张若朋薛守洪

通信电源技术 2020年11期

宋春然，王璐瑶，吴立霞，张若朋，薛守洪

（内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

阀控式铅酸蓄电池（VRLA蓄电池）是各类供电系统中常用的直流备用电源设备，在日常不断电的情况下处于浮充状态，一旦交流电路或常规电路发生故障断电后，蓄电池开始工作，从而保障照明、机组以及主机等设备的正常运行，为事故的处理和抢修提供宝贵的时间。若蓄电池不能正常工作，相应的电力系统和电气设备可能会产生风险而引发事故，造成经济损失。实际应用中，蓄电池面临着较多问题。首先，不同的生产厂家的原料、工艺以及技术参差不齐，导致蓄电池性能的集中性不高。其次，蓄电池多以串联方式连接，中间某一环节出现问题都会逐渐影响周围的电池，导致整个电池组的性能恶化。再次，蓄电池的寿命和性能与标识相差较大，通常不能达到标识的使用寿命。最后，蓄电池配置好后缺少专人监管维护。因此，有必要对VRLA蓄电池进行在线监测。

1 阀控铅酸蓄电池工作原理

1.1 蓄电池组成

铅酸电池包含电极板、汇流导体以及电解液等主要部件，还有溢气阀、盒盖及盒体外壳等辅助部件，基本组成结构如图1所示。

图1 VRLA电池基本组成

1.2 蓄电池的工作原理

VRLA蓄电池中的正极板材料是二氧化铅，负极板材料是铅。为了更好地进行电解作用，通常负极制作为海绵状。正负极间充斥着电解液，电解液为稀硫酸和蒸馏水混合物。正负极板与电解液发生不同的氧化还原反应，产生不同的电极电位。蓄电池在供放电时，通过内部的化学反应为负载设备供电，充电时将外部电能转化为化学能。充放电的化学反应式如下[1]：

充电过程：2PbSO4+2H2O→PbO2+2H2SO4+Pb

放电过程：PbO2+2H2SO4+Pb→2PbSO4+2H2O

放电过程中，正负极板的材料在稀硫酸的作用下变成了PbSO4，化学反应过程中离子流动会形成电动势。PbSO4导电性不佳，随着放电过程的推移，内阻越来越大，电动势随之降低。放电结束后，蓄电池的额定电压一般会降低1 V以上。充电过程中，通过在正负极上加电压，PbSO4发生电解，负极板上累积析出金属铅，正极板上则累积PbO2。硫酸比例逐渐增加到最高，内阻相应减到最低，蓄电池的电动势增加。蓄电池工作中有气体的再化合，正极板周围生产的氧气，通过隔板间隙传到负极后生成水，进而抑制氢气的产生，维持电池内的水量和硫酸量。当然，在蓄电池工作中势必会释放出一定量的氧气和氢气。当气体过多时，气阀会自动放气。部分气体释放后，气阀自动闭合，通过阀控保证电池内部的气压平衡。

2 铅酸蓄电池的主要监测参数

2.1 电池电压

VRLA蓄电池的电压能直接反映其目前的运行状态。电压监测可以判断电池是否处于持续放电状态，以防过放电导致永久损害。电压监测主要包括电动势、工作电压以及开路电压。

2.1.1 电动势

电动势是指蓄电池在未接入负载的开路状态下，电池正、负极间产生的电势差。电动势越大，蓄电池输出的电能就越大。电动势是由电池内部的化学反应能力决定的，与电池的形状等外在参数无关。根据势能理论，它的表达式为[2]：

其中，E0是标准电动势，F、R分别代表法拉第感应常数和摩尔气体常数，T为绝对温度，a表示离子浓度，N为充放电化学式中的得失电子数。

2.1.2 开路电压

开路电压在定义和数值上与电动势非常接近，但并不相等。常见的都是偶数开路电压，如6 V、12 V以及48 V等。开路电压与硫酸浓度呈正比关系，公式如下[3]：

其中，U为开路电压，d为硫酸浓度。

2.1.3 工作电压

蓄电池在接通外部负载设备后，测量得到的电池两端的电压即为工作电压。由于内阻原因，工作电压始终低于开路电压，公式如下：

其中，E为电动势，η+和η-分别为正极和负极上的超电势数，I为放电电流，R表示负载电阻的大小。根据经验，接通负载设备后，蓄电池的电压会发生骤降跳变，随后略有回升，再逐步下降，直到电量用尽。原因是放电初期电解液扩散慢，化学反应较慢，产生的端电压较小，随后稀硫酸电解液逐步扩散到电极板表面，化学反应变快，电压增加，硫酸消耗逐步减少，电压随之降低为0[4]。

2.2 电池

蓄电池的电流监测参数主要有浮充电流、均充电流以及放电电流。浮充电流对电池使用寿命非常重要。浮充电流如果长期偏小，电池便将长期处于欠充电状态；反之，导致过充电。这两种状态都会减少电池的使用寿命。浮充电流的计算公式如下[5]：

式中c10表示25 ℃下10 h的自放电率。

实际上，很小的浮充电流就能补充自放电造成的化学能损失。如果蓄电池已经为负载设备供电了一段时间，为弥补电池容量，充电时的电流使用均匀电流。负载供电时，在外电路回路中的电流称为放电电流。如果负载发生短路，放电电流非常大会损伤电池，甚至引发爆炸事故。

2.3 温度

温度对电池的容量、内阻以及寿命都会有影响，因此监测的温度异常也是重点。电池适宜的工作温度为25 ℃，充放电时电解液与电极板的化学反应会产生热量，电池的整体温度会升高。公式如下：

其中，C25、CT分别表示在25 ℃和T℃时的放电容量，T表示环境温度，K为修正系数。电池温度增加会加快电解液离子的运动，离子的动能和扩散能力增加，内阻减少，更有利于电化学的反应，电池容量随之增大；反之，电池容量会降低。

2.4 内阻

对于故障、报废以及失效的蓄电池，它的内阻会比正常的大。内阻监测可以判断蓄电池内部是否发生故障。为准确测量电池内阻的大小，研究人员建立了电池等效模型，其中最简单的是Rint模型，结果精确的如GNL模型[6]。GNL模型如图2所示，该模型将浓差极化和电化学极化等因素都考虑在内。经过试验测试，GNL模型计算得出的电池阻抗曲线更接近真实情况。

3 监测系统整体设计

采用模块化的设计方法构建VRLA蓄电池监测系统，按照逻辑功能设计不同的模块，包含主监控模块、在线监控模块、放电监控模块以及显控模块，系统的总体框图如图3所示。

图2 GNL内阻模型

图3 系统总体框图

蓄电池在线监测的核心为主监控模块，以CPU为核心。在主监控模块还需设置时钟、看门狗以及配置合适的ROM，以便处理和存储数据。

以CPU为核心，信号采集模块通过不同的传感器与电池组相连，利用开关控制采集的信息，可同时采集多种待监测参数。采集的模拟信号经过A/D模数转换装置后转为数字信号，经过RS-232串口传输至CPU中。电压信号采集可持续监测单体电池或电池组在充放电过程中的电压值，电流采集同时监测多个电池，温度采集要同时测量环境温度和电池的自身温度。

作为监测系统，报警模块必不可少，因此需要加入报警判断模块。根据上述的理论公式，结合电池的标牌，计算正常工作时参数的动态范围。监测参数超过警戒阈值后会自动报警，从而保障设备和蓄电池的安全。