桂長(zhǎng)清 柳瑞華
1 前言
閥控式密封鉛蓄電池（VRLA）已廣泛用于郵電通信電源系統(tǒng)之中，在這些長(zhǎng)期連續(xù)工作的系統(tǒng)中，電源一旦出了故障將會(huì)給通信系統(tǒng)造成無可挽回的損失。由于這種電池是密封的，不能像以往對(duì)待開口式含自由電解液的鉛蓄電池那樣，利用監(jiān)測(cè)電池電解液密度的辦法去判斷電池的容量或可能出現(xiàn)的故障，因而對(duì)VRLA電池組的可靠性似乎感到。心中無數(shù)，對(duì)新裝機(jī)使用的VRLA而言，人們希望知道在多長(zhǎng)的使用時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)故障；對(duì)使用過一段時(shí)間VRLA而言，也需要知道在一定時(shí)間內(nèi)電池組的失效概率。
閥控式密封鉛蓄電池跟其他產(chǎn)品一樣，其可靠性育于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用和維護(hù)的全過程之中。同時(shí)，閥控式密封鉛蓄電池又是漸變失效產(chǎn)品；電池組中的每只電池都是串聯(lián)使用的，即它們的使用條件基本上是相同的，因而就有可能在統(tǒng)計(jì)分析各單只電池失效分布的基礎(chǔ)上，對(duì)整組電池進(jìn)行可靠性評(píng)估。
本文擬就閱控式密封鉛蓄電池全壽命過程中的各個(gè)重要環(huán)節(jié)，提出一些切實(shí)可行的措施和意見，以期提高VRLA電池組的可靠性。
2 設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品固有可靠性
2.1電池內(nèi)各組件的邏輯關(guān)系
單只VRLA是由正極群、負(fù)被群、多孔性隔膜、電池槽蓋、電解液、排氣閥6個(gè)主要組件組成的，其中任何一個(gè)組件出了故障都會(huì)給電池的可靠性帶來損害，即降低了整塊電池的可靠度R（t），因而從邏輯關(guān)系上來分析，電池的這6個(gè)主要組件的關(guān)系應(yīng)當(dāng)是串聯(lián)的，那么整個(gè)電池的可靠度R（t）將由各個(gè)組件的可靠度R（t）來決定。
電池的正權(quán)群和負(fù)極群又都是分別由許多片正極板和負(fù)極板組成的。從電氣連接上來看，各片正（或負(fù)）極板都是并聯(lián)在一起的；從邏輯功能方面看，任何一片極板的失效并不會(huì)導(dǎo)致整塊電池失效，必須全部極板同時(shí)失效才會(huì)引起極群失效，因而它們也可視為并聯(lián)的。
郵電通信部門使用的閥控式密封鉛蓄電池都是在浮充狀態(tài)下使用的，從現(xiàn)有的使用數(shù)據(jù)和失效機(jī)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，電池因失水、漏液、"鼓肚子"而導(dǎo)致失效的現(xiàn)象最普遍，我們以前已經(jīng)指出，除了由于電池使用維護(hù)不當(dāng)之外，從設(shè)計(jì)角度來看，排氣閥設(shè)計(jì)的參數(shù)不當(dāng)或在使用過程中閥片衰變失效是引起上述現(xiàn)象的根本原因。排氣閥開啟壓力設(shè)計(jì)太小，則電池就容易失水；如果開啟壓力過大，則電池槽就容易在內(nèi)部過大的氣體壓力作用下引起"鼓肚子"變形及漏液。由此可見，小小的排氣閥對(duì)保證VRLA的可靠性起到了極為重要的作用。
2.2冗余設(shè)計(jì)的作用
冗余設(shè)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)之一。在參考文獻(xiàn)中我們?cè)赋鲞^冗余設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)提高蓄電池可靠性的作用。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，蓄電池的設(shè)計(jì)容量應(yīng)當(dāng)大于額定容量。這樣一方面可以保證每只電池的容量均在額定值以上（因?yàn)楦鱾�(gè)電池的容量總會(huì)有差別的），另一方面會(huì)對(duì)延長(zhǎng)電池使用壽命有利。
根據(jù)以前的研究結(jié)果，如果電池的設(shè)計(jì)容量是額定容量的k倍（K>1），那么蓄電池使用壽命得以延長(zhǎng)△T。式（3）中的r為蓄電池的失效率，其定義為：蓄電池在經(jīng)過t時(shí)間使用過程后，尚未失效的電池單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，它可以從電池容量Q的對(duì)數(shù)lnQ對(duì)使用時(shí)間t作圖求出來。 由（3）式可以看出，雖然加大蓄電池的設(shè)計(jì)余量可以延長(zhǎng)蓄電池壽命，但其延長(zhǎng)的數(shù)值△T并不跟富余量成正比。數(shù)字分析表明，富余量在2O％以下時(shí)，其效果是明顯的。對(duì)于用戶來說，在使用條件和經(jīng)費(fèi)允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)選取容量比較大的電池，以利于提高蓄電池組的可靠性。
2.3先并后串有利于提高電池組的可靠性
由可靠性工程原理可知，先由m個(gè)單元串聯(lián)組成子系統(tǒng)，再由n個(gè)子系統(tǒng)并聯(lián)組成總系統(tǒng)。先由m個(gè)單元并聯(lián)組成子系統(tǒng)，再由n個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)組成總系統(tǒng)。 在郵電通信設(shè)備中，廣泛使用由24只蓄電池串聯(lián)組成的蓄電池組。有時(shí)為了保證設(shè)備的用電量，又將2或3組蓄電池并聯(lián)供電，這就是先申后并的組合方式。如果假定各單只電池的可靠度相同且Ri=0.99，則由方程（4）算出，由24只電池先串聯(lián)組成子電池組以后再由2組這種電池組成總電池組的可靠度。
要是先由2只電池并聯(lián)，再將24個(gè)這種電池組串聯(lián)，則總蓄電池組的可靠度。
顯然，采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式組成的蓄電池組，其可靠度將比先串聯(lián)后并聯(lián)的方式要高。如果考慮到各單只電池的不均勻性，那么這種先并后串的連接方式對(duì)防止出現(xiàn)兩組電池偏流有利。這一看法已在我們最近的試驗(yàn)中得到了證實(shí)。
3 生產(chǎn)工藝過程保證了VRLA的可靠性
為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，使蓄電池產(chǎn)品盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)的固有可靠性，則生產(chǎn)工藝過程控制和質(zhì)量管理水平就成為決定蓄電池組可靠性的關(guān)鍵因素了。
首先，必須嚴(yán)格控制主要原材料的規(guī)格等級(jí)和來源。閥控式密封鉛蓄電池在擱置或工作時(shí)，應(yīng)盡可能減小析氫量，因而這種電池所用主要原材料中的雜質(zhì)含量就要求得比普通鉛蓄電池嚴(yán)格得多。為了保證電池組的均勻性好，那么對(duì)玻璃纖維隔膜厚度和定量的均勻性就要有嚴(yán)格的要求。尤其是某些負(fù)極添加劑，工業(yè)級(jí)的反比化學(xué)純的效果要好，并且不同產(chǎn)地生產(chǎn)的添加劑（例如腐植酸）會(huì)得到不同的效果。
其次，生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格按照工藝技術(shù)文件的要求去做，對(duì)生產(chǎn)中所需要的各種原材料和半成品的數(shù)量和質(zhì)量必須嚴(yán)格控制。譬如說向電池中注入的電解液量就是一個(gè)非常關(guān)鍵性參數(shù)。電解液太多，將會(huì)妨礙電池內(nèi)部在充電時(shí)產(chǎn)生的氧循環(huán)；電解液太少，又會(huì)影響電池的放電容量。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，每只電池中加入的電解液量是影響各單只電池性能均勻性的重要因素。
以上只是對(duì)已經(jīng)定型和批量生產(chǎn)的閥控式密封鉛蓄電地提出的一些主要要求，雖然這種電池在郵電通信部門大規(guī)模使用的時(shí)間只有幾年，但使用結(jié)果已經(jīng)表明，由于初期的設(shè)計(jì)缺陷、外購件和原材料的隱患、裝配失誤以及制造過程中的各種隨機(jī)因素造成的薄弱環(huán)節(jié)，致使產(chǎn)品的可靠性低于預(yù)計(jì)的可靠性。其中電池使用壽命（3-5年）遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)（10-15年）就是一個(gè)明顯例子。因而為了使產(chǎn)品的可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)水平，為了使產(chǎn)品的可靠性不致衰退，那么在從事生產(chǎn)的
同時(shí)還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，找出薄弱環(huán)節(jié)，盡早采取正確的糾正措施，確保蓄電池產(chǎn)品的可靠性。
4 正確的使用維護(hù)可延緩電池可靠性的衰退
鉛蓄電池在使用過程中，其性能是逐漸衰退的，均勻性也是逐漸變差的。在對(duì)開口式鉛蓄電池的性能進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)十余年的跟蹤和統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出：鉛酸蓄電池在使用過程中，充足電態(tài)的電池的電解液密度和充電電壓會(huì)逐漸降低；放完電后電池的電解液密度卻逐漸增高，同時(shí)各個(gè)電池性能之間的均勻性也逐漸變差。因而蓄電池組的可靠性也就逐漸降低或衰退。這種趨勢(shì)是鉛蓄電池?zé)o法完全避免的，也是其他類型漸變失效產(chǎn)品的共有特性。
然而正如我們以前指出的那樣，正確的使用維護(hù)工作可以延長(zhǎng)密封鉛蓄電池組的壽命，即可以延緩蓄電池組可靠性的衰退。與此相反，如果使用維護(hù)不當(dāng)，則會(huì)使蓄電池組早一些失效。以下針對(duì)郵電通信部門的使用條件，對(duì)處于浮充狀態(tài)之下長(zhǎng)期使用的閥控式密封鉛蓄電池的維護(hù)工作提出幾點(diǎn)意見。
4.1正確選擇與及時(shí)調(diào)整浮充電壓
閥控式密封鉛蓄電池是在"貧液"狀態(tài)下工作的，其電解液全部存儲(chǔ)在多孔性的隔膜之中。使用效果表明，當(dāng)前大部分閥控式密封鉛蓄電池組容量下降的原因都是由電池失水造成的，后者最直接的原因就是因?yàn)殡姵馗〕潆妷哼x得不妥。浮充電壓過高，電解水反應(yīng)加劇，析氣速度大，失水量必然增大；浮充電壓過低，雖然可降低失水速度，但容易引起極板硫酸鹽化。因而必須根據(jù)電源系統(tǒng)負(fù)荷電流大小或停電頻次，以及電池溫度和電池組新舊程度及時(shí)調(diào)整充電電壓。表1列出不同溫度時(shí)的浮充電壓值，可供參考。
4.2盡可能使環(huán)境溫度保持在（20土5）℃
閥控式密封鉛蓄電池如果使用維護(hù)不當(dāng)，則會(huì)使電池內(nèi)的溫度和電流發(fā)生一種積累性的相互增強(qiáng)作用，使電池內(nèi)的溫度迅速升高。輕者會(huì)使電油槽變形"鼓肚子"，導(dǎo)致電池失效，重者還會(huì)波及到整個(gè)通信電源系統(tǒng)。
出現(xiàn)上述熱失控的原因，除了由于電池結(jié)構(gòu)緊湊、散熱困難以及電池內(nèi)部氧復(fù)合反應(yīng)導(dǎo)致熱反應(yīng)外，電池周圍環(huán)境溫度升高也是很重要的原因。尤其是在夏天或野外，氣溫會(huì)高于35℃，此時(shí)浮充電流就自然增加，又引起溫度升高。如此形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍Ｈ绻苁闺姵丨h(huán)境溫度保持在（20土5）℃并且及時(shí)自動(dòng)調(diào)整電池浮充電壓，這樣就可以防止電池出現(xiàn)熱失控，保證了蓄電池組的可靠性。
5 VRLA失效概率估算
通過以上分析和采取的措施，可以延長(zhǎng)電池使用壽命提高蓄電池組的可靠性，但蓄電池并不能"長(zhǎng)命百歲"，性能總是要衰退的，可靠性總是要逐漸下降的，因而就有必要對(duì)使用過程中的VRLA失效概率進(jìn)行評(píng)估。
根據(jù)我們以前的研究結(jié)果，閥控式密封鉛蓄電池的失效分布是服從兩參數(shù)指數(shù)分布規(guī)律的。式（ 6）中的 F（t）表示閥控式密封鉛蓄電池組的失效概率，t。為保證壽命，其物理意義是：在蓄電池組中除個(gè)別早期失效電池外（這種電池主要是某些偶然因素引起的，可在出廠試驗(yàn)時(shí)篩除掉），在使用時(shí)間到達(dá)眾之前是不會(huì)出現(xiàn)失效電池的。
由此可知，只要確定了蓄電池組成批量電池的失效率r及保證壽命t。，那么蓄電池組在任何時(shí)刻t。的失效概率F（t）就很容易由（6）式算出，隨之利用方程（7）就可求得其可靠度R（t）。當(dāng)使用中的蓄電池組中還沒有出現(xiàn)單只電池失效時(shí)，則表明該組電池的使用時(shí)間尚未達(dá)到t。值。此時(shí)我們應(yīng)當(dāng)注意各個(gè)電池的浮充電壓和放電電壓，如果它們都比較均勻，則用戶可以放心使用。
當(dāng)蓄電池組中開始出現(xiàn)第一只失效電池時(shí)（即該電池的放電容量低于額定值的8O％），則應(yīng)記下其失效時(shí)間出。在整組電池的輸出性能仍可滿足用電設(shè)備要求的條件下，可以繼續(xù)觀察其他電池的失效時(shí)間。當(dāng)觀察到有4～5只電池失效時(shí)，就可以利用我們以前提供的方法求出該蓄電池組的保證壽命t。和失效率r。從而利用（6）式評(píng)估出該蓄電池組在以后使用過程中的失效概率。
6 結(jié)論
（1）設(shè)計(jì)決定了VRLA產(chǎn)品的固有可靠性；采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)和先并后串的組合方式，有利于提高蓄電池組的可靠性。
（2）嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)并控制原材料和半成品的質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)電池設(shè)計(jì)可靠性的根本保證。
（3）正確的使用維護(hù)可以延長(zhǎng)VRLA的使用壽命，提高蓄電池組的可靠性。
（4）VRLA的失效概率分布服從兩參數(shù)指數(shù)分布規(guī)律，利用蓄電池組的使用數(shù)據(jù)求得其失效率入和保證壽命。
