桂長清 柳瑞華
關鍵詞:通信電源 可靠性 蓄電池
摘 要:論述了通信用閥控式密封鉛蓄電池組常見故障出現的原因和解決方法，早期診斷和預防蓄電池組可能出現的故障，以期延長電池壽命，確保通信電源系統的可靠性。
1 電池早期失效
1.1 早期失效及其危害性
早期失效指的是一些閥控式密封鉛蓄電池組在使用過程中，只有數個月或1年其電容量就低于額定值的80％；或整組電池雖然普遍很好，但其中個別電池的性能急劇變差。
電池組中若有個別電池失效，那么恒電流充電時一是電壓會迅速升高，即在整組電池尚未充足電時失效電池已處于過充電狀態，電池溫度升高失水速度加大，并導致整組電池充電電壓升高；二是會引起整組電池充電電流下降，延長充電時間。
若個別電池出現內部短路時，其充電電壓就低于其他電池，當整組電池已充足電時，該落后電池卻尚未充好。長此下去就會出現惡性循環，影響整組電池性能。
多組并聯使用的蓄電池組中若有一組電池失效，則在充電時會出現各組電池充電電流不勻（即偏流）現象。若發展下去，會導致正常的蓄電池組提前失效。
1.2 早期失效原因與對策
1.2.1 電池設計欠妥
實踐表明，電池中正負極板跟玻璃纖維隔板中電解液脫離接觸是導致密封鉛蓄電池早期失效的根本原因。為此，應當適當提高極群組裝壓力，使AGM隔板壓縮率達到15％～20％；同時適當增加電解液量，并在電池外殼強度允許的條件下適當提高氣閥的開啟壓力，以減少開閥次數和失水。
1.2.2 生產工藝和原材料
個別早期失效電池的出現，一般是由于生產過程中的個別偶然因素引起的。比如組焊極群時有微小鉛粒落入極群中，電池加酸量控制不嚴，不合格部件裝入電池，某些原材料不合格等。為此，必須嚴格控制各工序的質量。
1.2.3 維護工作跟不上
過去有人把閥控式密封鉛蓄電池稱之為免維護電池，在使用過程中不去注意維護，使電池性能迅速變差。所以應當消除這一誤解，明確電池維護工作是延長電池壽命的關鍵性因素。
為避免蓄電池組中混入早期失效電池，建議在新電池裝入電源系統之前進行一次檢查性深放電，即以10時率放電電流放至1.80V左右，然后再充足電裝進電源系統之中。如果各個電池放電終止前的電壓差別不大，比較均勻，則本組電池性能一定不錯；如若其中個別電池電壓下降很快，則很可能是落后電池，必須查明原因采取措施。
2 電池失水
2.1 電池失水及其危害性
閥控式密封鉛蓄電池是在“貧液”狀態下工作的其電解液完全貯存在多孔性的隔膜之中。一旦失水，電池放電容量就要下降。當水損失達到3.5ml／Ah時，電池容量會降至初始容量的75％以下；當水損失達到25％時，電池壽命將會終止。
使用效果表明，當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。前節已經指出，一旦電池失水，就會引起電池正負極板跟隔膜脫離接觸或供酸量不足，引起電池放不出電來。
2.2 電池失水的原因
2.2.1 氣體復合不完全
標準中規定了氣體復合效率>95％，實際上正常狀態下可以使復合效率達到97％～98％，也就是說總會有2％～3％的氧從電池內部溜出來。這部分氧來源于電解水反應，其量雖小，但數年累積起來其量就是可觀的了。
如果電池灌酸量太多，則氣體復合效率會進一步降低。
2.2.2 電池密封不好或單向閥太松
這是造成充電產生的氧逸出電池的重要原因。尤其是在均衡充電或補充充電時，由于充電電壓提高了，析氧量就增大，電池內部壓力增大，一部分氧來不及復合就沖出單向閥外逃。 為此，在電池外殼強度允許的條件下，盡量提高單向閥的開啟壓力。
2.2.3 浮充電壓控制不嚴
通信用閥控式密封鉛蓄電池一直都是處于浮充狀態下工作的，浮充電壓選擇是否妥當對電池壽命影響極大。浮充電壓選得偏高或電池溫度升高時，若沒有及時將浮充電壓調下來，就會加速電池失水過程。
2.3 減少電池失水的措施
這一工作要由電池生產廠家和用戶協力進行，下邊只就維護過程提出幾點意見。
（1）正確選擇及時調整浮充電壓
浮充電壓過高，電解水反應加劇，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。因而必須根據電源系統負荷電流大小、停電頻次以及電池溫度和電池組新舊程度及時調整浮充電壓。表1列出了不同溫度時的浮充電壓值，供參考。
（2）盡可能使環境溫度保持在20℃±5℃，這樣方可保持電池內部溫度不超過30℃，短時間內也不超過35℃。
（3）定期檢測電池內阻（或電導）
目前一些單位用電導儀測電池電導，以此判斷電池質量狀態。可是當電池組電容在50％以上時，測得的電導值幾乎沒有變化，只是在低于50％時其電導值才會迅速下降。因而對使用中的蓄電池組（容量均在80％以上）不能用電導（或內阻）來估算電池容量，當然也就不能預測電池的使用壽命。然而對同一電池而言，一且發現內阻異常增大，則很可能是失水所致，其結果必然導致容量下降。
（4）適當補加蒸餾水
使用一段時間的閥控式密封鉛蓄電池，如果出現內阻很快增加，那么可設法補加一些蒸餾水，電池容量將會有所改善。加水時不要加得太多，以免堵塞氣體通道，影響氧氣復合。當然，如果電池出現硫酸鹽化或電池處于壽命后期，即使補加水也是無濟于事的。
3 電池熱失控
閥控式密封鉛蓄電池如果使用、維護不當，則會使電池內的溫度和電流發生一種積累性的相互增強作用，使電池溫度迅速升高。輕者會使電池槽變形“鼓肚子”，導致電池失效；重者還會波及到整個通信電源系統，使電路和設備蒙受損失。
3.1 出現熱失控的原因
3.1.1 氧復合反應
2pb＋O2→2PbO＋Q1 Q1＝219.2kJ／mol（1）
PbO＋H2SO4→PbSO4＋H2O＋Q2
Q2＝172.8kJ／mol（2）
氧復合反應是放熱反應，它將導致電池溫度升高，如不及時下調浮充電壓就會使浮充電流加大，后者又引起析氧量加大，復合反應加劇。如此反復積累，將會導致電池出現熱失控。
3.1.2 電池結構緊湊
閥控式密封鉛蓄電池必須緊湊裝配，電解液貯存在多孔性隔板中，這樣散熱比較困難。它不象開口式自由電解液鉛蓄電池可以在充電析氣時攪拌電解液，有利于散熱。當電池內部有局部短路時，電池溫度會升得更高。
3.1.3 電池周圍環境溫度升高
在夏天或野外，氣溫會升得較高，超過35℃以上，此時浮充電流就相應增加。若不及時降低浮充電壓，則會使電池溫度迅速升高。
3.2 預防措施
雖然閥控式密封鉛蓄電池本身在不斷放熱并且散熱困難，但只要采取適當措施并認真進行維護，熱失控是可以防止的。
（1）正確選擇及時調整浮充電壓
這一措施至關重要，已在上節論述，此處不再重復說明。
（2）注意檢測電池溫度
氧復合反應是在負極上進行的，因而負極的溫度應當最高；再者極柱和板柵是金屬，是熱的良導體，它對電池溫度升高的敏感性肯定比外殼要強，因而建議不斷監測負極柱溫度，尤其是夏天或中午時，要特別注意電池溫度升高。
（3）加強電池室的通風管理，最好是裝空調，以防環境溫度升高。
4 電池性能的劣化
4.1 對通信電池均勻性的要求
在YD／T799－1996《通信用閥控式密封鉛蓄電池技術要求和檢驗方法》中規定：通信用閥控式密封鉛蓄電池組中各單電池的開路電壓之差不大于20mV；在通信用閥控式密封鉛蓄電池的使用維護規定中，要求各單電池的浮充電壓之差應當在平均電壓的±50mV之內，即允許浮充電壓的最高值與最低值相差不大于100mV。前一要求通常是可以滿足的，后一要求在電池壽命中后期是比較難達到的。
上述對電池開路電壓和浮充電壓均勻性的規定，只包含最大值和最小值之差，即極差。建議采用數理統計學中采用的標準差λ來衡量蓄電池組的均勻性。
（3）式中Xi表示蓄電池組中各單塊電池的開路電壓或浮充電壓值，-X表示上述數值的平均值，n代表蓄電池組中包括的電池數。
4.2 影響電池均勻的因素
4.2.1 電池原材料和半成品的規格和質量
原材料中的有害雜質會降低電池的浮充電壓，加速電池自放電。隔板和極板厚度和吸酸量的不均勻性也會使浮充電壓不勻。
4.2.2 單向閥的開啟和關閉壓力
電池在長期使用過程中很難做到使單向閥的開啟和關閉壓力始終保持均勻一致。開啟壓力大的電池極群上部空間的氣體壓力大，則浮充電壓就高，反之亦然。
4.2.3 注酸量
閥控式密封鉛蓄電池是貧液設計，電池的放電容量常常受酸量控制，因而其浮充電壓時電池的注酸量非常敏感。
4.2.4 電池生產工藝的控制
對閥控式密封鉛蓄電池生產工藝的要求比自由電解液式電池要苛刻得多。只有在每道工序上都按工藝規定要求去做，才能最大限度地保持電池性能的均勻性。
4.3 蓄電池組均勻性的變化
4.3.1 開路電壓
理論電化學早已指出，電池的開路電壓V0是電池中用以貯存或釋放電能的電極體系熱力學狀態的反映。一旦電極體系確定了并且電解液濃度也確定了，那么電池的開路電壓也就確定了。該電壓值跟電極上的PbO2和Pb以及PbSO4的量無關，只受電解液濃度的影響，它們之間可用經驗公式（4）來表示：
V0＝0.84＋d （4）
式中d為電池中的電解液密度值（g／cm3）。
對開口式鉛蓄電池而言，由于d跟電池容量之間有線性關系，因而可以利用（4）式估計電池的容量；但對密封鉛蓄電池而言都不太合適，因為有時會出現極板和隔板之間接觸不良而影響電池容量。當然也就不能用各單塊電池的開路電壓值來衡量電池的質量狀態了。
4.3.2 端電壓
端電壓是電池中有電流流過（充電或放電）即有電極反應進行時的電壓，比如浮充電壓、均充電壓、放電電壓等，它是電極體系的熱力學和動力學狀態的綜合反映。在各種化學電源中，人們都是以端電壓來判斷電池充電或放電進行的程度。因而對閥控式密封鉛蓄電池來說，用電池組充電或放電時各個電池端電壓來衡量電池組的均勻性是恰當而又方便的。
4.3.3 電池性能均勻性的變化
10余年的跟蹤統計結果表明，自由電解液鉛蓄電池在使用過程中，其恒流充電電壓是逐漸下降的，放電電壓是逐漸升高的，各個電池電壓之間的差別也越來越大，即λ值逐漸增大，充電后電池電解液密度逐漸下降，放完電后電解液密度逐漸升高，它們的標準差也逐漸加大，即電池的均勻性逐漸變差，如表2所示。
就閥控式密封鉛蓄電池而言，國內外使用時間還不太長，積累的數據也不夠充分和系統，但就現有的數據來看，新電池浮充電壓不穩定，使用半年左右達到最佳狀態；在電池壽命中后期浮充電壓的均勻性就越來越差了，跟自由電解液鉛蓄電池有著同樣的趨勢。因而對通信電源系統中的閥控式密封鉛蓄電池組而言，只要各單塊電池的浮充電壓比較均勻，即λ較小，那么用戶可以放心使用。一旦電池的均勻性變差，即λ增大，則意味著該組電池已進入壽命后期，其放電容量也接近80％，電池組中就會出現落后電池。如果此時電池的電導值也有下降，則可能是失水所致，補加水之后會有好轉；否則必須認真監視電池，直到電池壽命結束。
5 延長電池使用壽命的有效措施
電池的設計和生產工藝決定了蓄電池組的固有可靠性，電池組的使用維護則是保證了蓄電池組的可靠性。以下只從使用維護的角度提出幾點意見和采取的措施。
（1）盡量使電池處于充足電狀態。鉛蓄電池放電產物是PbSO4，若不及時充電將會轉化為Pb和PbO2，那么PbSO4晶體就發生變化失去活性，引起極板硫酸鹽化，降低電池容量，縮短電池壽命。
（2）正確選擇并及時調整浮充電壓。這一措施對防止電池失水和熱失控至關重要。
（3）盡可能使電池的環境溫度保持20℃～25℃。雖然電池允許的工作溫度范圍為-15℃～+45℃，但電池的最佳工作溫度應當為25℃左右。
（4）定期（最好是半年左右）對電池進行治療性充放電，即用20時率放電至1.80V，然后充足電再繼續使用。
6 小結
（1）為使通信電源系統中閥控式密封鉛蓄電池安全可靠地工作，除了要保證電池的質量外，還應當加強蓄電池組的使用維護工作，使其盡可能在最佳條件下運行。
（2）蓄電池組中各單塊電池充電或放電電壓的均勻性是衡量和判斷電池質量狀態的重要標志。
