風力發電機變槳蓄電池電極鹽化對電池壽命的影響

李文鴻

（揭陽前詹風電有限公司，廣東 揭陽 522000）

1 鉛酸蓄電池使用現狀

隨著電池技術的不斷發展，鉛酸蓄電池已成為新能源行業的重要組成部分之一，是世界經濟發展的一個熱點話題，與日常生活中的電力、交通以及信息等產業的發展嚴密相關，是社會發展和人類生活不可缺失的物品。

目前，風力發電行業內對鉛酸蓄電池更換尚無參考標準，設備對電池狀況的檢測僅限于電池極板端部電壓，不能準確判斷電池壽命狀況。在冬季，風力機組電池報測試故障的頻率非常高，有些風力機甚至每天會報1～2次故障，而每次報測試故障都會停機充電1 h，造成發電量損失，且檢修人員需頻繁登機，電池的更換量也較大。但是，電池的更換大多依據檢修人員的經驗，沒有固定的標準，不能準確判斷問題的根本原因，造成問題長期存在。每年風電場更換大量鉛酸電池，不僅增加了生產運維成本，還降低了電池的使用效率。

2 鉛酸蓄電池故障原因分析

某品牌風力機有3個電池柜，統一由位于中控柜內的充電器（AC400/500）進行充電。充電器依次給1號、2號和3號電池柜定時充電，正常通電情況下每個電池柜循環充電。中控柜內3個接觸器12K1、13K1、14K1接收變槳系統主控制器的命令，分別控制3個電池柜充電回路的通斷。

原設計變槳充電器采用AC400/500，故障率高，且不合理的充電管理縮短了變槳蓄電池壽命，主要原因如下：

常溫下（20 ℃），電壓輸出13.59 V/節，低于電池額定充電電壓（13.72 V/ 節），且電流輸出不穩定，波動很大，影響電池壽命；

低溫下（-2.7 ℃以下），充電器輸出電壓為14.3 V，低于變槳電池額定充電電壓，導致變槳電池充電不足，析出硫酸鉛鹽化電池極板，縮短電池使用壽命；

充電電流2 A高于額定最高充電電流1.08 A，加速電池內部電子轉移速度，增加了電解質溶液水分損失，影響電池的使用壽命。

2.1 電極腐蝕

隨著鉛酸蓄電池的使用，正負極板均因水分與氧氣影響產生了不可逆的氧化鉛附著層。在實際運行過程中，根據風力機變槳電池充電控制程序，電池長期處于浮充狀態。在電池浮充時，正極失去電子產生氧氣、氫離子，負極得到電子產生水，降低了電解質溶液的酸度，加速了電極的腐蝕，導致電池內阻增大，大大縮短了變槳蓄電池的使用壽命。

2.2 極板鹽化

鉛酸蓄電池失效的主要原因在于電池極板硫酸鉛的堆積。當硫酸鉛分子具有的能量高于一個極限低值時，它們可從電池極板上溶解，重新返回液體狀態。在此狀態下，它們可以接受再充電。但是，實際上總是存在一部分硫酸鉛結晶不能夠返回電解質溶液，仍然附著在電池極板上，最后形成不可溶解的硫酸鉛晶體。硫酸鹽結晶體不參與電池反應，緊密結合堆積在極板上，占用了極板與電解質溶液接觸的面積，使極板失去了充放電能力，增大了電池內阻，縮短了電池使用壽命。

2.3 水分損失

蓄電池長期處于浮充狀態，負極極板產生的水加速了負極極板的腐蝕，同時正極極板在電解質溶液中同樣受水分影響不斷腐蝕。電極腐蝕過程中消耗了電解質溶液的溶劑，造成電解質溶液水分損失。浮充產生的氧氣通過氣體閥門逸出，使電池在充電時電極上附著一層氧化物，減少了電極與電解質溶液接觸的面積，減緩了電池充電反應速率，降低了電池放電速率，增大了電池自身電量消耗。相當于充電回路中串聯電阻增加，從而降低了充電電流，而變槳充電器為滿足電池充電需求將增大電池兩端的充電電壓，以達到消除內阻對蓄電池充電過程的影響。但是，蓄電池的充電電壓增大將影響蓄電池的循環充放電次數，減少電池的使用壽命。

蓄電池電解質溶液溶度對電池做功能力影響較大，電池對外電路的做功即為電池的實際容量。當電池實際容量不滿足電路電源供給需求時，風機系統將報電池類故障導致風機停機，造成停機電量損失。因此，電池電解質溶液水分變化將影響電池使用壽命，加速電池更換速度，相繼升高運維成本和故障停機損失。

3 蓄電池的內阻及測量原理

3.1 蓄電池內阻

蓄電池的內阻是指電流通過電池時所受到的阻力，一般由導體內阻、電化學極化內阻和濃度極化內阻3部分組成。歐姆極化內阻即導體內阻，一般指電池內部的電極、隔膜、電解液、連接條和極柱等全部電池內部導體零部件的電阻之和。電化學極化內阻主要是由電池電極附近電解液中參與反應或生成離子的濃度發生變化而引起。濃度極化內阻由反應離子進行電化學反應引起[1]。蓄電池對外電路表現出的內阻即為該3種不同原因產生電池的內阻之和。一般情況下，在蓄電池充放電周期內，電池內阻隨著電池的充電過程逐漸減小，隨著放電過程逐漸增大。

3.2 電池內阻的測量

目前，電池內阻檢測方法主要有直流內阻測量法和交流電阻測量法兩種。

直流內阻測量法是把負載接入電池的正負極，當電池流過電流I1時，記錄其電壓U1，然后調整電流至I2，記錄其電壓U2。通過電流-電壓變化可得到蓄電池內阻值，即：

交流電阻測量法是指若在電池正負極兩端加上U=Umaxsinωt的交流電壓，測量其所產生的交流電流i=Imaxsin(ωt+φ)，可得出與頻率有關的復阻抗，其相角為φ，即：

由于電池內阻的量綱較小，一般在微歐或毫歐級，目前交流內阻測試法受到測試設備和其他諸多因素的影響，無法實現實時在線測量。對比兩種電池內阻測量方法的測量精度，直流內阻測量法的測量誤差可以達到0.1%以內，而交流法的測量誤差較大，一般在1%～2%。相比之下，直流內阻測量法的測量精度更準確。

4 電池內阻對電池容量的影響

在一定的放電條件下，可以從電池中獲得的電量稱為電池容量，以符號C表示，單位是W·h或A·h，W·h表示電池做功的能力，A·h表示電池輸出的電量。鉛酸蓄電池的容量愈大，該電池能輸出的電量就愈大，做功能力也愈強。

統計大量隨風機運行的變槳蓄電池顯示，長期蓄電池處于浮充狀態內阻將不斷增大。根據串聯電路分壓原理分析[2]，當蓄電池內阻增大時，外電路電壓將減小，電池對外電路做功減少，即電池實際容量減小；反之，內阻減小時，電池實際容量將增大。

由P-t功率曲線分別建立變槳蓄電池上機前與上機運行一段時間后的P(t)函數模型，分別對蓄電池上機前后的功率P在t0（放電開始時間）至t1（放電結束時間）區間上積分[3]，可得電池對負載所做的功（即實際容量）如表1所示。

表1 蓄電池實際容量

通過測試數據可以看出，在相同的截止電壓條件下，隨著使用時間的延續，蓄電池的內阻逐漸增大，影響蓄電池對外電路做功能力，致使實際容量不斷衰減。蓄電池隨使用時間的推移，電極極板上將附著一層硫酸鉛結晶。無論電池處于放電還是充電狀態，該層硫酸鉛結晶用變槳充電器不能使其溶解在電解質溶液中，從而使電池容量減少，縮短電池的使用壽命。

5 鉛酸蓄電池更換參考標準

一般情況下，同條件電池的自身內阻越小，其對外電路的做功能力表現越強；內阻越大，蓄電池自身電量消耗增加，對外電路做功能力一定程度上減弱。由實驗數據分析表明，電池內阻、電池容量和電池壽命三者之間存在一定的相互影響和關聯。電池內阻是電池最重要的參數之一，是電池健康狀況評估的重要指標。

用電池內阻測試儀對某風力機軸三變槳電池上機前后進行測試，電池分別對同一負載放電，每隔5 min測量一次電池內阻與電壓，通過測試數據做出電池內阻與電壓曲線，從而可直觀看出電池在當前健康度下單體電池各個電壓對應的內阻阻值范圍。

根據多次反復實驗，可得出離線狀態下電池內阻r關于電壓U的曲線，如圖1所示。

圖1 鉛酸蓄電池離線狀態下內阻范圍

鉛酸蓄電池離線狀態時，單體電池開路電壓所對應的電池內阻阻值范圍為表1所列閾值；圖1中下限值曲線表示新電池滿容量狀態時，電池電壓所對應的內阻最小值；上限值曲線表示舊電池各電壓所對應的內阻最大值。若測得電池電壓大于該值時，鉛酸蓄電池內阻較大，表明其電極極板存在嚴重的鹽化。

結合風機實際運行情況，優化上述結論，綜合分析得出鉛酸蓄電池在運行狀態下的內阻范圍。風機運行狀態下鉛酸蓄電池在相應電壓下超過該曲線風力機將報電池類故障導致風機停機，影響風力機發電量，如圖2所示。

6 蓄電池除硫激活

圖2 鉛酸蓄電池運行狀態下內阻范圍

風力機變槳電池內阻增大的主要原因為電池長期處于浮充狀態，電池負極產生水，降低了電解液濃度，而正極反應產生H+，加速了正極極板的腐蝕，降低了電池的使用壽命。此外，負極在充電過程中生成PbSO4，當電池長期處于浮充狀態時，負極形成不可逆硫酸鉛結晶吸附在負極極板上，使電池容量減小，縮短電池的使用壽命。

采用高頻脈沖電池除硫方法，通過除硫模塊產生的全波段復合脈沖，在定向電流的作用下產生諧振波，分解擊碎緊附在電極板表面的硫酸鉛結晶體，在充電狀態下還原成活性物質的鉛離子和硫酸電解液，使蓄電池重獲能量，是目前國內外先進的無損電池除硫修復技術。

7 結 論

電池內阻對電池性能影響較大，隨變槳蓄電池在風力機上運行。電池長期處于浮充狀態，負極形成不可逆硫酸鉛結晶吸附在負極極板上，導致電池容量減小，縮短其使用壽命。通過實驗數據分析總結出蓄電池內阻與電壓存在的關系，制定電池正常狀態下電壓與內阻曲線圖，有利于運維人員處理電池類故障，提高人員的工作效率，降低停機時間。同時，采用該參考標準挑選具有再利用價值的鉛酸蓄電池，對可利用的廢舊電池激活除硫后進行再次利用，有效降低了生產運維的費用。

據統計，每年一個100 MW的風電場約更換變槳電池300塊。考慮到風機報電池類故障造成停機電量損失和人員成本，每年風電場電池運維成本約為14萬元。通過采用所提方法準確測試更換鉛酸蓄電池，對有利用價值的電池進行激活再利用，預計每年可節省電池運維費用5萬元。