风力发电机变桨蓄电池电极盐化对电池寿命的影响

李文鸿

（揭阳前詹风电有限公司，广东 揭阳 522000）

1 铅酸蓄电池使用现状

随着电池技术的不断发展，铅酸蓄电池已成为新能源行业的重要组成部分之一，是世界经济发展的一个热点话题，与日常生活中的电力、交通以及信息等产业的发展严密相关，是社会发展和人类生活不可缺失的物品。

目前，风力发电行业内对铅酸蓄电池更换尚无参考标准，设备对电池状况的检测仅限于电池极板端部电压，不能准确判断电池寿命状况。在冬季，风力机组电池报测试故障的频率非常高，有些风力机甚至每天会报1～2次故障，而每次报测试故障都会停机充电1 h，造成发电量损失，且检修人员需频繁登机，电池的更换量也较大。但是，电池的更换大多依据检修人员的经验，没有固定的标准，不能准确判断问题的根本原因，造成问题长期存在。每年风电场更换大量铅酸电池，不仅增加了生产运维成本，还降低了电池的使用效率。

2 铅酸蓄电池故障原因分析

某品牌风力机有3个电池柜，统一由位于中控柜内的充电器（AC400/500）进行充电。充电器依次给1号、2号和3号电池柜定时充电，正常通电情况下每个电池柜循环充电。中控柜内3个接触器12K1、13K1、14K1接收变桨系统主控制器的命令，分别控制3个电池柜充电回路的通断。

原设计变桨充电器采用AC400/500，故障率高，且不合理的充电管理缩短了变桨蓄电池寿命，主要原因如下：

常温下（20 ℃），电压输出13.59 V/节，低于电池额定充电电压（13.72 V/ 节），且电流输出不稳定，波动很大，影响电池寿命；

低温下（-2.7 ℃以下），充电器输出电压为14.3 V，低于变桨电池额定充电电压，导致变桨电池充电不足，析出硫酸铅盐化电池极板，缩短电池使用寿命；

充电电流2 A高于额定最高充电电流1.08 A，加速电池内部电子转移速度，增加了电解质溶液水分损失，影响电池的使用寿命。

2.1 电极腐蚀

随着铅酸蓄电池的使用，正负极板均因水分与氧气影响产生了不可逆的氧化铅附着层。在实际运行过程中，根据风力机变桨电池充电控制程序，电池长期处于浮充状态。在电池浮充时，正极失去电子产生氧气、氢离子，负极得到电子产生水，降低了电解质溶液的酸度，加速了电极的腐蚀，导致电池内阻增大，大大缩短了变桨蓄电池的使用寿命。

2.2 极板盐化

铅酸蓄电池失效的主要原因在于电池极板硫酸铅的堆积。当硫酸铅分子具有的能量高于一个极限低值时，它们可从电池极板上溶解，重新返回液体状态。在此状态下，它们可以接受再充电。但是，实际上总是存在一部分硫酸铅结晶不能够返回电解质溶液，仍然附着在电池极板上，最后形成不可溶解的硫酸铅晶体。硫酸盐结晶体不参与电池反应，紧密结合堆积在极板上，占用了极板与电解质溶液接触的面积，使极板失去了充放电能力，增大了电池内阻，缩短了电池使用寿命。

2.3 水分损失

蓄电池长期处于浮充状态，负极极板产生的水加速了负极极板的腐蚀，同时正极极板在电解质溶液中同样受水分影响不断腐蚀。电极腐蚀过程中消耗了电解质溶液的溶剂，造成电解质溶液水分损失。浮充产生的氧气通过气体阀门逸出，使电池在充电时电极上附着一层氧化物，减少了电极与电解质溶液接触的面积，减缓了电池充电反应速率，降低了电池放电速率，增大了电池自身电量消耗。相当于充电回路中串联电阻增加，从而降低了充电电流，而变桨充电器为满足电池充电需求将增大电池两端的充电电压，以达到消除内阻对蓄电池充电过程的影响。但是，蓄电池的充电电压增大将影响蓄电池的循环充放电次数，减少电池的使用寿命。

蓄电池电解质溶液溶度对电池做功能力影响较大，电池对外电路的做功即为电池的实际容量。当电池实际容量不满足电路电源供给需求时，风机系统将报电池类故障导致风机停机，造成停机电量损失。因此，电池电解质溶液水分变化将影响电池使用寿命，加速电池更换速度，相继升高运维成本和故障停机损失。

3 蓄电池的内阻及测量原理

3.1 蓄电池内阻

蓄电池的内阻是指电流通过电池时所受到的阻力，一般由导体内阻、电化学极化内阻和浓度极化内阻3部分组成。欧姆极化内阻即导体内阻，一般指电池内部的电极、隔膜、电解液、连接条和极柱等全部电池内部导体零部件的电阻之和。电化学极化内阻主要是由电池电极附近电解液中参与反应或生成离子的浓度发生变化而引起。浓度极化内阻由反应离子进行电化学反应引起[1]。蓄电池对外电路表现出的内阻即为该3种不同原因产生电池的内阻之和。一般情况下，在蓄电池充放电周期内，电池内阻随着电池的充电过程逐渐减小，随着放电过程逐渐增大。

3.2 电池内阻的测量

目前，电池内阻检测方法主要有直流内阻测量法和交流电阻测量法两种。

直流内阻测量法是把负载接入电池的正负极，当电池流过电流I1时，记录其电压U1，然后调整电流至I2，记录其电压U2。通过电流-电压变化可得到蓄电池内阻值，即：

交流电阻测量法是指若在电池正负极两端加上U=Umaxsinωt的交流电压，测量其所产生的交流电流i=Imaxsin(ωt+φ)，可得出与频率有关的复阻抗，其相角为φ，即：

由于电池内阻的量纲较小，一般在微欧或毫欧级，目前交流内阻测试法受到测试设备和其他诸多因素的影响，无法实现实时在线测量。对比两种电池内阻测量方法的测量精度，直流内阻测量法的测量误差可以达到0.1%以内，而交流法的测量误差较大，一般在1%～2%。相比之下，直流内阻测量法的测量精度更准确。

4 电池内阻对电池容量的影响

在一定的放电条件下，可以从电池中获得的电量称为电池容量，以符号C表示，单位是W·h或A·h，W·h表示电池做功的能力，A·h表示电池输出的电量。铅酸蓄电池的容量愈大，该电池能输出的电量就愈大，做功能力也愈强。

统计大量随风机运行的变桨蓄电池显示，长期蓄电池处于浮充状态内阻将不断增大。根据串联电路分压原理分析[2]，当蓄电池内阻增大时，外电路电压将减小，电池对外电路做功减少，即电池实际容量减小；反之，内阻减小时，电池实际容量将增大。

由P-t功率曲线分别建立变桨蓄电池上机前与上机运行一段时间后的P(t)函数模型，分别对蓄电池上机前后的功率P在t0（放电开始时间）至t1（放电结束时间）区间上积分[3]，可得电池对负载所做的功（即实际容量）如表1所示。

表1 蓄电池实际容量

通过测试数据可以看出，在相同的截止电压条件下，随着使用时间的延续，蓄电池的内阻逐渐增大，影响蓄电池对外电路做功能力，致使实际容量不断衰减。蓄电池随使用时间的推移，电极极板上将附着一层硫酸铅结晶。无论电池处于放电还是充电状态，该层硫酸铅结晶用变桨充电器不能使其溶解在电解质溶液中，从而使电池容量减少，缩短电池的使用寿命。

5 铅酸蓄电池更换参考标准

一般情况下，同条件电池的自身内阻越小，其对外电路的做功能力表现越强；内阻越大，蓄电池自身电量消耗增加，对外电路做功能力一定程度上减弱。由实验数据分析表明，电池内阻、电池容量和电池寿命三者之间存在一定的相互影响和关联。电池内阻是电池最重要的参数之一，是电池健康状况评估的重要指标。

用电池内阻测试仪对某风力机轴三变桨电池上机前后进行测试，电池分别对同一负载放电，每隔5 min测量一次电池内阻与电压，通过测试数据做出电池内阻与电压曲线，从而可直观看出电池在当前健康度下单体电池各个电压对应的内阻阻值范围。

根据多次反复实验，可得出离线状态下电池内阻r关于电压U的曲线，如图1所示。

图1 铅酸蓄电池离线状态下内阻范围

铅酸蓄电池离线状态时，单体电池开路电压所对应的电池内阻阻值范围为表1所列阈值；图1中下限值曲线表示新电池满容量状态时，电池电压所对应的内阻最小值；上限值曲线表示旧电池各电压所对应的内阻最大值。若测得电池电压大于该值时，铅酸蓄电池内阻较大，表明其电极极板存在严重的盐化。

结合风机实际运行情况，优化上述结论，综合分析得出铅酸蓄电池在运行状态下的内阻范围。风机运行状态下铅酸蓄电池在相应电压下超过该曲线风力机将报电池类故障导致风机停机，影响风力机发电量，如图2所示。

6 蓄电池除硫激活

图2 铅酸蓄电池运行状态下内阻范围

风力机变桨电池内阻增大的主要原因为电池长期处于浮充状态，电池负极产生水，降低了电解液浓度，而正极反应产生H+，加速了正极极板的腐蚀，降低了电池的使用寿命。此外，负极在充电过程中生成PbSO4，当电池长期处于浮充状态时，负极形成不可逆硫酸铅结晶吸附在负极极板上，使电池容量减小，缩短电池的使用寿命。

采用高频脉冲电池除硫方法，通过除硫模块产生的全波段复合脉冲，在定向电流的作用下产生谐振波，分解击碎紧附在电极板表面的硫酸铅结晶体，在充电状态下还原成活性物质的铅离子和硫酸电解液，使蓄电池重获能量，是目前国内外先进的无损电池除硫修复技术。

7 结 论

电池内阻对电池性能影响较大，随变桨蓄电池在风力机上运行。电池长期处于浮充状态，负极形成不可逆硫酸铅结晶吸附在负极极板上，导致电池容量减小，缩短其使用寿命。通过实验数据分析总结出蓄电池内阻与电压存在的关系，制定电池正常状态下电压与内阻曲线图，有利于运维人员处理电池类故障，提高人员的工作效率，降低停机时间。同时，采用该参考标准挑选具有再利用价值的铅酸蓄电池，对可利用的废旧电池激活除硫后进行再次利用，有效降低了生产运维的费用。

据统计，每年一个100 MW的风电场约更换变桨电池300块。考虑到风机报电池类故障造成停机电量损失和人员成本，每年风电场电池运维成本约为14万元。通过采用所提方法准确测试更换铅酸蓄电池，对有利用价值的电池进行激活再利用，预计每年可节省电池运维费用5万元。