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  • 關于閥控式密封蓄電池浮充電壓和內阻值初期變化趨勢

    2018-12-04

    閥控式密封鉛酸蓄電池是一個復雜的電化學系統。在通常的后備應用中,除了充放電過程中的主要的電化學反應外,電池內部無時無刻不在進行做其他的一些副反應。比如正極板柵的腐蝕過程是一直都在進行的,又比如正極析氧氣,負極析氫并引起的自放電也一直存在。
      
      正是因為閥控式密封鉛酸電池的復雜的特性,因此蓄電池運行初期的狀態往往沒有達到其相對的穩定狀態,其一些常用參數如浮充電壓和內阻值就充分的反映出了這種客觀規律。
      
      一、浮充電壓
      
      浮充電壓的穩定需要運行一定的時間,通常需要3~6個月才能達到一個穩定的狀態。這和新汽車需要一段時間的磨合期是一個道理。
      
      在蓄電池組實際運行時,充電機并不是對每個電池單獨控制充電的,而是控制整組電池的充電電壓。如要求單體浮充電壓為2.25V/2V單體(對應12V電池為13.50V)時,對通信電源的24節電池組,則整組電池電壓設為:24×2.25=54V;對UPS電源240節電池組,則整組電池電壓設為:240×2.25=540V。這時,問題就產生了——由于新電池生產過程中材料、工藝等非一致性,導致了單體電池性能參數的非一致性,每個單體電池并沒有按理想設定的浮充電壓(2.25V/2V單體)在充電!單只電池實際充電電壓通常在2.20~2.30V/2V單體(對于12V電池為13.2~13.8V)之間,因此整組電池浮充電壓初期表現出較大的離散性。這種狀態只有當電池經過一段時間的浮充運行后,即各電池由于內部的狀態逐漸趨于穩定后才會明顯改善。
      
      圖一記錄了一組新2V500Ah電池組使用初期單體電池浮充電壓的變化,可見在運行3個月后各單體的浮充電壓逐漸趨于一致,運行到6個月后一致性就非常好了。
      
                        圖1 浮充運行電壓趨勢圖
      
      因此,對于新投入適用的蓄電池,建議再蓄電池浮充穩定運行3~6個月后,再將整組電池的浮充電壓的一致性和偏差納入BMS的監控管理。3~6個月內的浮充電壓由于其不穩定性,其偏差和一致性狀態不建議作為電池健康狀態的告警值。系統配套的BMS系統建議初期對于浮充電壓一致性的相關告警設置先關閉。當然,已經正常運行超過6個月的電池組則不存在這個問題。
      
      如果客戶對于初期浮充電壓表現出的較大離散型存在擔憂,不確信電池組是否有隱患,建議對電池組做性能測試,以性能測試結果來判定電池組健康狀態。畢竟客戶購買蓄電池的終極需求是滿足備電,而不是一些看起來很復雜的參數表征。
      
      當然,蓄電池系統在安裝后通常推薦做一次均衡充電再投入浮充使用。均衡充電后轉入浮充比一直進行浮充的浮充電壓一致性提升更快,可以有效縮短浮充電壓趨于穩定的磨合周期。
      
      相關的蓄電池運行規范也對此有明確的說明,以引導客戶正確的使用浮充電壓指導蓄電池維護工作。
      
      二、 內阻
      
      1.內阻的構成
      
      電池內阻包括了歐姆內阻和電化學電阻,同時含有一定的電容和電感,如圖2所示。
      
                           圖2  電池的內阻等效電路模型
      
      歐姆內阻又包括了極柱、匯流排、板柵以及板柵與活性物間的電阻。電化學內阻包括了涂膏、電解質和隔膜的電阻,并聯的極板與它們之間的介電物質構成電容Xc。
      
      由于電池的內阻與它本身容量有一定的聯系,因此可以利用這個參數來預測電池的性能。不過兩者之間并非嚴格的線性關系。目前雖然可以準確測量出電池的內阻,但是這個參數并不能直接用來指示電池的容量。它只能是在電池性能已嚴重退化到將影響整個系統正常使用時,做為一個警告指示。
      
      2.電池老化和電池內阻的關聯
      
      電池內阻變化可以一定程度指示電池老化程度。固定型鉛酸蓄電池電池壽命通常是指25℃條件下浮充使用壽命,或者按規定的放電深度循環放電次數。電池老化過程是非常緩慢的,并伴隨這板柵的腐蝕、活性物軟化,電解液干凅等。電池老化過程也標志電池內阻的增加和容量的降低,當電池實際容量低于額定容量的80%以下時,其老化速度將迅速增加,電池將不能可靠使用,即電池壽命終止,如圖3所示。
      
      實際應用中,蓄電池內阻比初期值高出50%以上時候,則電池容量大約會降低到60~80%左右。這個規律的相關性比較強。但在低于80%之前變化時,相關性較差,如圖4所示。
      
                        圖3 蓄電池內阻與電池壽命的關系

                       圖4 電池內阻與剩余容量相關性
      
      3.內阻的影響因數
      
      ?電池老化程度
      
      隨著電池老化,蓄電池內阻增加。比如隨柵板和匯流排的腐蝕,金屬導電回路變化,使電池內阻增大。
      
      ?環境溫度
      
      當溫度升高時,電解液的活度加強,內阻降低;當溫度降低時,電解液活度減小,內阻增加。大量實驗數據表明,當溫度低于20℃時,電池內阻隨溫度的變化明顯,當溫度高于20℃時,電池內阻隨溫度變化較為平緩。
      
      ?電池荷電狀態
      
      電池處于不同充電狀態時其內阻不同,滿充電時內阻最小。隨著放電進行電池內阻逐漸增加。而隨充電的進行內阻逐漸減小。
      
      ?浮充電壓
      
      不同的浮充電壓對電池產生的影響不一樣,比如發熱,極板腐蝕,氧復合,電化學極化程度等,因此對內阻也會產生不同的影響。
      
      ?電池運行狀態
      
      不同的運行狀態,也會影響電池內阻。比如電池浮充情況下,新電池內阻比離線時要低,大約低5%左右。另外浮充運行電池初期投入使用時電池內阻的離散性較大,通常大約需要1~3個月的時間才能達到穩定的狀態。
      
      因此,當BMS系統需要設置電池內阻初始值作為基準時,建議等電池投入運行后至少2個月時為準。這樣內阻基準值才能更支持BMS系統的正常運行。
      
      當然,客戶會質疑“一些大品牌產品的初期一致性表現就很好,并沒有你說的這樣差”?首先,應當承認有這種差異的存在;其次,還應明白,即使看起來初期一致性很好,但和電池運行1~3個月后相比,仍然是有差異的,也就是如上的客戶規律對于任何同類型產品均是適用的,只是在初期一致性存在一定差異,以及運行到穩定狀態所需的時間可能更短一些而已。
      
      浮充電壓、內阻參數反應出的電池真實情況有差距!測量的目的是掌握電池的真實情況,是否可以有更好的辦法來保障電池確實可以運行良好保障供電安全呢?市面歐美廠家更喜歡采用電導測試代替內阻測試,據說測試更加精準;個別廠家宣稱可以測量電池的電化學阻抗,宣稱可以識別電池的失效狀態和準確反映電池SOH;深圳佰特瑞則采用了在線開路電壓檢測和開路狀態下內阻測試,消除了浮充狀態對電池內阻和電池電壓的影響,測試結果更能真實準確反映電池狀態。
      
      測試最終的目的是知道電池是否可用。產品的方案可以在測量方法改進上,還可以在其他方面比如充電管理,智能故障預測邏輯等。超特科技通過“建立各種電池故障模型,結合間歇充電手段,對電池故障進行預測,提前消除故障隱患,從根本上保障電池可用”。

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