新型电力系统背景下铅酸蓄电池监测系统的发展情况探究

王放放，赵光金，董锐锋，胡玉霞

（国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450000）

0 引 言

在“双碳”背景下，风能、光伏等新能源发电的比重日益增加。新能源本身的不确定性、不稳定性等特点可能影响传统电力系统的安全稳定运行，因此急需构建新型电力系统。在新型电力系统的转型阶段，保障其安全稳定的运行尤为重要。蓄电池作为一种将电能转化为化学能，再通过可逆化学反应将化学能转化为电能的装置，在电力系统中发挥着重要的辅助作用。由于其简单的充放电机制，蓄电池被广泛用作储备能源，为电力系统的稳定运行保驾护航[1-2]。铅酸蓄电池作为蓄电池的一种，因耐高低温性、低经济成本以及较好的稳定性等特点，在电力系统中得到广泛应用[3-4]。近年来，我国铅酸蓄电池的生产工艺取得了显著进步，产量持续增长。根据中国轻工业信息中心公布的数据，我国铅酸蓄电池的产量逐年攀升。到2022 年，我国铅酸蓄电池产量达到约2.37×108kVA·h。

在新型电力系统的构建中，铅酸蓄电池因其广泛应用而占据着重要地位。它不仅大规模应用于变电站的后备电源，还作为储能设备辅助电力系统灵活运行。在这些应用场景下，铅酸蓄电池的运行状况对电力系统的稳定性起着至关重要作用[5-6]。在发电低谷期或出现发电事故时，铅酸蓄电池作为备用电源能够保障供电的稳定性。此时，如果发生铅酸蓄电池失效问题，可能会对整个电力系统的运行造成严重影响，因此需要对其进行实时监测。

1 铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、隔板、电解液、正负极接线柱、安全阀以及外壳等结构组成。负极的活性物质是铅（Pb），正极的活性物质是二氧化铅（PbO2），电解液是稀硫酸（H2SO4）溶液。铅酸蓄电池的工作过程本质是电能与化学能的相互转换，工作时两极在电解液中进行电极反应，产生不同的电极电位。

根据双极硫酸盐化理论，铅酸蓄电池充电时的阳极反应式为

阴极反应式为

电池的总反应式为

电池充电过程如图1 所示，阴极上Pb2+得电子被还原成Pb，阳极的Pb 失电子被氧化成Pb4+[7-9]。

图1 充电过程示意

在此过程中同步发生电解水反应，阳极反应式为

阴极反应式为

总反应式为

在充电过程中，电能转化为化学能，此时电解液中的硫酸不断增多，而水量减少，导致溶液比重上升[10]。随着充电的进行，蓄电池的端电压升高、内阻减小，从而增加了其可用容量。

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电池放电过程如图2 所示，阴极上的Pb 失电子被氧化成Pb2+，阳极的Pb4+得电子被还原成Pb。

图2 放电过程示意图

铅酸蓄电池放电时的阳极反应式为

阴极反应式为

电池的总反应式为

在铅酸蓄电池放电过程中，化学能被转化为电能，为用电设备提供所需的电力。此时，电解液中的硫酸不断被消耗，水的占比升高，硫酸的浓度降低，从而导致蓄电池内阻逐渐增大，可用容量减小。因此，对于在变电站服役的铅酸蓄电池，即使没有供电作业，也需要进行小电流充电。

2 铅酸蓄电池失效原因

在蓄电池的充放电过程中，根据焦耳热效应原理，蓄电池内部会出现升温情况。由于电解液中电极活性物质的稳定性较差，铅酸蓄电池存在自放电效应，容易引发热失控、燃烧、腐蚀以及失水等失效情况[11-13]。

2.1 热失控

热失控是铅酸蓄电池充电时的一种现象，由于充电电流和充电电压较高，电池内部逐渐升温。然而电池的散热途径仅有电池壁，散热效率较低，导致电池内部热量累积。随着热量的不断累积，电池会发生鼓包，最终导致电池失效[14]。在25 ℃的环境下，如果铅酸蓄电池以2.35 V 的浮充电压持续充电4个月，就有可能引发热失控[15]。通过调控浮充电压，可以有效控制铅酸蓄电池的热失控情况。

2.2 极板硫酸盐化

在电池的负极板中，Pb 是主要的活性物质。在电池的放电过程中，Pb 会在基板表面与H2SO4反应生成PbSO4。PbSO4的形成会引起Pb 的活性下降，最终导致电池的充放电反应受阻。当电池发生不可逆的硫酸盐化情况时，其可用容量降低，吸收气体的能力也会受到影响，从而导致电池失效[16]。

2.3 腐蚀和失水问题

在铅酸蓄电池的充电阶段，电解水反应不仅在负极发生，还会在正极同时发生。正常情况下，负极氧吸收技术能够确保电池不会失水。然而当电池出现过充电情况时，电解水反应加剧，导致氧气大量产生。由于隔板的阻碍，氧气无法顺利内循环，导致电池内部氧气富集，压力增大。为了降低内部压力，电池会排出氧气，但这会导致水分的流失，使硫酸的比重增大。硫酸比重增大后，会对极板产生腐蚀作用，最终导致电池的有效容量降低。当水分损失达到25%以上时，蓄电池将会完全失效。在某些情况下，如果及时为蓄电池补水，其性能和容量可能会得到一定程度的恢复[17]。

3 铅酸蓄电池在线监测系统

铅酸蓄电池在使用过程中存在热失控、极板硫酸盐化、腐蚀和失水等问题，可能会影响电池的性能和可用容量，甚至导致电池失效。通过铅酸蓄电池在线监测系统进行实时监测，当某项指标参数出现异常时，系统能够及时发出警报，提醒维护人员进行相应的处理，有效避免电池突发故障。同时，通过分析铅酸蓄电池的运行环境和性能参数，有助于电力系统的稳定运行。

铅酸蓄电池在线系统作为一种数字化、信息化的在线监测系统，在操作上更加便利，可以对蓄电池的整个生命周期进行持续监测[18]。通过实时在线监测，该系统能够分析电池的电压、温度、内阻及电流等参数，对于评估电池的状态至关重要。

3.1 电池电压

电网通常将多个单体铅酸蓄电池串联起来形成电池组，以实现所需的电能供应。电池电压是直接反映铅酸蓄电池运行状态的参数，易于监测。电池电压不仅为蓄电池组的放电提供了重要依据，还决定了蓄电池组的充电时间。通过实时监测蓄电池组的电压，维护人员可以全面了解电池的工作状态和健康状况。此外，实时监测蓄电池组的电流也至关重要，能够有效甄别充放电状况，并计算焦耳热效应。

通过监测铅酸蓄电池电压参数，可以防止电池因过度放电导致极板硫酸盐化，同时防止因过度充电而引起的失水和正极板栅腐蚀。铅酸蓄电池的端电压与荷电状态呈正相关，但端电压在不同工作情况下存在较大的变化趋势，因此难以准确反映电池的健康状况。尹春杰等人针对同组蓄电池的充电状态与放电状态等分别进行监测，将组内单体蓄电池端电压偏离平均端电压30 mV 视为异常情况[19]。PASCOE P 等人则基于累积热应力、浮充电压以及初始放电区域获得的参数等，准确评估铅酸蓄电池的寿命[20]。当电池接近退役时，这种评估方法的精确度相对较高。

蓄电池组的单体电池电压监测技术已经相对成熟，部分厂家的有效监测精度能达到3‰以内[21]。然而当单体电池的电压检测出现问题时，往往表明电池存在着较严重的故障。在电池故障预警过程中，需要综合考虑单体电池电压和其他参数来共同评价电池的状态。

3.2 电池工作温度

蓄电池在充放电过程中会产生热量并与外界进行热交换，其内部温度变化较为复杂。温度指标的变化对电池的性能具有重要影响，对温度指标的监测有助于了解电池在不同工作情况下的温度变化趋势。由于电池充放电过程中的焦耳热效应和电化学反应，电池内部的温度会受到影响。当放电时电流发生变化，电池内阻的存在也会使电池温度升高。SUN Y H 等人通过实验证明，电池最佳的工作温度为25 ℃左右[22]。SANTOS R M S 等人通过改变电池温度，采集了铅酸蓄电池在10 ～70 ℃范围内参数，并采用扩展卡尔曼滤波预测了铅酸蓄电池的健康状态[23]。该研究证明了通过监测温度可以有效评估蓄电池的状态。因此，在线监测蓄电池的内部和环境温度非常重要，有助于提高其工作效率。

3.3 电池内阻

在电池放电阶段，随着正负极板上的PbSO4持续积累，电化学反应受到阻碍，导致端电压下降，同时电池的内阻会升高。铅酸蓄电池的内阻由欧姆电阻、电化学极化电阻以及浓差极化电阻组成。欧姆电阻主要来自正负电极、连接条以及电解液等部件的电阻。电化学极化电阻由电化学反应引起，而蓄电池正负极的电化学极化内阻与其结构体系直接相关。浓差极化电阻则由反应性离子传质供应不足产生，并随反应的进行而不断变化。

与电池电压的监测相比，电池内阻是一种更常见的性能指标，可以较好地预警电池的老化情况。由于失效或报废的电池内阻通常高于正常电池，通过监测蓄电池的内阻变化，可以有效诊断其内部存在的问题，并对剩余容量进行定性分析[24-27]。电池正负极与测试探头之间的内阻值应包含在内阻测量值之内，而不同的连接方式可能会干扰测试结果。

目前，已有一些先进的电池测试仪和诊断系统，如BT3564 和BDS 蓄电池诊断系统。BT3564 由日本HIOKI 日置公司研发，内部电阻测量范围为0.1 mΩ ～3 kΩ，结果精度高且稳定[28]。但该测试仪操作较为烦琐，无法在线实时监测。BDS 蓄电池诊断系统由美国Alber 公司研发，具有监测范围广、精度高且不受外界干扰等优点[29]。但该系统存在负载模块较大、放电电流过大、测试时需要从直流电源系统中断开等问题，可能影响供电安全。

3.4 电池充放电电流

电池电流主要包括充电电流和放电电流，它们对铅酸蓄电池的状态和性能有重要影响。放电电流表征铅酸蓄电池工作时，外部电流随着负载的变化而变化。放电电流过大时可能导致PbSO4从正极脱落，从而影响蓄电池的寿命。而充电电流过大时会产生大量气体，这些气体会冲击极板活性物质，甚至导致活性物质脱落。由于充放电电流会根据工作状态的不同而发生变化，这一指标较难反映电池的真实状态。在具体应用中，需要结合其他监测参数和指标，从而全面地评估铅酸蓄电池的性能和健康状况。

4 铅酸蓄电池在线监测面临的挑战

蓄电池在进行充放电后，其内部状态存在较多变化，而外部也存在工作环境、生产工艺等变量因素，这些都会对电池性能造成影响[30]。当前的铅酸蓄电池监测系统仍有技术升级的空间。

铅酸蓄电池的健康状况与电流、电阻及电压等参数密切相关，需要多种参数协同评估。臧鑫善将非恒流放电的电压差、时间、温度及内阻作为参数，能够有效预测铅酸蓄电池的健康状况[31]。但这种方法增加了在线监测的工作量。因此，选择合适的参数进行有效监测是待解决的问题。

铅酸蓄电池的寿命评估是一个难题。随着充放电次数的增加，铅酸蓄电池所容纳的化学能逐渐降低，但这种衰减无法通过各项指标的函数变化来量化，准确预测电池寿命是一项具有挑战性的任务。

电池的工作环境和所采取的充放电模式等外部因素也会影响其可用容量。由于电池内阻的存在，蓄电池在充放电过程中会产生内部热量。在外部高温环境下，电池的性能与使用寿命会受到一定程度的影响[32]。此外，不同的充放电深度和次数也会影响蓄电池的使用性能。

铅酸蓄电池的监测模型很难完全等效。尽管国内外已经提出多项蓄电池监测模型，但与实际应用的匹配度并不理想。对于特定的蓄电池和环境，模型迭代阶数越高，监测效果越精准，但这也意味着在线监测系统对硬件和CPU 的要求会相应增加，建模难度也会提高。LI I H 等人结合神经网络和模糊逻辑系统建立了一个非线性电池模型，具有良好的通用性和较高的预测精度[33]。

综上所述，为了确保铅酸蓄电池的安全稳定应用，在线监测系统需要筛选多种参数进行协同工作，选取合适阶数的监测模型并进行多维度的评估。

5 结 论

在构建新型电力系统的过程中，新能源发电的不确定性给电网的安全稳定运行带来了挑战。铅酸蓄电池作为储能设备，能够提升电网的灵活运行能力。通过在线监测其健康状况，可以预防潜在的失效情况，如热失控、燃烧、腐蚀和失水等。通过在线监测系统对电压、温度、内阻及电流等参数进行实时监控和协同分析，可以准确反映电池内部情况，从而为新型电力系统的稳定运行奠定基础。