內阻不平衡對鉛酸蓄電池組溫度場影響研究

駱志堅，林華城，張大興，盧山峰，張翠麗

(1.廣東電網有限責任公司河源供電局，廣東河源 517000；2.廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東惠州 516000)

閥控式鉛酸蓄電池因其容量大、維護量小的優勢在變電站直流系統、配電通信網絡如臺區識別等領域得到了廣泛應用[1-3]。鉛酸蓄電池組是極為可靠的直流電源，通常作為常規電源失效的后備電源。若蓄電池組出現開路等故障狀態，極易發生保護拒動等威脅系統運行安全的故障，因此需要特別關注蓄電池組的運維管理。

閥控式鉛酸蓄電池的內阻由極化電阻及歐姆電阻組成，歐姆電阻主要構成是蓄電池中的極板、極柱及電解液等部分的電阻，而極化電阻是電池中所存在的濃度差異及發生的化學反應所產生的電阻。內阻大小是判斷鉛酸蓄電池老化的重要指標，蓄電池老化往往會伴隨著其內阻的上升。而溫度是影響閥控式鉛酸蓄電池性能的重要參數，閥控式鉛酸蓄電池會在充放電過程中產生較多熱量，直接導致溫度上升，進而加速電池內部水分解，產生大量氣體[4]。依據目前的研究可知，鉛酸蓄電池在基準溫度(25 ℃)的基礎上升10 ℃，其壽命會縮短為原本的一半，因此需要特別關注蓄電池組的溫度分布及其影響因素。

目前，國內外針對閥控式鉛酸蓄電池內阻均已開展了大量研究。文獻[5]構建了閥控式鉛酸蓄電池內阻預測模型，實現了基于內阻預測值及變化率判斷蓄電池組故障情況。文獻[6]研究了蓄電池內阻的測試方法并進行了對比。文獻[7]探討了蓄電池內阻實現在線監測的原理及方法。通過以上研究，進一步加深了對蓄電池內阻的了解，但仍較少著力于探索蓄電池內阻大小對其溫度分布的影響，因此本文將針對這一問題展開研究。本文測量了閥控式鉛酸蓄電池組的內阻，結合測量數據，在COMSOL Multiphysics 軟件搭建了閥控式鉛酸蓄電池組的三維仿真模型，分析了內阻對蓄電池溫度分布的影響。同時，基于紅外成像儀，采集了蓄電池組實際的溫度分布，并與仿真結果進行了對比分析。

1 閥控式鉛酸蓄電池內阻測量

為了收集蓄電池的內阻數據，本文搭建了蓄電池組測試平臺，該電池組由6×4 共24 個單體電池構成，并連接于外部的電池充放電控制裝置，該電池組的容量為300 Ah，為了更好地分析經長時間運行后的電池內阻分布情況，其服役時長已超過5 年。首先對蓄電池進行了均衡充電，以消除其電壓不均衡現象。采用日置3550 型號的蓄電池內阻測量儀對整組蓄電池組進行內阻測量，其結果如圖1 所示。

圖1 閥控式鉛酸蓄電池組內阻測量數據

由圖1 可知，閥控式鉛酸蓄電池組內阻整體較為均勻，主要分布在0.35 mΩ 左右，但第12、13、16 和20 號電池內阻卻與整體分布出現較大的差異，特別是第16 號電池，其內阻達到了1.08 mΩ，是大部分單體蓄電池內阻的3 倍。在對蓄電池組進行內阻測試前，已通過0.1I10的電流對整組蓄電池組進行充電，以恢復蓄電池中的活性物質，排除了電池自放電的影響。對于蓄電池組而言，其內阻會受到內部構成、裝配工藝、添加劑等多種因素的影響。經長時間運行后的蓄電池組，內部的匯流排和正負極板會因硫酸腐蝕而內阻增加，同時可能會出現失水情況，導致內阻進一步增加。對于各個單體電池而言，內阻的各項影響因素作用的程度不盡相同，個別電池中的缺陷因運行時間而暴露，導致出現內阻較大的現象。

2 閥控式鉛酸蓄電池組仿真模型

根據鉛酸蓄電池的構成及特點，在COSMOL Mutliphysics中建立了單體蓄電池模型，如圖2 所示。該模型包括了極柱、匯流排、正負極板、外殼和隔板六個部分。其中有8個正極板，9個負極板，極板模型大小為100 mm×2.5 mm×250 mm。其xyz方向如圖2標識。

圖2 單體閥控式鉛酸蓄電池模型

閥控式鉛酸蓄電池組正極板的活性物質為二氧化鉛，負極板的活性物質為絨狀鉛，電解液為硫酸溶液，隔板為玻璃纖維棉，電池外殼及蓋采用ABS 合成樹脂。按照對應材料的特性參數對模型進行了設置。

正極板上的活性物質會與硫酸溶液發生氧化還原反應，將電池的化學能轉換為電能。其正極板處所發生的反應如式(1)所示。該反應會消耗溶液中的水，導致硫酸濃度升高，最終引起正極板腐蝕，所以電池正極板的腐蝕程度往往會高于負極板。極板腐蝕會使蓄電池的金屬通道減少，導致金屬電阻增大，最終導致蓄電池內阻增大[8]。因此，對于閥控式鉛酸蓄電池的內阻變化是通過調整正極板的電導率實現的。

依據前文所提到的試驗平臺，搭建了與其相同的三維蓄電池組仿真模型，其編號和模型如圖3 所示。

圖3 蓄電池組三維仿真模型

3 內阻對蓄電池組溫度分布的影響

環境溫度直接影響著鉛酸電池的工況及使用壽命，因此在蓄電池組運行時會通過溫控措施將溫度控制在25 ℃左右。但出現常規電源失電時，蓄電池組將作為唯一的直流電源供電，放電過程會產生大量的熱，溫控措施失效導致蓄電池無法散熱。在這一運行工況下，內阻將顯著影響蓄電池溫度，因此本文所進行的內阻對蓄電池組溫度分布的影響研究是在這一前提下展開。

3.1 熱老化導致蓄電池組內阻不平衡

蓄電池組在正常運行工況中溫度并不統一，在無溫控措施情況下會因溫度差異而出現蓄電池組內阻不平衡的情況。

整組鉛酸蓄電池的內阻都設置為0.35 mΩ，研究了此時的溫度分布情況，如圖4 所示。

圖4 均勻內阻的閥控式鉛酸蓄電池組溫度分布

當設定內阻均勻時，蓄電池組呈現上部中間溫度高、兩邊低的特質，最高處溫度為27.9 ℃。下層分布趨勢亦相同，但整體溫度偏低一些，這與電池和周邊環境熱交換影響因素相關。

依據上文的溫度分布可知，上層中部的四個蓄電池的溫度上升最為明顯。對于鉛酸電池，溫度的上升會加速內部水的分解，產生更多氣體。當電池內部的氣壓超過開閥壓力，氣體就會從排氣閥中逸出，造成電解液減少，最終導致蓄電池組內阻增大。基于上述分析，研究了蓄電池組因熱老化而導致內阻增加的情況，根據圖4 中的仿真結果，對不同溫升的電池單體設置不同的內阻，具體設置如表1 所示。

表1 熱老化蓄電池組內阻設置表 mΩ

仿真分析的熱老化蓄電池組溫度分布如圖5 所示。對比圖5 與圖4 可知，當蓄電池組因熱老化而出現內阻差異時，其溫度分布會出現整體上升的趨勢，最高溫度上升至30.4 ℃。其中，內阻最大的電池溫度上升也最為顯著。這也符合實際運行的情況，當蓄電池的內阻增大，在流經大電流時，會相應產生更多熱量，導致內部溫度上升而反應加劇，電池容易出現熱失控或失水問題，反過來使電池內阻增大繼而劣化。

圖5 熱老化的鉛酸蓄電池組溫度分布

3.2 工藝問題導致蓄電池組內阻不平衡

結合目前蓄電池組運維工作分析，相較于熱老化，廠家生產工藝問題是更為常見的引起內阻差異的原因，其內阻分布如圖1 所示。因工藝問題而導致的蓄電池組內阻不平衡存在以下特點：(1)內阻偏大的蓄電池單體分布位置隨機性較大；(2)工藝問題會導致內阻大幅增加，最大值甚至可高達3 mΩ。

為研究因生產工藝導致蓄電池組內阻不平衡對溫度的影響，本文依據圖1 所列內阻數據對蓄電池組仿真模型進行了設置，其仿真溫度分布結果如圖6 所示。

圖6 工藝問題的鉛酸蓄電池組溫度分布

由圖6 可知，內阻偏高的12 號、13 號、16 號和20 號蓄電池溫度明顯升高，電池會因內阻差異而出現顯著的溫度差異，與圖5 進行對比，可以看出因熱老化所引起的內阻增大因為位置集中會提高整組電池的溫度。蓄電池組的最高溫度上升至32.5 ℃，位于內阻最高的16 號電池處。而12 號與13號電池上升的幅度較小，這是因為其位置處于邊緣，可以和外界空氣進行充分的熱交換，散熱效果較好。而16 號電池和20 號電池四周電池分布較為密集，散熱效果較差，因此溫度有明顯的上升。

4 蓄電池組溫度分布的試驗研究

為了驗證仿真結果的準確性，本文結合搭建的試驗平臺，利用FLIR 紅外成像儀測量了閥控式鉛酸蓄電池組的溫度分布情況，如圖7 所示。

圖7 閥控式鉛酸蓄電池溫度測量試驗系統

將蓄電池組連接至高特蓄電池組負載測試儀，并設置放電負載為20 A。圖8 為圖1 中7～9 號蓄電池的紅外溫度圖，其內阻都為0.35 mΩ 左右，內阻正常的蓄電池組最高溫度為25.4 ℃。

圖8 7～9號蓄電池紅外溫度

調整紅外成像儀位置，10～12 號蓄電池的紅外溫度圖如圖9 所示。其中，10 號和11 號蓄電池內阻為0.35 mΩ 左右，而12 號蓄電池內阻達到0.653 mΩ。由圖9 可知，內阻異常的12號電池溫度明顯高于周圍電池，其最高溫度達到29.6 ℃，并且其高溫輻射導致11 號蓄電池表面溫度也有所上升。

圖9 10～12號蓄電池紅外溫度

從試驗結果來看，紅外圖像與仿真結果的溫度雖存在一定的差距，這是因為試驗過程中放電時間較短，未能達到仿真結果中的穩態，且實際與仿真設置有一定的差異。但是試驗與仿真結果都呈現出因內阻而產生溫度上升的變化趨勢，因此試驗佐證了本文的仿真結果。

5 結論

本文搭建蓄電池組的仿真模型，分析了內阻不平衡對蓄電池組溫度分布的影響，同時采用試驗手段測量了蓄電池組的內阻及溫度分布。正常蓄電池組呈現上部中間溫度高、兩邊低的特質，因此熱老化將導致電池組內阻不平衡現象加劇，進而使電池溫度上升；因工藝問題而導致內阻不平衡，呈現出隨機分布的特點，導致蓄電池組局部溫度迅速上升，嚴重威脅蓄電池組的正常運行；基于紅外成像儀得到的蓄電池組溫度分布，與仿真結果的變化趨勢一致。內阻偏高的電池存在明顯的溫升，其中內阻為0.653 mΩ 的12 號電池溫度達到29.6 ℃；基于研究結果，建議在蓄電池運維工作中應該加強對內阻的監測，對于內阻偏大的電池應及時更換，保持整組蓄電池組的內阻較為均衡。