VRLA蓄電池常見故障及其診斷處理方法

王秋虹，任開春，劉 凡，吳釗銘

（重慶通信學院，重慶400035）

1 概 述

貧液式閥控密封鉛蓄電池（VRLAB）采用超細玻璃纖維隔膜、貧電解液、緊裝配方式和單向排氣閥等特殊結構，在維護過程中無法給電池補水和觀察電解液的液面和密度的變化，這一方面決定了VRLAB對環(huán)境溫度、浮充電壓的調節(jié)等使用條件和維護工作的要求更高［1］，且故障的類型也更多；另一方面，給這類電池的故障診斷和修復帶來難度。VRLAB的故障種類多，有些是可以修復的，但可能因充不進電被誤以為無法修復，因此造成不必要的損失。本文將結合實例，對VRLAB常見故障的形成原因、診斷處理方法進行介紹。

2 常見故障及原因

VRLAB常見的故障有硫化、失水、短路、正極板柵腐蝕、熱失控和早期容量損失（PCL）等，其中失水、熱失控和PCL是普通富液式鉛蓄電池所沒有的故障。因此，VRLAB發(fā)生上述故障的原因除了使用維護不當之外，還與其結構［2］有關。表1列出了引起VRLAB常見故障的原因［3］。由表1可見，VRLAB的故障存在伴生現(xiàn)象，這是因為：①短路和失水電池的缺水，部分活性物質因無法完成充電反應而長期處于放完電的狀態(tài)，致使極板發(fā)生硫化；②硫化電池在充電電壓超過2．3 V時，負極不僅會析氫，而且對氧氣的復合能力下降，失水就因此而產生；③短路電池充電時，其溫度較高會引起電池失水；④正極板柵腐蝕發(fā)生時有水參與反應，會引起電解液中水的減少；⑤熱失控是指電池在恒壓充電時發(fā)生了電池溫度和電流之間的相互增長作用，如果長時間失控會引起正極板柵腐蝕和失水，甚至生成鉛枝晶引起電池微短路；⑥VRLAB的結構特點導致其熱容量小和散熱不良，如果發(fā)生失水，其散熱能力下降更容易引起熱失控。

表1 引起VRLAB常見故障的原因

3 故障診斷方法

無論電池發(fā)生何種故障，都會表現(xiàn)出開路電壓低、放電電壓低和放電容量小的現(xiàn)象，所以只能通過充電現(xiàn)象對故障進行診斷，表2列出了VRLAB發(fā)生上述幾種常見故障后在充電（先恒流后恒壓法）時可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。

表2 VRLAB常見故障的充電現(xiàn)象

圖1 VRLAB故障診斷流程圖

表2中沒有列出熱失控，是因為熱失控不是故障而是現(xiàn)象。熱失控會引起整組電池的溫度和充電電流（或浮充電流）失控，甚至電池出現(xiàn)開裂和鼓包的現(xiàn)象，嚴重影響電池的壽命。熱失控電池本身可能有故障或者因熱失控出現(xiàn)表2中的某種故障。

根據表2所列充電現(xiàn)象可首先將短路電池鑒別出來，并予以淘汰。對于正極板柵腐蝕的電池，腐蝕不太嚴重時基本不會影響電池的正常工作。只有當板柵腐蝕到很細甚至斷裂時，因其電池內阻會很大，導致充電現(xiàn)象與硫化電池的充電現(xiàn)象一樣，但與硫化電池不同的是，正極板柵嚴重腐蝕的電池是無法修復的。

在VRLAB的上述幾種故障中，硫化、失水和早期容量損失是可以進行修復的。在排除短路電池和因熱失控出現(xiàn)開裂、鼓包的電池后，通過加水和處理硫化，可將正極板柵嚴重腐蝕的電池診斷出來，修復好的電池即是硫化和失水的電池。在反復充放電過程中發(fā)生容量不升反降現(xiàn)象的為PCL。故障診斷步驟如圖1所示。

4 故障處理方法

如前所述，VRLAB的常見故障中，短路電池和正極板柵嚴重腐蝕的電池是不能修復的。熱失控的電池只要沒有發(fā)生開裂、鼓包和短路，就可以按照處理硫化和失水的方法進行修復。早期容量損失的修復［4，5］，可采用大電流充電后高溫（40～60℃）擱置或高率（3C10）充電和低率放電（0．1C10放至0V）循環(huán)。本文只對失水和硫化的電池進行修復。

4．1 失水的處理

4．1．1 打開電池外蓋：VRLAB的電池外蓋與殼體之間留有縫隙供多余氣體逸出。電池外蓋有板式和小圓蓋式兩種，前者通過粘合劑在數個點位將其與殼體結合在一起，后者則是通過卡式或螺旋［6］結構與殼體相結合。板式或卡式外蓋必須借助起子等工具，先試探找到結合點再小心將其打開。

4．1．2 制作注水器：打開外蓋后，揭開安全閥即露出排氣孔。由于排氣孔較小，無法觀測到水位且加水不易，所以可將塑料吸管套在醫(yī)用注射器（去掉針頭）上制成注水器。

4．1．3 加水：加水時應注意兩點，一是只能加蒸餾水，二是水量以剛好浸沒到極板上沿為宜。檢測水量的方法是：每注射完一次水，等水充分地往下滲透后，再用注射器抽取一下，如果能抽取到極板上沿的電解液，就說明加水量已經足夠。

4．2 硫化的處理

采用反復充放電法處理硫化的電池，如表3所示。表中的說明如下：

（1）因為硫化電池的極化內阻非常大，恒流充電時電壓上升很快，在很短時間內就能上升至2．35 V并進入恒壓充電階段，同樣是因為極化內阻大的原因，使恒壓階段的充電電流快速下降至充電終止的電流，即充不進電。所以將電壓提高至2．60～3．00V／只，在高電壓下，先有較小的電流通過電池（硫化嚴重時需要充電數分鐘后才會有電流），然后會逐漸增大至設定的電流。當電流增大后，電池的電壓會逐漸下降如圖2所示。如果還是無法充進去電，說明電池有失水故障，則需加水再按上述方法進行充電。

表3 處理VRLAB硫化的方法

圖2 硫化電池在充電初期的充電曲線

（2）電池加水后處于開放狀態(tài)，就可以小電流恒流充電以消除硫化。需注意的是：①恒流充電時電池的電壓較高，有氣體產生，產生的氣體能讓電解液的密度上下均勻一致，同時也會讓電解液的液面往上移；②當充電結束后或放電時，液面會下降，需用注水器檢查液面，低者補水；③首次循環(huán)的充電容量不要超過120%～140%C10。

（3）小電流充電和過量充電對硫化的修復是有利的，但在實驗中觀察到硫化消除后又出現(xiàn)了容量衰減現(xiàn)象，這可能與充電初期的小電流充電和過量充電引起PCL有關。所以從第二次循環(huán)開始，充電初期的電流應設置為0．1C10A，每次循環(huán)的充電總容量不要超過120%C10。

（4）如果發(fā)生硫化的VRLAB沒有正極板柵嚴重腐蝕，則在上述充放電循環(huán)過程中，其放電容量應該逐次增大。當容量不再上升時，最后一次的放電容量即為硫化消除后電池所具有的容量。容量恢復至80%C10以上的電池按原樣密封后即可投入使用。

5 實 例

對三只型號為GMF－300的失效電池進行了診斷和處理。三只電池均經過加水處理，其中1#電池在加水之后的硫化處理過程中出現(xiàn)短路，2#和3#電池經過兩三次循環(huán)即恢復正常，其過程和結果如表4所示。值得一提的是，3#電池從第四次循環(huán)開始出現(xiàn)了容量衰減現(xiàn)象，這可能與過量充電引起PCL有關，所以每次循環(huán)時充電量以不超過120%C10為宜。

表4 三只失效GMF－300電池的處理及結果

6 結 論

（1）VRLAB常見的故障有硫化、短路、失水、正極板板柵嚴重腐蝕、PCL和熱失控等。引起故障的原因除了使用不當之外還與其結構有關。

（2）上述故障中只有失水、硫化和早期容量損失是可以修復的；發(fā)生熱失控的電池本身可能會有某種故障，只要其沒有開裂鼓包，也無短路和正極板柵嚴重腐蝕，則可以修復。

（3）VRLAB的故障有伴生現(xiàn)象，故障診斷也只能結合故障處理來進行。充電時有發(fā)熱和電壓不升反降現(xiàn)象的為短路電池；能充進電，但放電容量不斷衰減的電池為PCL；充不進電則需要加水處理硫化，容量能恢復的電池故障為失水伴硫化，反之則為正極板柵嚴重腐蝕。

（4）用反復充放電法處理硫化時，從第二次循環(huán)開始，充電容量應控制在120%C10之內，充電初始的電流不得小于0．1C10A。

［1］ 張紀元．閥控密封鉛蓄電池的使用與維護 ［J］．電池，1998，（6）：278－281．

［2］ 王秋虹，王華清．VRLAB的失效模式及其影響因素［J］．蓄電池，2005，（3）：108－111．

［3］ 楊貴恒，王秋虹，曹均燦，等．現(xiàn)代電源技術手冊［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2012：352－362．

［4］ 朱松然，韓佐清，陳延禧．PCL蓄電池容量恢復的研究［J］．電源技術，1999，（1）：19－21，28．

［5］ 朱品才，魏 杰，馬荷琴．通信用閥控密封鉛酸蓄電池的早期容量損失［J］．電源技術，2004，（1）：38－42．

［6］ 段萬普．影響VRLA蓄電池使用壽命的原因分析［J］．電池工業(yè)，2011，（6）：323－328．