浅谈VRLA电池的智能化管理技术与意义

赵 康

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

铅酸蓄电池作为数据中心基础设施的一部分，其使命是作为后备能源为通信设备保驾护航，旨在保障设备在线不间断工作。蓄电池实时保持良好的健康状态是其履行使命的基础，如何实现实时监控、自动化管理，提前发现失效电池，提升后备保障能力，这必然离不开蓄电池的在线监测。

1 VRLA电池的工作机制

铅酸蓄电池的发明已有超过150年的历史，随着认识的不断深入以及新材料的应用，具备免加水维护的阀控式密封铅酸蓄电池作为新一代的产品，已广泛应用于包括信息通信在内的各个领域，。

VRLA电池主要由正负极板单元、隔板单元、电解液单元、汇流排单元、正负极柱单元、安全阀单元和电池槽、电池盖单元等构成。其工作机制主要是借助于正负极板单元上的活性物质PbO2、Pb与H2SO4在充电、放电的过程中进行双向“往返”的可逆化学反应，总过程如下：

充放电过程的工作原理示意图分别如图1和图2所示。

图1 充电过程工作原理示意图

图2 放电过程工作原理示意图

图2 工控设备资产监测统计

由于VRLA电池发展为紧凑贫液式架构，副反应产生的O2到达负极与Pb进行相互作用产生PbO2，其与H2SO4电解液作用产生两种产物，一种是H2O，另外一种是PbSO4。

综上所述，正极板单元失去的水可以从负极板单元获得，以实现VRLA电池免去加水环节的运管目标。

2 VRLA电池服役期的影响因素

影响VRLA电池服役期的因素较多，根据不同的影响因素所在的部位，正极单元退化、负极单元出现不可逆硫酸盐化、热量平衡状态失控、汇流排单元遭到腐蚀、电池漏液甚至电解液干涸等均会导致VRLA电池失效，使得其服役期提前结束。

正极板栅腐蚀：正极板上的电动势达到1.69 V以上时，正极板栅上的金属铅存在热力学不稳定特点，在放完电后进入充电期阶段，容易与电解液中的氧原子相互作用，产生一定程度的腐蚀反应，通常会逐渐引起腐蚀层增大，晶界腐蚀加剧，同时会引起电池容量下降，充电电压快速升高，电池内阻增大。

正极活性物质软化脱落：在多次充放电的过程中，会逐步形成无定形态结晶度较高、结合力较弱的β-PbO2晶体，正极板单元在充电阶段所生成的PbO2颗粒之间会存在斥力，影响颗粒间的聚合，严重情况下会使得正极板单元上的活性物质脱落，导致电池可利用容量大大降低直至失效。

负极硫酸盐化：在长时间开路、深度放电、小倍率放电、欠充电状态、长期小电流充电的情况下，负极板通过逐步积累产生难溶解、低化学活性、颗粒度较大的、在充电时无法完全进行可逆反应的PbSO4，从而会引起VRLA电池内阻增加，电池可利用容量下降。

热失控：VRLA电池进入恒压充电阶段后，在电池负极板单元因存在“氧复合”反应而产生大量的热，这些热量在密封的紧装配式结构内难以向外界扩散而慢慢积累，VRLA电池内部便出现较快的温度升高；另一方面，由于VRLA电池内部出现非理想预期的升温，会进一步促进电解液失水，最终会形成一个恶性循环链，造成电池热平衡状态的失控。出现热失控会导致浮充电流增加，温度升高，电池外壳鼓胀，酸密度增大，内阻下降。

汇流排腐蚀：由于焊接不均匀，导致极耳与汇流排之间存在虚焊以及负极汇流排所处的PH值环境和负极氧复合反应的情况，导致负极汇流排出现腐蚀，该失效模式通常会引起开路电压偏低，内阻偏高。

电池漏液：密封胶与极柱粘接失效，电池槽与电池盖之间热熔粘接面失效，以及安全阀在排气泄压的过程中等，均会引起VRLA电池内部电解液减少。而在浮充电压偏大、充电电流过大的条件下，正负极板存在析氧、析氢的过程，同样会导致电解液水分的缺失，严重情况下出现电解液干涸，导致蓄电池开路电压偏高，酸密度变大，隔膜内含酸量偏低，同时会引起内阻增大，容量变小。

通过以上分析，除了很少一部分失效模式可通过外观来诊断外，其它大多可以将电池的内阻、容量等信息作为诊断蓄电池健康状态的重要指标，因此重点监测上述指标有助于实现VRLA电池健康状态的自动化管理。

3 VRLA电池的智能化管理技术

在以往的铅酸蓄电池运维过程中，执勤人员经常借助于传统而简单的测试仪器，通过测量端电压来诊断蓄电池状态的健康与否。但是VRLA电池作为后备储能装置，大多处于浮充状态下，所以无论蓄电池是否失效，测量出来的两端电压基本一致，因此电压不足以作为诊断蓄电池性能好坏的依据。

实际上电池真实放电能力的主要评判标准是其实际放电容量，而传统的离线容量测试虽可以准确测量电池容量，但存在以下不足：（1）蓄电池离线测试过程中，原重要设备缺少了后备电源供电的在线保障；（2）需要额外投入负载，一是占用空间，二是增加成本；（3）在测试放电容量的过程中浪费电池自身所存储的能量，同时还需要提供电能来为其充电；（4）测试周期较长，放电过程需要8h～10h，充电过程需要10h左右；（5）需要测试人员携带测量仪器，记录相关数据并进行数据分析，工作量大，效率低。

传统的离线核容测试过程存在诸多不足，不利于蓄电池健康状态的智能化管理，蓄电池的在线核容技术便得到推广，目前主要有快速容量测试法、内阻测量法等。

鉴于目前技术的限制，快速容量测试手段无法保证精确在线测量，因此不能作为诊断蓄电池性能好坏的有效技术。导致VRLA电池服役期提前结束的因素大多都与电池的内阻息息相关，这已通过大量的实验得到验证，蓄电池在正常使用过程中随着服役期的推移，其内阻也会变大。

VRLA电池内阻作为重要的参数，与使用寿命存在着相互的关联已被公认，内阻在线监测技术作为诊断蓄电池性能较为全面的监测技术得到广泛应用，而内阻在线监测实现智能化管理的方式主要有直流放电和交流注入法。

直流放电法就是通常所说的采用瞬间大电流进行放电来测试自身内阻，该方法的最大弊端是在大电流放电的情况下会缩减蓄电池的生命期，此外测量结果会受到较多因素的影响，目前无法广泛进行应用推广。

交流注入法是通过外部激励源对VRLA电池两端施加交流的激励信号，同时测量两端的反馈信号，最后得出自身内阻的过程。由于是外部激励源施加信号，可以避免蓄电池自身大电流放电，极大地降低对电池生命期的影响，所以交流注入法目前被广泛认可和应用。另外，由于蓄电池自身内阻能够达到毫欧甚至微欧级，为避免外部测量线路阻抗对测量数据的影响而采用四端子接线，如图3所示，即电池的正、负极分别有两根线与监测模块连接，一根对电池进行注入交流电信号，另一根采集反馈信号，实现了仅从激励和采集线汇聚点处计算内阻，完全消除了线缆自身电阻对测量结果的影响，实现了真正意义上的在线监测，达到了VRLA电池的智能化管理目标。

图3 VRLA电池内阻防干扰在线测试图

4 VRLA电池实现智能化管理的意义

传统蓄电池维护需要检测人员携带仪器到现场进行蓄电池性能试验，记录数据，并做数据分析。蓄电池在线监测技术得到广泛应用后，减少了大量测试工作，使得蓄电池管理由人工日常测试和维护提高到全自动智能化运维，实现了减少运维人员工作量的目标，提高了运维效率。使用蓄电池在线监测管理技术，可以实时调取和掌握蓄电池的健康状态参数，实现了对VRLA电池的全生命周期管理的目标，对发现的欠佳状态的蓄电池可及时采取措施进行调整，使得蓄电池一直保持在最佳运行状态，延长其服役期。另外，传统蓄电池维护，需要进行人工现场测试，在检测过程中会有因误操作而导致短路的风险，影响系统的安全运行，应用蓄电池在线监测管理技术可以避免因运维人员误操作所带来的安全隐患，进一步提高VRLA蓄电池作为后备储能电源的高可靠保障能力。

5 结束语

本文介绍了VRLA电池的工作机制，分析了VRLA电池服役期的影响因素，并进一步阐述了蓄电池的智能化管理技术，以及应用的价值和意义。随着VRLA电池日新月异的技术革新，蓄电池的管理将会向更精确化、人性化、智能化的方向发展。在运用精度更高的信号处理技术和多种智能算法，保障与提高检测精度，实现智能化管理等方面，仍需要进行更广泛和深入的分析和研究。