淺談VRLA電池的智能化管理技術與意義

趙 康

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

鉛酸蓄電池作為數據中心基礎設施的一部分，其使命是作為后備能源為通信設備保駕護航，旨在保障設備在線不間斷工作。蓄電池實時保持良好的健康狀態是其履行使命的基礎，如何實現實時監控、自動化管理，提前發現失效電池，提升后備保障能力，這必然離不開蓄電池的在線監測。

1 VRLA電池的工作機制

鉛酸蓄電池的發明已有超過150年的歷史，隨著認識的不斷深入以及新材料的應用，具備免加水維護的閥控式密封鉛酸蓄電池作為新一代的產品，已廣泛應用于包括信息通信在內的各個領域，。

VRLA電池主要由正負極板單元、隔板單元、電解液單元、匯流排單元、正負極柱單元、安全閥單元和電池槽、電池蓋單元等構成。其工作機制主要是借助于正負極板單元上的活性物質PbO2、Pb與H2SO4在充電、放電的過程中進行雙向“往返”的可逆化學反應，總過程如下：

充放電過程的工作原理示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 充電過程工作原理示意圖

圖2 放電過程工作原理示意圖

圖2 工控設備資產監測統計

由于VRLA電池發展為緊湊貧液式架構，副反應產生的O2到達負極與Pb進行相互作用產生PbO2，其與H2SO4電解液作用產生兩種產物，一種是H2O，另外一種是PbSO4。

綜上所述，正極板單元失去的水可以從負極板單元獲得，以實現VRLA電池免去加水環節的運管目標。

2 VRLA電池服役期的影響因素

影響VRLA電池服役期的因素較多，根據不同的影響因素所在的部位，正極單元退化、負極單元出現不可逆硫酸鹽化、熱量平衡狀態失控、匯流排單元遭到腐蝕、電池漏液甚至電解液干涸等均會導致VRLA電池失效，使得其服役期提前結束。

正極板柵腐蝕：正極板上的電動勢達到1.69 V以上時，正極板柵上的金屬鉛存在熱力學不穩定特點，在放完電后進入充電期階段，容易與電解液中的氧原子相互作用，產生一定程度的腐蝕反應，通常會逐漸引起腐蝕層增大，晶界腐蝕加劇，同時會引起電池容量下降，充電電壓快速升高，電池內阻增大。

正極活性物質軟化脫落：在多次充放電的過程中，會逐步形成無定形態結晶度較高、結合力較弱的β-PbO2晶體，正極板單元在充電階段所生成的PbO2顆粒之間會存在斥力，影響顆粒間的聚合，嚴重情況下會使得正極板單元上的活性物質脫落，導致電池可利用容量大大降低直至失效。

負極硫酸鹽化：在長時間開路、深度放電、小倍率放電、欠充電狀態、長期小電流充電的情況下，負極板通過逐步積累產生難溶解、低化學活性、顆粒度較大的、在充電時無法完全進行可逆反應的PbSO4，從而會引起VRLA電池內阻增加，電池可利用容量下降。

熱失控：VRLA電池進入恒壓充電階段后，在電池負極板單元因存在“氧復合”反應而產生大量的熱，這些熱量在密封的緊裝配式結構內難以向外界擴散而慢慢積累，VRLA電池內部便出現較快的溫度升高；另一方面，由于VRLA電池內部出現非理想預期的升溫，會進一步促進電解液失水，最終會形成一個惡性循環鏈，造成電池熱平衡狀態的失控。出現熱失控會導致浮充電流增加，溫度升高，電池外殼鼓脹，酸密度增大，內阻下降。

匯流排腐蝕：由于焊接不均勻，導致極耳與匯流排之間存在虛焊以及負極匯流排所處的PH值環境和負極氧復合反應的情況，導致負極匯流排出現腐蝕，該失效模式通常會引起開路電壓偏低，內阻偏高。

電池漏液：密封膠與極柱粘接失效，電池槽與電池蓋之間熱熔粘接面失效，以及安全閥在排氣泄壓的過程中等，均會引起VRLA電池內部電解液減少。而在浮充電壓偏大、充電電流過大的條件下，正負極板存在析氧、析氫的過程，同樣會導致電解液水分的缺失，嚴重情況下出現電解液干涸，導致蓄電池開路電壓偏高，酸密度變大，隔膜內含酸量偏低，同時會引起內阻增大，容量變小。

通過以上分析，除了很少一部分失效模式可通過外觀來診斷外，其它大多可以將電池的內阻、容量等信息作為診斷蓄電池健康狀態的重要指標，因此重點監測上述指標有助于實現VRLA電池健康狀態的自動化管理。

3 VRLA電池的智能化管理技術

在以往的鉛酸蓄電池運維過程中，執勤人員經常借助于傳統而簡單的測試儀器，通過測量端電壓來診斷蓄電池狀態的健康與否。但是VRLA電池作為后備儲能裝置，大多處于浮充狀態下，所以無論蓄電池是否失效，測量出來的兩端電壓基本一致，因此電壓不足以作為診斷蓄電池性能好壞的依據。

實際上電池真實放電能力的主要評判標準是其實際放電容量，而傳統的離線容量測試雖可以準確測量電池容量，但存在以下不足：（1）蓄電池離線測試過程中，原重要設備缺少了后備電源供電的在線保障；（2）需要額外投入負載，一是占用空間，二是增加成本；（3）在測試放電容量的過程中浪費電池自身所存儲的能量，同時還需要提供電能來為其充電；（4）測試周期較長，放電過程需要8h～10h，充電過程需要10h左右；（5）需要測試人員攜帶測量儀器，記錄相關數據并進行數據分析，工作量大，效率低。

傳統的離線核容測試過程存在諸多不足，不利于蓄電池健康狀態的智能化管理，蓄電池的在線核容技術便得到推廣，目前主要有快速容量測試法、內阻測量法等。

鑒于目前技術的限制，快速容量測試手段無法保證精確在線測量，因此不能作為診斷蓄電池性能好壞的有效技術。導致VRLA電池服役期提前結束的因素大多都與電池的內阻息息相關，這已通過大量的實驗得到驗證，蓄電池在正常使用過程中隨著服役期的推移，其內阻也會變大。

VRLA電池內阻作為重要的參數，與使用壽命存在著相互的關聯已被公認，內阻在線監測技術作為診斷蓄電池性能較為全面的監測技術得到廣泛應用，而內阻在線監測實現智能化管理的方式主要有直流放電和交流注入法。

直流放電法就是通常所說的采用瞬間大電流進行放電來測試自身內阻，該方法的最大弊端是在大電流放電的情況下會縮減蓄電池的生命期，此外測量結果會受到較多因素的影響，目前無法廣泛進行應用推廣。

交流注入法是通過外部激勵源對VRLA電池兩端施加交流的激勵信號，同時測量兩端的反饋信號，最后得出自身內阻的過程。由于是外部激勵源施加信號，可以避免蓄電池自身大電流放電，極大地降低對電池生命期的影響，所以交流注入法目前被廣泛認可和應用。另外，由于蓄電池自身內阻能夠達到毫歐甚至微歐級，為避免外部測量線路阻抗對測量數據的影響而采用四端子接線，如圖3所示，即電池的正、負極分別有兩根線與監測模塊連接，一根對電池進行注入交流電信號，另一根采集反饋信號，實現了僅從激勵和采集線匯聚點處計算內阻，完全消除了線纜自身電阻對測量結果的影響，實現了真正意義上的在線監測，達到了VRLA電池的智能化管理目標。

圖3 VRLA電池內阻防干擾在線測試圖

4 VRLA電池實現智能化管理的意義

傳統蓄電池維護需要檢測人員攜帶儀器到現場進行蓄電池性能試驗，記錄數據，并做數據分析。蓄電池在線監測技術得到廣泛應用后，減少了大量測試工作，使得蓄電池管理由人工日常測試和維護提高到全自動智能化運維，實現了減少運維人員工作量的目標，提高了運維效率。使用蓄電池在線監測管理技術，可以實時調取和掌握蓄電池的健康狀態參數，實現了對VRLA電池的全生命周期管理的目標，對發現的欠佳狀態的蓄電池可及時采取措施進行調整，使得蓄電池一直保持在最佳運行狀態，延長其服役期。另外，傳統蓄電池維護，需要進行人工現場測試，在檢測過程中會有因誤操作而導致短路的風險，影響系統的安全運行，應用蓄電池在線監測管理技術可以避免因運維人員誤操作所帶來的安全隱患，進一步提高VRLA蓄電池作為后備儲能電源的高可靠保障能力。

5 結束語

本文介紹了VRLA電池的工作機制，分析了VRLA電池服役期的影響因素，并進一步闡述了蓄電池的智能化管理技術，以及應用的價值和意義。隨著VRLA電池日新月異的技術革新，蓄電池的管理將會向更精確化、人性化、智能化的方向發展。在運用精度更高的信號處理技術和多種智能算法，保障與提高檢測精度，實現智能化管理等方面，仍需要進行更廣泛和深入的分析和研究。