鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中的健康監(jiān)測及梯次利用

段緒偉 劉小慶 麥爾丹·吾拉木 姜威威 孫寧

［摘 要］鉛酸蓄電池自1859年被法國化學家發(fā)明以來，以其造價低廉、安全性高、運行穩(wěn)定和使用壽命長等特點，被廣泛應用于通信、運輸、金融、電力和建筑等行業(yè)。鉛酸蓄電池的服役狀態(tài)和實際輸出容量監(jiān)測對電力設施的安全運行具有重要意義。為確保電力系統(tǒng)后備電源供電的可靠性，必須對鉛酸蓄電池的狀況進行實時監(jiān)測和管理。鉛酸蓄電池的電壓、內(nèi)阻和溫度等參數(shù)與蓄電池的性能直接相關，因此監(jiān)測這些參數(shù)可以預測蓄電池的健康狀況。

［關鍵詞］鉛酸蓄電池；健康監(jiān)測；梯次利用

［中圖分類號］TM7文獻標志碼：A

鉛酸蓄電池作為一種重要的儲能設備，在電網(wǎng)中扮演著至關重要的角色。然而，由于長期使用和不可避免的老化，鉛酸蓄電池存在著容量衰減、內(nèi)阻增加等問題，嚴重影響其性能和壽命［1］。因此，對鉛酸蓄電池進行健康監(jiān)測和梯次利用顯得尤為重要。鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中的健康監(jiān)測及梯次利用對于提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟性具有重要意義。通過健康監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決蓄電池問題，延長其使用壽命；而通過梯次利用，可以實現(xiàn)蓄電池資源的最優(yōu)配置，提高能源利用效率。因此，在電網(wǎng)建設和運營中，應高度重視鉛酸蓄電池的健康監(jiān)測及梯次利用，以推動電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展和智能化升級。

1 鉛酸蓄電池原理及特性

鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電解液正負極接線柱、安全閥和外殼構成，其中并聯(lián)焊接的正（負）極板是活性物質(zhì)的載體。PbO2是正極的活性物質(zhì)，海綿纖維狀Pb是負極的活性物質(zhì)，該結構可減緩鉛酸蓄電池的自放電，長時間維持蓄電池容量。隔板一般由超細玻璃棉組成，不僅可防止正負極板短路，而且是電解液水和硫酸的載體，同時也是電池充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣進入負極的通道。鉛酸蓄電池的電解液為稀H2SO4，由于蓄電池采用貧液式設計，電解液被吸附在極板和超細玻璃棉內(nèi)。閥控式鉛酸蓄電池的正負極板在H2SO4溶液中由于發(fā)生不同的電極反應而產(chǎn)生不同的電極電位。鉛酸蓄電池在放電時，兩極板都會不斷反應生成PbSO4。由于PbSO4導電性較差，在放電過程中，鉛酸蓄電池的內(nèi)阻會不斷增大。此外，隨著放電不斷進行，硫酸逐漸被消耗，導致電解液中硫酸濃度逐漸減小。在蓄電池貯存期間，還可能存在副反應，負極析出H2，正極析出O2。鉛酸蓄電池充電時發(fā)生的反應是其放電時的逆反應，同時充電期間水的分解會造成電解液失水，導致其容量下降。近年來，鉛酸蓄電池在材料和結構上均有改進，如以鉛鈣錫鋁四元合金作為負極板以提高析氫過電位，進而抑制H2析出。利用負極氧吸收技術，充電后期正極析出的O2通過隔板中預留的氣體通道達到負極表面而被還原為水。研究表明，充電達70 %時正極開始析出O2，而充電達90%負極才產(chǎn)生H2。因此，鉛酸蓄電池負極的活性物質(zhì)一般過量，以確保使用過程中不會產(chǎn)生多余H2，也不會有水的損失，從而提高其循環(huán)壽命，但實際使用過程中不可能保證H2與O2的析出量達到平衡。因此，為了避免鉛酸蓄電池內(nèi)部不會因氣體累積而造成壓力逐漸增大，閥控式鉛酸蓄電池蓋上會安裝單向安全閥。

2 鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中的健康監(jiān)測方法

2.1 容量測試

容量是衡量蓄電池性能的重要指標之一。通過定期進行容量測試，可以了解蓄電池的實際容量是否與設計容量相符。容量測試可以采用放電法或充放電法進行，根據(jù)測試結果來判斷蓄電池的健康狀況［2］。

2.2 內(nèi)阻測試

內(nèi)阻是蓄電池的另一個重要參數(shù)，它反映了蓄電池的電化學反應速度和能量轉化效率。通過測量蓄電池的內(nèi)阻，可以判斷其內(nèi)部的化學反應是否正常，內(nèi)阻是否增加。內(nèi)阻測試可以采用交流內(nèi)阻儀或直流內(nèi)阻儀進行。

2.3 溫度監(jiān)測

溫度是影響蓄電池性能和壽命的重要因素之一。高溫會導致蓄電池的容量衰減加快，內(nèi)阻增加，降低蓄電池的壽命。因此，在電網(wǎng)中，需要對蓄電池的溫度進行實時監(jiān)測，以確保其工作在適宜的溫度范圍內(nèi)。

2.4 電壓監(jiān)測

電壓是判斷蓄電池狀態(tài)的重要參考指標。通過定期監(jiān)測蓄電池的電壓，可以了解其充電和放電狀態(tài)，以及是否存在異常。例如，電壓過低可能表示蓄電池容量不足或壽命接近盡頭，而電壓過高可能表示充電過度或內(nèi)部故障［3］。

2.5 周期測試

周期測試是一種模擬實際使用環(huán)境的測試方法，通過多次充放電循環(huán)來模擬蓄電池的實際使用情況。周期測試可以評估蓄電池的性能衰減程度和壽命預測，判斷其是否需要更換或維修。

2.6 智能監(jiān)控系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，智能監(jiān)控系統(tǒng)在鉛酸蓄電池健康監(jiān)測中得到了廣泛應用。智能監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等技術，能夠實現(xiàn)對蓄電池的實時監(jiān)測、故障診斷和預警功能。這種方法可以提高監(jiān)測的準確性和效率，及時發(fā)現(xiàn)和處理蓄電池的問題［4］。

3 鉛酸蓄電池典型故障及原因

極板硫酸鹽化閥控式鉛酸蓄電池須避免過度放電，尤其是深度放電。若鉛酸蓄電池長期充電不足或處于半放電狀態(tài)下長期儲存，將會使正負極板上生成堅硬而粗大的PbSO4結晶，PbSO4長期存在會導致電池放電容量降低。隨著PbSO4的積累，極板的孔隙率逐漸減小，進而引起蓄電池內(nèi)阻提高，電極反應速率下降，蓄電池的使用壽命逐漸降低。為了有效阻止極板硫酸鹽化，延長蓄電池壽命，須使蓄電池處于充足電狀態(tài)下，同時嚴禁過度放電情況的發(fā)生。

負極匯流排腐蝕是閥控式鉛酸蓄電池固有結構引起的一種失效模式。由于閥控鉛酸蓄電池的電解液只能浸潤極耳底部，難以到達極耳上部和匯流排，隔板以上的匯流排、極柱連接部位均處于氧氣氛圍中，易發(fā)生腐蝕。當腐蝕嚴重時，匯流排會發(fā)生粉化導致其機械強度下降，在應力作用下發(fā)生斷裂，引起電池斷路失效。

熱失控蓄電池相對密閉的結構導致其在充電過程中產(chǎn)生的熱量無法及時散發(fā)，進而逐步損壞電池。熱失控將導致鉛酸蓄電池鼓包、漏氣和容量下降，甚至發(fā)生爆炸，造成嚴重后果。充電電壓過高是導致蓄電池熱失控的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，在25℃時，鉛酸蓄電池單格在2.35 V電壓下浮充4個月將引發(fā)電池的熱失控。控制浮充電壓是避免鉛酸蓄電池出現(xiàn)熱失控最有效的手段之一。

在失水與正極板腐蝕鉛酸蓄電池充電過程中，正極會發(fā)生水的分解。在正常狀況下，由于鉛酸蓄電池的負極氧吸收技術，蓄電池內(nèi)部并不會損失水。然而，蓄電池過充電會加速水的分解反應，正極析出大量O2，負極析出大量H2。不斷產(chǎn)生的氣體導致鉛酸蓄電池內(nèi)部壓力增大，需要通過排氣閥向外排氣，這將導致電解液中水分減少，造成電解液中硫酸濃度提高，進而促進正極板的腐蝕。相關資料表明，當水損失達到3.5mL/Ah時，鉛酸蓄電池容量降至75 %以下；當水損失達到25 %時，蓄電池將會完全失效［5］。需要指出的是，一些因失水而引起容量下降的蓄電池，經(jīng)加水后可使蓄電池容量恢復到接近正常值。

4 鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中的梯次利用

4.1 備用電源

鉛酸蓄電池可以作為電網(wǎng)的備用電源，用于應對突發(fā)停電或電網(wǎng)故障等情況。當電網(wǎng)供電中斷時，蓄電池可以迅速啟動，為關鍵設備或重要負載提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應，確保生產(chǎn)運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

4.2 負荷調(diào)節(jié)

鉛酸蓄電池可以用于電網(wǎng)的負荷調(diào)節(jié)，即在電網(wǎng)負荷需求波動較大時，通過充放電控制蓄電池的輸出功率，平衡電網(wǎng)供需關系。在高負荷時段，蓄電池可以釋放儲存的電能，為電網(wǎng)提供額外的負荷支撐；而在低負荷時段，蓄電池可以充電儲存電能，以備后續(xù)使用。

4.3 峰值削減

鉛酸蓄電池可以用于電網(wǎng)的峰值削減，即在電網(wǎng)負荷達到峰值時，通過蓄電池的放電來提供額外的電力支持，減輕電網(wǎng)的負荷壓力。這種方式可以有效平衡電網(wǎng)的負荷曲線，降低電網(wǎng)運行的風險和成本。

4.4 頻率調(diào)節(jié)

鉛酸蓄電池可以用于電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，即在電網(wǎng)頻率波動較大時，通過蓄電池的充放電調(diào)節(jié)電網(wǎng)的頻率，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。當電網(wǎng)頻率偏高時，蓄電池可以吸收多余的電力進行充電；而當電網(wǎng)頻率偏低時，蓄電池可以釋放儲存的電能，提供額外的電力支持。

4.5 儲能系統(tǒng)輔助服務

鉛酸蓄電池可以作為儲能系統(tǒng)的一部分，提供輔助服務。例如，在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池可以儲存多余的電能，以備不足時使用；在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，蓄電池可以提供穩(wěn)定的電力輸出，平衡電網(wǎng)的供需關系。

5 鉛酸蓄電池注意事項

5.1 充電和放電控制

在充電和放電過程中，需要嚴格控制電流和電壓，以避免過充和過放。過充會導致蓄電池內(nèi)部的化學反應失控，產(chǎn)生氣體和熱量，增加蓄電池的壓力和溫度，甚至引發(fā)火災或爆炸。過放則會導致蓄電池容量衰減和壽命縮短。因此，應使用合適的充放電設備和控制系統(tǒng)，確保充放電過程的安全和穩(wěn)定［6］。

5.2 溫度控制

鉛酸蓄電池的工作溫度范圍通常為-20℃至50℃。在使用過程中，應盡量避免過高或過低的溫度環(huán)境。高溫會加速蓄電池的容量衰減和內(nèi)阻增加，降低蓄電池的壽命。低溫會影響蓄電池的充放電效率和容量。因此，在安裝和使用蓄電池時，應選擇合適的環(huán)境和控制溫度［7］。

5.3 維護和保養(yǎng)

定期維護和保養(yǎng)是保持鉛酸蓄電池正常運行的關鍵。需要定期檢查蓄電池的外觀、連接線路和絕緣狀況，確保其沒有損壞和腐蝕。同時，還需要定期清潔蓄電池表面和端子，清除可能的污物和氧化物，以確保良好的接觸和導電性能。此外，還需要定期檢測蓄電池的容量、內(nèi)阻、溫度等參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

5.4 安全操作

在操作鉛酸蓄電池時，需要遵循安全操作規(guī)程，確保人員和設備的安全。例如，要正確連接和安裝蓄電池，確保正負極接線正確，避免短路和反極性連接。同時，要避免對蓄電池施加過大的壓力和振動，以防止蓄電池的損壞和泄漏。在處理廢舊蓄電池時，要遵循環(huán)保和安全的處理方法，防止對環(huán)境和人體造成污染和傷害。

5.5 廢舊蓄電池處理

廢舊鉛酸蓄電池屬于有毒廢物，對環(huán)境和人體有嚴重的危害。因此，在廢舊蓄電池的處理過程中，需要遵循相關的環(huán)保法規(guī)和規(guī)范，采取合適的處理方法。一般而言，廢舊蓄電池應交由專業(yè)的回收機構進行處理和回收利用，以減少對環(huán)境的污染和資源的浪費。

6 結語

為確保鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中安全可靠地作為后備電源運行，必須對其健康狀況進行有效實時監(jiān)測。因為對鉛酸蓄電池電壓的監(jiān)控較為簡便，所以利用鉛酸蓄電池電壓對其健康狀況的評估在電網(wǎng)企業(yè)應用較廣。利用內(nèi)阻評估的交流注入法由于無須處于靜態(tài)或脫機狀態(tài)下就可檢測，不影響鉛酸蓄電池壽命，也是一種值得關注的評估手段?；诙鄥?shù)的監(jiān)測管理以評估鉛酸蓄電池健康狀況則是未來的主要發(fā)展方向。此外，為保障電網(wǎng)的用電安全，鉛酸蓄電池在使用一段時間后需要強制退役，然而相當部分電網(wǎng)退役下來的蓄電池狀態(tài)較好，可用于某些要求并不十分嚴格的場景，實現(xiàn)鉛酸蓄電池的梯次利用。然而，現(xiàn)階段我國電網(wǎng)用鉛酸蓄電池的梯次利用缺少相關規(guī)章制度，電網(wǎng)企業(yè)對潛在的梯次利用下游用戶需求了解不透徹，而下游用戶由于對電網(wǎng)退役鉛酸蓄電池性能了解不充分導致信任度不高，導致電網(wǎng)用鉛酸蓄電池梯次利用程度較低。因此，有必要進一步健全規(guī)章制度、統(tǒng)籌發(fā)展，從源頭上為促進鉛酸蓄電池的梯次利用提供制度保障。

參考文獻

［1］王鵬程，朱長青. 鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］. 電源技術，2020，44（4）：636-639.

［2］張菲菲，王俊霞，楊勇，等. 閥控鉛酸蓄電池的性能檢測和監(jiān)控方案［J］. 電力與能源，2020，41（1）：80-83.

［3］王淑秀，司志澤. 鉛酸蓄電池充放電在線監(jiān)控技術研究［J］. 輕工標準與質(zhì)量，2019（6）：72-73.

［4］張端陽，郭樹滿. 鉛酸蓄電池在線檢測儀的設計［J］. 儀表技術與傳感器，2019（6）：29-32.

［5］袁鈺. 鉛酸蓄電池精準維護探索與實踐［J］. 江西通信科技，2019（2）：31-35，37.

［6］毛猛. 閥控鉛酸蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計［D］. 鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2019.

［7］劉重陽. 鉛酸蓄電池在線監(jiān)測與維護系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)［D］. 北京：華北電力大學（北京），2019.