閥控式鉛酸蓄電池參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

宋春然，王璐瑤，吳立霞，張若朋，薛守洪

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

閥控式鉛酸蓄電池（VRLA蓄電池）是各類供電系統(tǒng)中常用的直流備用電源設(shè)備，在日常不斷電的情況下處于浮充狀態(tài)，一旦交流電路或常規(guī)電路發(fā)生故障斷電后，蓄電池開始工作，從而保障照明、機組以及主機等設(shè)備的正常運行，為事故的處理和搶修提供寶貴的時間。若蓄電池不能正常工作，相應(yīng)的電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備可能會產(chǎn)生風(fēng)險而引發(fā)事故，造成經(jīng)濟損失。實際應(yīng)用中，蓄電池面臨著較多問題。首先，不同的生產(chǎn)廠家的原料、工藝以及技術(shù)參差不齊，導(dǎo)致蓄電池性能的集中性不高。其次，蓄電池多以串聯(lián)方式連接，中間某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會逐漸影響周圍的電池，導(dǎo)致整個電池組的性能惡化。再次，蓄電池的壽命和性能與標(biāo)識相差較大，通常不能達到標(biāo)識的使用壽命。最后，蓄電池配置好后缺少專人監(jiān)管維護。因此，有必要對VRLA蓄電池進行在線監(jiān)測。

1 閥控鉛酸蓄電池工作原理

1.1 蓄電池組成

鉛酸電池包含電極板、匯流導(dǎo)體以及電解液等主要部件，還有溢氣閥、盒蓋及盒體外殼等輔助部件，基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VRLA電池基本組成

1.2 蓄電池的工作原理

VRLA蓄電池中的正極板材料是二氧化鉛，負極板材料是鉛。為了更好地進行電解作用，通常負極制作為海綿狀。正負極間充斥著電解液，電解液為稀硫酸和蒸餾水混合物。正負極板與電解液發(fā)生不同的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生不同的電極電位。蓄電池在供放電時，通過內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)為負載設(shè)備供電，充電時將外部電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。充放電的化學(xué)反應(yīng)式如下[1]：

充電過程：2PbSO4+2H2O→PbO2+2H2SO4+Pb

放電過程：PbO2+2H2SO4+Pb→2PbSO4+2H2O

放電過程中，正負極板的材料在稀硫酸的作用下變成了PbSO4，化學(xué)反應(yīng)過程中離子流動會形成電動勢。PbSO4導(dǎo)電性不佳，隨著放電過程的推移，內(nèi)阻越來越大，電動勢隨之降低。放電結(jié)束后，蓄電池的額定電壓一般會降低1 V以上。充電過程中，通過在正負極上加電壓，PbSO4發(fā)生電解，負極板上累積析出金屬鉛，正極板上則累積PbO2。硫酸比例逐漸增加到最高，內(nèi)阻相應(yīng)減到最低，蓄電池的電動勢增加。蓄電池工作中有氣體的再化合，正極板周圍生產(chǎn)的氧氣，通過隔板間隙傳到負極后生成水，進而抑制氫氣的產(chǎn)生，維持電池內(nèi)的水量和硫酸量。當(dāng)然，在蓄電池工作中勢必會釋放出一定量的氧氣和氫氣。當(dāng)氣體過多時，氣閥會自動放氣。部分氣體釋放后，氣閥自動閉合，通過閥控保證電池內(nèi)部的氣壓平衡。

2 鉛酸蓄電池的主要監(jiān)測參數(shù)

2.1 電池電壓

VRLA蓄電池的電壓能直接反映其目前的運行狀態(tài)。電壓監(jiān)測可以判斷電池是否處于持續(xù)放電狀態(tài)，以防過放電導(dǎo)致永久損害。電壓監(jiān)測主要包括電動勢、工作電壓以及開路電壓。

2.1.1 電動勢

電動勢是指蓄電池在未接入負載的開路狀態(tài)下，電池正、負極間產(chǎn)生的電勢差。電動勢越大，蓄電池輸出的電能就越大。電動勢是由電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)能力決定的，與電池的形狀等外在參數(shù)無關(guān)。根據(jù)勢能理論，它的表達式為[2]：

其中，E0是標(biāo)準(zhǔn)電動勢，F(xiàn)、R分別代表法拉第感應(yīng)常數(shù)和摩爾氣體常數(shù)，T為絕對溫度，a表示離子濃度，N為充放電化學(xué)式中的得失電子數(shù)。

2.1.2 開路電壓

開路電壓在定義和數(shù)值上與電動勢非常接近，但并不相等。常見的都是偶數(shù)開路電壓，如6 V、12 V以及48 V等。開路電壓與硫酸濃度呈正比關(guān)系，公式如下[3]：

其中，U為開路電壓，d為硫酸濃度。

2.1.3 工作電壓

蓄電池在接通外部負載設(shè)備后，測量得到的電池兩端的電壓即為工作電壓。由于內(nèi)阻原因，工作電壓始終低于開路電壓，公式如下：

其中，E為電動勢，η+和η-分別為正極和負極上的超電勢數(shù)，I為放電電流，R表示負載電阻的大小。根據(jù)經(jīng)驗，接通負載設(shè)備后，蓄電池的電壓會發(fā)生驟降跳變，隨后略有回升，再逐步下降，直到電量用盡。原因是放電初期電解液擴散慢，化學(xué)反應(yīng)較慢，產(chǎn)生的端電壓較小，隨后稀硫酸電解液逐步擴散到電極板表面，化學(xué)反應(yīng)變快，電壓增加，硫酸消耗逐步減少，電壓隨之降低為0[4]。

2.2 電 池

蓄電池的電流監(jiān)測參數(shù)主要有浮充電流、均充電流以及放電電流。浮充電流對電池使用壽命非常重要。浮充電流如果長期偏小，電池便將長期處于欠充電狀態(tài)；反之，導(dǎo)致過充電。這兩種狀態(tài)都會減少電池的使用壽命。浮充電流的計算公式如下[5]：

式中c10表示25 ℃下10 h的自放電率。

實際上，很小的浮充電流就能補充自放電造成的化學(xué)能損失。如果蓄電池已經(jīng)為負載設(shè)備供電了一段時間，為彌補電池容量，充電時的電流使用均勻電流。負載供電時，在外電路回路中的電流稱為放電電流。如果負載發(fā)生短路，放電電流非常大會損傷電池，甚至引發(fā)爆炸事故。

2.3 溫 度

溫度對電池的容量、內(nèi)阻以及壽命都會有影響，因此監(jiān)測的溫度異常也是重點。電池適宜的工作溫度為25 ℃，充放電時電解液與電極板的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生熱量，電池的整體溫度會升高。公式如下：

其中，C25、CT分別表示在25 ℃和T℃時的放電容量，T表示環(huán)境溫度，K為修正系數(shù)。電池溫度增加會加快電解液離子的運動，離子的動能和擴散能力增加，內(nèi)阻減少，更有利于電化學(xué)的反應(yīng)，電池容量隨之增大；反之，電池容量會降低。

2.4 內(nèi) 阻

對于故障、報廢以及失效的蓄電池，它的內(nèi)阻會比正常的大。內(nèi)阻監(jiān)測可以判斷蓄電池內(nèi)部是否發(fā)生故障。為準(zhǔn)確測量電池內(nèi)阻的大小，研究人員建立了電池等效模型，其中最簡單的是Rint模型，結(jié)果精確的如GNL模型[6]。GNL模型如圖2所示，該模型將濃差極化和電化學(xué)極化等因素都考慮在內(nèi)。經(jīng)過試驗測試，GNL模型計算得出的電池阻抗曲線更接近真實情況。

3 監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

采用模塊化的設(shè)計方法構(gòu)建VRLA蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)，按照邏輯功能設(shè)計不同的模塊，包含主監(jiān)控模塊、在線監(jiān)控模塊、放電監(jiān)控模塊以及顯控模塊，系統(tǒng)的總體框圖如圖3所示。

圖2 GNL內(nèi)阻模型

圖3 系統(tǒng)總體框圖

蓄電池在線監(jiān)測的核心為主監(jiān)控模塊，以CPU為核心。在主監(jiān)控模塊還需設(shè)置時鐘、看門狗以及配置合適的ROM，以便處理和存儲數(shù)據(jù)。

以CPU為核心，信號采集模塊通過不同的傳感器與電池組相連，利用開關(guān)控制采集的信息，可同時采集多種待監(jiān)測參數(shù)。采集的模擬信號經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，經(jīng)過RS-232串口傳輸至CPU中。電壓信號采集可持續(xù)監(jiān)測單體電池或電池組在充放電過程中的電壓值，電流采集同時監(jiān)測多個電池，溫度采集要同時測量環(huán)境溫度和電池的自身溫度。

作為監(jiān)測系統(tǒng)，報警模塊必不可少，因此需要加入報警判斷模塊。根據(jù)上述的理論公式，結(jié)合電池的標(biāo)牌，計算正常工作時參數(shù)的動態(tài)范圍。監(jiān)測參數(shù)超過警戒閾值后會自動報警，從而保障設(shè)備和蓄電池的安全。

4 結(jié) 論

蓄電池應(yīng)用非常廣泛。作為備用電源時，它需要保持良好的運行狀態(tài)，監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)。通過遠程在線監(jiān)測溫度、電壓、電流以及阻抗等參數(shù)，能有效減少人工操作的工作強度，降低資源浪費和人工測量誤差，保障電力系統(tǒng)等負載設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。