后備用VRLA電池充電方式的探討

楊勇，趙俊，陳倫維

（深圳市佰特瑞儲(chǔ)能系統(tǒng)有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

VRLA 電池由于全密封設(shè)計(jì)，不漏液，無(wú)需補(bǔ)水維護(hù)，中高功率特性好，體積小，可與電氣設(shè)備共室安裝，用作后備電源具有良好的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，浮充電狀態(tài)下 VRLA電池的使用壽命往往較短，而且其故障率比開口富液式電池的高。因此，筆者著重對(duì) VRLA 電池在浮充后備應(yīng)用下的原理和特性進(jìn)行分析和總結(jié)，并探討了浮充充電方式是否適合后備應(yīng)用的 VRLA 電池，并提出了更加適合于后備應(yīng)用 VRLA 電池的充電方式。

1 后備電源上VRLA電池使用方式—浮充電應(yīng)用

由腐蝕、水分解和氧復(fù)合等副反應(yīng)引起的的自放電現(xiàn)象在鉛酸電池中是不可避免的。為了補(bǔ)償鉛酸電池的自放電，需要給電池施加一個(gè)等于或高于自放電的電流。傳統(tǒng)的做法是施加一個(gè)略高于電池開路電壓的恒定電壓，產(chǎn)生一個(gè)充電電流。這種充電方式被稱為“浮充充電”。通常在浮充應(yīng)用條件下，電池與固定的充電器/整流器連接，只在偶然的電源斷電時(shí)提供電流。理論上，這種應(yīng)用條件對(duì)于電池的使用是有利的，還成功地避免了 VRLA 電池循環(huán)能力較弱的弊端。特別是 VRLA 電池還具有大功率放電特性好，安裝方便，無(wú)需補(bǔ)水等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)客戶對(duì)于較短的使用壽命沒有苛求時(shí)，這看起來似乎是完美的方案。

然而需要明白的是，浮充電方式用于后備電源一開始是針對(duì)開口富液式電池的。實(shí)際的應(yīng)用結(jié)果表明，浮充電方式與開口富液式電池匹配良好。當(dāng)VRLA 電池出現(xiàn)，并表現(xiàn)出比開口電池更好的適用性優(yōu)勢(shì)時(shí)，這種充電方式也被沿用了下來，因此可以說，浮充電方式用于 VRLA 電池更像是一個(gè)權(quán)宜之計(jì)。

2 VRLA 電池用于后備電源存在的問題

2.1 VRLA 和開口富液式電池的區(qū)別

開口富液式電池（含銻合金）的鉛酸蓄電池中，負(fù)極的自放電速率是正極的好幾倍。而在無(wú)銻合金鉛酸蓄電池中，比如常見閥控式密封鉛酸蓄電池中，負(fù)極的自放電速率相對(duì)于含銻合金電池來講已經(jīng)被大大降低了，且負(fù)極自放電速率低于正極[1]。相對(duì)于開口富液電池，VRLA 電池特性顯示出很大的不同，在很大程度上決定了它們的性能，及預(yù)期的浮充壽命與開口富液式電池的區(qū)別。

2.1.1 浮充電流增大

浮充電流的增大是由于正負(fù)電極過電位的分布不同所導(dǎo)致，而氧復(fù)合技術(shù)使得正極板電勢(shì)更向正電位值偏移。從圖 1 清楚地看到，與開口電池相比，VRLA 電池正極極化電位的更高。在富液式電池中，當(dāng)活物質(zhì)完全形成時(shí)（充滿電），電池就轉(zhuǎn)入所謂的塔菲爾 Tafel 區(qū)間，這時(shí)主要的電化學(xué)反應(yīng)為水的電解，而且浮充電流由氫氧的分解程度來決定，即相當(dāng)于正極析氧及負(fù)極析氫電流之和。對(duì)于 VRLA 電池，氧氣的擴(kuò)散，以及其在負(fù)極的復(fù)合，直接增大了浮充電流。VRLA 電池的浮充電流大約是開口富液式電池的 10 倍。

圖1 開口電池和 VRLA 電池正、負(fù)電極的極化曲線[1]

2.1.2 單體間浮充電壓偏差更大，一致性差

圖2 2 V 500 Ah 電池浮充 180 d 的電壓變化

圖2是2 V 500 Ah 新電池（電池組電壓 48 V）浮充 3 個(gè)月期間浮充電壓的變化曲線。浮充電初期電壓偏差較大，浮充電過程中隨著隔板中電解液飽和度的變化，復(fù)合效率的大小不斷得到調(diào)整，逐漸降低了浮充電壓的偏差，但單體之間存在電壓偏差是客觀存在的，而且這種偏差比富液式電池更明顯。浮充應(yīng)用下 VRLA 電池單體電壓之偏差可達(dá)100 mV/2 V。如圖 2 所示，在標(biāo)準(zhǔn)浮充電壓 2.25 V的情況下，最高單體電壓達(dá)到 2.34 V，而最低只有2.16 V。這是因?yàn)椋?）VRLA 電池密封復(fù)合反應(yīng)效率的偏差較小，導(dǎo)致負(fù)極板過電位的偏差很大。2）串聯(lián)電池組中各電池浮充電壓是不斷變化的。

2.1.3 浮充電過程中 VRLA 電池的副反應(yīng)增多，且反應(yīng)被加速

對(duì)于開口富液式電池，浮充條件下副反應(yīng)主要是水的電解。相對(duì)于富液式電池，VRLA 電池負(fù)極的副反應(yīng)主要有析氫和氧復(fù)合反應(yīng)，而正極的副反應(yīng)則主要是析氧和腐蝕反應(yīng)。由于氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生很大熱量，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度的升高，自身又產(chǎn)生了各種副反應(yīng)的加速因子。因?yàn)闇囟壬?，電池失水加大，?huì)增加隔板氧復(fù)合通道，使得氧氣復(fù)合電流也隨之提高，浮充電流隨之增大，溫度進(jìn)一步升高，所以形成相互加速的惡性循環(huán)。

2.2 浮充電方式加速 VRLA 電池失效

2.2.1 浮充電方式造成持續(xù)過充電

副反應(yīng)是蓄電池自放電的主要原因，而 VRLA電池比開口富液式電池有更多的副反應(yīng)。VRLA 電池的自放電是由于與主反應(yīng)同時(shí)存在的各種反應(yīng)，比如活性物質(zhì)的充電和放電，以及不可逆的副反應(yīng)如腐蝕、水分解和氧復(fù)合。浮充條件下浮充電流不僅要補(bǔ)償正負(fù)極活性物質(zhì)的自放電，還要補(bǔ)償板柵腐蝕，以及氧復(fù)合等不可逆副反應(yīng)引起的自放電，因此浮充電流遠(yuǎn)大于電池正常自放電的電流。由于無(wú)銻合金的效應(yīng)，VRLA 電池負(fù)極的自放電比開口富液式電池的大幅降低。由圖 3 可知，在浮充條件下，VRLA 電池正負(fù)極的自放電占比比較低，因此持續(xù)的浮充電實(shí)際上是對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)的過充電。這和浮充充電制度的初衷似乎是矛盾的。

圖3 溫度不變，不同浮充電壓下浮充電流的分布[2]

2.2.2 浮充電過程加速電池的發(fā)熱、腐蝕和失水

浮充電過程中，由于氧復(fù)合的持續(xù)發(fā)生，電池內(nèi)部溫度升高，從而產(chǎn)生了重要的加速因子。高溫加速板柵腐蝕和浮充電流。一般來說，溫度增加10 ℃，反應(yīng)速率加倍。在電化學(xué)反應(yīng)中，這意味著等效電流增加了一倍。如圖 4 所示，同樣的浮充電壓下，溫度升高 10 ℃，浮充電流值增加 1 倍以上。此外，浮充電產(chǎn)生極化的同時(shí)也增加了電池兩極的析氣速率，同時(shí)還增加了電池內(nèi)部的氣壓。這將會(huì)增加 VRLA 電池安全閥開閉閥頻率和水蒸氣透過 ABS 電池殼的速率，結(jié)果是加速了電解液失水的速率。

圖4 不同溫度下 (2.25Vpc 固定浮充電壓) 浮充電流[2]

2.2.3 浮充電方式提升了對(duì)電池組一致性的要求

在持續(xù)的浮充電狀態(tài)下，VRLA 電池單體之間很容易發(fā)生不一致性，從而影響串聯(lián)電池組的整體壽命。這也可以理解為浮充電方式對(duì)于單體一致性的要求較高。

2.3 實(shí)際應(yīng)用采用偏高的浮充電壓

副反應(yīng)在正負(fù)電極發(fā)生是相互獨(dú)立，且正負(fù)極的自放電速率也是不相等的[1]。此外，由于在電池兩極間施加了一個(gè)恒定電壓，導(dǎo)致正負(fù)極間的電位分配不同（見圖 1）。因此，理論上要找到最佳的浮充電壓是非常困難，甚至是不可能的。在現(xiàn)實(shí)中，平衡電位取決于很多因素，比如溫度、電解液密度、板柵合金。在串聯(lián)電池組中，單體電壓的離散現(xiàn)象也是存在的。適用的浮充電壓值還是由經(jīng)驗(yàn)來確定。實(shí)際應(yīng)用中，為了避免出現(xiàn)欠充電的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于富液電池通常采用的浮充過電壓為 80～90 mV，而對(duì)于 VRLA 電池，通常采用更高的浮充過電壓，增加至120 mV（如對(duì)于開路電壓為 2.15 V的單體電池，浮充電壓為 2.27 V）。因此，在浮充電狀態(tài)下 VRLA 電池是一直被過充電的，浮充電方式是維持電池 SOC 和 SOH 的一種折衷。

2.4 VRLA 電池難維護(hù)影響了電池的使用壽命

這主要源于 VRLA 電池與開口富液式電池不同和更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1）VRLA 電池是一個(gè)密封系統(tǒng)，蓄電池外殼是不透明的，所以不能像對(duì)開口富液式電池那樣，可以直觀地查看內(nèi)部狀態(tài)；2）采用不流動(dòng)的電解液，貧液設(shè)計(jì)，所以電池對(duì)電解液失水敏感；3）由于采用密封結(jié)構(gòu)，其散熱性比開口富液式電池的差很多，充電過程中熱量容易累積。因此，VRLA 蓄電池的維護(hù)工作至今仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。日常維護(hù)中難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后單體，而落后單體的存在會(huì)拖累整組電池的壽命。這是 VRLA 電池相對(duì)于開口富液式電池存在的又一個(gè)先天不足。

3 關(guān)于間歇充電方式

3.1 間隙充電方式

圖5 間歇充電方式與浮充電方式

間歇充電方式，如圖 5 所示，不再像傳統(tǒng)的浮充電方式，一直持續(xù)地給電池組充電，而是間歇性地對(duì)電池組進(jìn)行補(bǔ)充電，大部分時(shí)間讓電池處于開路狀態(tài)（或稱休眠狀態(tài)）。電池在補(bǔ)充電和休眠狀態(tài)下不斷切換。智能的間歇充電管理方式運(yùn)用于密封蓄電池在國(guó)外已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史，如法國(guó) EDF在 10 多年前就開始了用于電站的間歇充電管理，UPS 行業(yè)的廠家 EATON 有主動(dòng)均衡電池管理系統(tǒng)（ABM）[3]，但總體上相關(guān)的應(yīng)用還較少，沒有形成影響。

3.2 間歇充電方式的優(yōu)勢(shì)

3.2.1 降低 VRLA 電池過充電

因?yàn)殚g歇充電方式大幅減少了電池充電時(shí)間，讓電池大部分時(shí)間出于開路狀態(tài)。開路狀態(tài)下，電池的副反應(yīng)被大幅降低，比如失水，氧復(fù)合反應(yīng)以及板柵腐蝕。如圖 6 所示，在休眠模式下電池正極板的腐蝕速率較低。眾所周知，浮充電應(yīng)用下電池壽命終止的一個(gè)重要原因就是板柵腐蝕。BSB 最新開發(fā)的智能間歇充電管理方式，實(shí)現(xiàn)了更加精細(xì)的間歇充電管理，將電池浮充過充電電量降低 80%以上，浮充使用壽命延長(zhǎng)約 1.5 倍，如圖 7 和圖 8所示。

3.2.2 降低 VRLA 電池充電時(shí)的發(fā)熱

圖6 正極板在不同電壓下的板柵腐蝕對(duì)比[2]

圖7 不同充電方式下 12 V 100 Ah 電池累計(jì)過充電量

圖8 不同充電方式下 12 V 100 Ah 電池高溫浮充加速衰減曲線

持續(xù)的浮充電會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫升，甚至熱積累，這是造成 VRLA 電池浮充運(yùn)行中期電池?zé)崾Э氐闹饕騕4]。溫度是典型的浮充壽命加速因子。采用間歇充電方式時(shí)，由于補(bǔ)充電的時(shí)間很短，因此幾乎不會(huì)導(dǎo)致電池溫升，從而降低了溫度對(duì)電池的影響。

3.2.3 提高 VRLA 電池的高溫耐受性

從電池的反應(yīng)原理不難理解，VRLA 電池之所以不耐高溫，是因?yàn)樵诟〕潆姞顟B(tài)下電池過充電，以及高的氧復(fù)合效率產(chǎn)生熱量累積，而熱量累積又導(dǎo)致溫度更高，惡性循環(huán)最終導(dǎo)致熱失控事故發(fā)生。在間歇充電模式下，電池大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，沒有持續(xù)浮充過充電導(dǎo)致的發(fā)熱（氧復(fù)合和歐姆電阻），電池內(nèi)部沒有持續(xù)的熱量產(chǎn)生和累積，因此也沒有熱失控風(fēng)險(xiǎn)。在休眠和放電狀態(tài)下電池可以耐受較高的溫度。這也可以理解為，電池不怕高溫?cái)R置和放電，怕的恰恰是高溫下的充電和過充電。

3.2.4 降低了成組使用對(duì)電池組一致性的要求

由于間歇充電方式不會(huì)持續(xù)地進(jìn)行充電，其短時(shí)的補(bǔ)充電是為了補(bǔ)償電池的自放電，因此對(duì)電池浮充狀態(tài)下一致性的要求就大大降低了。電池組中各單體電池的荷電狀態(tài)和均勻性主要取決于電池的充電接受能力，而不是使用過程中的放電情況，也和電池之間的一致性無(wú)直接關(guān)系。間歇充電目的只需保持保證電池達(dá)到滿電的狀態(tài)即可，對(duì)充電電壓的要求也降低了，因此可以選擇更高的充電電壓獲得更高的充電速率，而不需擔(dān)心欠充電和過充電的問題[5]。

3.2.5 對(duì)電池的檢測(cè)更加準(zhǔn)確有效

在間歇充電的休眠階段，配置的電池管理系統(tǒng)（BMS）可以直接監(jiān)測(cè)電池的開路電壓，以及開路狀態(tài)下的內(nèi)阻。由于沒有受到浮充電壓和浮充電流的干擾，因此檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確有效，更能真實(shí)反饋電池的狀態(tài)。

3.2.6 間歇充電方式更加節(jié)能

采用間歇充電方式時(shí)，充電時(shí)間大幅減少，因此更加節(jié)能。采用間歇充電方式可以降低約 80%的充電量，同時(shí)也極大地減少了充電電源模塊的工作時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于以上理解，間隙充電方式從原理上更加適應(yīng)了 VRLA 電池的特性，避免了常規(guī)浮充電的不利影響，并極大地提高了電池的可用性。簡(jiǎn)而言之，間歇充電方式使得 VRLA 電池工作在更加健康的狀態(tài)下，從根本上提高了電池可靠性，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]PHUONG NGUYEN T M, DILLENSEGER G, GLAIZE C, et al.Traditional float charges:are they suited to stationary antimony-free lead acid batteries?[M]//Bouras C J.Trends in Telecommunications Technologies.2010: 665–692.DOI: 10.5772/8495.

[2]JERGL J, COLE B, PURCELL S.Real world effects on VRLA Batteries in float applications[C].International telecommunications energy conference-INTELEC, 1996: 351–357.

[3]Eaton Group.Advanced battery management(ABM) and battery testing in Eaton UPS: White paper[Z].2009.

[4]王吉校, 王秋虹.VRLA 蓄電池的失效模式研究[J].蓄電池, 2008, 45(2): 58-61.

[5]張磊, 楊學(xué)光, 拾華杰, 等.VRLA 蓄電池循環(huán)壽命與浮充電壓關(guān)系的研究[J].蓄電池, 2012,49(1):18-20.DOI: 10.16679/j.cnki.21-1121.2012.01.006.