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        后備用VRLA電池充電方式的探討

        2018-04-12 06:33:16楊勇趙俊陳倫維
        蓄電池 2018年2期
        關(guān)鍵詞:自放電副反應(yīng)電池組

        楊勇,趙俊,陳倫維

        (深圳市佰特瑞儲能系統(tǒng)有限公司,廣東 深圳 518057)

        0 引言

        VRLA 電池由于全密封設(shè)計(jì),不漏液,無需補(bǔ)水維護(hù),中高功率特性好,體積小,可與電氣設(shè)備共室安裝,用作后備電源具有良好的適應(yīng)性優(yōu)勢。但是,在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),浮充電狀態(tài)下 VRLA電池的使用壽命往往較短,而且其故障率比開口富液式電池的高。因此,筆者著重對 VRLA 電池在浮充后備應(yīng)用下的原理和特性進(jìn)行分析和總結(jié),并探討了浮充充電方式是否適合后備應(yīng)用的 VRLA 電池,并提出了更加適合于后備應(yīng)用 VRLA 電池的充電方式。

        1 后備電源上VRLA電池使用方式—浮充電應(yīng)用

        由腐蝕、水分解和氧復(fù)合等副反應(yīng)引起的的自放電現(xiàn)象在鉛酸電池中是不可避免的。為了補(bǔ)償鉛酸電池的自放電,需要給電池施加一個(gè)等于或高于自放電的電流。傳統(tǒng)的做法是施加一個(gè)略高于電池開路電壓的恒定電壓,產(chǎn)生一個(gè)充電電流。這種充電方式被稱為“浮充充電”。通常在浮充應(yīng)用條件下,電池與固定的充電器/整流器連接,只在偶然的電源斷電時(shí)提供電流。理論上,這種應(yīng)用條件對于電池的使用是有利的,還成功地避免了 VRLA 電池循環(huán)能力較弱的弊端。特別是 VRLA 電池還具有大功率放電特性好,安裝方便,無需補(bǔ)水等優(yōu)點(diǎn),當(dāng)客戶對于較短的使用壽命沒有苛求時(shí),這看起來似乎是完美的方案。

        然而需要明白的是,浮充電方式用于后備電源一開始是針對開口富液式電池的。實(shí)際的應(yīng)用結(jié)果表明,浮充電方式與開口富液式電池匹配良好。當(dāng)VRLA 電池出現(xiàn),并表現(xiàn)出比開口電池更好的適用性優(yōu)勢時(shí),這種充電方式也被沿用了下來,因此可以說,浮充電方式用于 VRLA 電池更像是一個(gè)權(quán)宜之計(jì)。

        2 VRLA 電池用于后備電源存在的問題

        2.1 VRLA 和開口富液式電池的區(qū)別

        開口富液式電池(含銻合金)的鉛酸蓄電池中,負(fù)極的自放電速率是正極的好幾倍。而在無銻合金鉛酸蓄電池中,比如常見閥控式密封鉛酸蓄電池中,負(fù)極的自放電速率相對于含銻合金電池來講已經(jīng)被大大降低了,且負(fù)極自放電速率低于正極[1]。相對于開口富液電池,VRLA 電池特性顯示出很大的不同,在很大程度上決定了它們的性能,及預(yù)期的浮充壽命與開口富液式電池的區(qū)別。

        2.1.1 浮充電流增大

        浮充電流的增大是由于正負(fù)電極過電位的分布不同所導(dǎo)致,而氧復(fù)合技術(shù)使得正極板電勢更向正電位值偏移。從圖 1 清楚地看到,與開口電池相比,VRLA 電池正極極化電位的更高。在富液式電池中,當(dāng)活物質(zhì)完全形成時(shí)(充滿電),電池就轉(zhuǎn)入所謂的塔菲爾 Tafel 區(qū)間,這時(shí)主要的電化學(xué)反應(yīng)為水的電解,而且浮充電流由氫氧的分解程度來決定,即相當(dāng)于正極析氧及負(fù)極析氫電流之和。對于 VRLA 電池,氧氣的擴(kuò)散,以及其在負(fù)極的復(fù)合,直接增大了浮充電流。VRLA 電池的浮充電流大約是開口富液式電池的 10 倍。

        圖1 開口電池和 VRLA 電池正、負(fù)電極的極化曲線[1]

        2.1.2 單體間浮充電壓偏差更大,一致性差

        圖2 2 V 500 Ah 電池浮充 180 d 的電壓變化

        圖2是2 V 500 Ah 新電池(電池組電壓 48 V)浮充 3 個(gè)月期間浮充電壓的變化曲線。浮充電初期電壓偏差較大,浮充電過程中隨著隔板中電解液飽和度的變化,復(fù)合效率的大小不斷得到調(diào)整,逐漸降低了浮充電壓的偏差,但單體之間存在電壓偏差是客觀存在的,而且這種偏差比富液式電池更明顯。浮充應(yīng)用下 VRLA 電池單體電壓之偏差可達(dá)100 mV/2 V。如圖 2 所示,在標(biāo)準(zhǔn)浮充電壓 2.25 V的情況下,最高單體電壓達(dá)到 2.34 V,而最低只有2.16 V。這是因?yàn)椋?)VRLA 電池密封復(fù)合反應(yīng)效率的偏差較小,導(dǎo)致負(fù)極板過電位的偏差很大。2)串聯(lián)電池組中各電池浮充電壓是不斷變化的。

        2.1.3 浮充電過程中 VRLA 電池的副反應(yīng)增多,且反應(yīng)被加速

        對于開口富液式電池,浮充條件下副反應(yīng)主要是水的電解。相對于富液式電池,VRLA 電池負(fù)極的副反應(yīng)主要有析氫和氧復(fù)合反應(yīng),而正極的副反應(yīng)則主要是析氧和腐蝕反應(yīng)。由于氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生很大熱量,導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度的升高,自身又產(chǎn)生了各種副反應(yīng)的加速因子。因?yàn)闇囟壬?,電池失水加大,會增加隔板氧?fù)合通道,使得氧氣復(fù)合電流也隨之提高,浮充電流隨之增大,溫度進(jìn)一步升高,所以形成相互加速的惡性循環(huán)。

        2.2 浮充電方式加速 VRLA 電池失效

        2.2.1 浮充電方式造成持續(xù)過充電

        副反應(yīng)是蓄電池自放電的主要原因,而 VRLA電池比開口富液式電池有更多的副反應(yīng)。VRLA 電池的自放電是由于與主反應(yīng)同時(shí)存在的各種反應(yīng),比如活性物質(zhì)的充電和放電,以及不可逆的副反應(yīng)如腐蝕、水分解和氧復(fù)合。浮充條件下浮充電流不僅要補(bǔ)償正負(fù)極活性物質(zhì)的自放電,還要補(bǔ)償板柵腐蝕,以及氧復(fù)合等不可逆副反應(yīng)引起的自放電,因此浮充電流遠(yuǎn)大于電池正常自放電的電流。由于無銻合金的效應(yīng),VRLA 電池負(fù)極的自放電比開口富液式電池的大幅降低。由圖 3 可知,在浮充條件下,VRLA 電池正負(fù)極的自放電占比比較低,因此持續(xù)的浮充電實(shí)際上是對電池進(jìn)行持續(xù)的過充電。這和浮充充電制度的初衷似乎是矛盾的。

        圖3 溫度不變,不同浮充電壓下浮充電流的分布[2]

        2.2.2 浮充電過程加速電池的發(fā)熱、腐蝕和失水

        浮充電過程中,由于氧復(fù)合的持續(xù)發(fā)生,電池內(nèi)部溫度升高,從而產(chǎn)生了重要的加速因子。高溫加速板柵腐蝕和浮充電流。一般來說,溫度增加10 ℃,反應(yīng)速率加倍。在電化學(xué)反應(yīng)中,這意味著等效電流增加了一倍。如圖 4 所示,同樣的浮充電壓下,溫度升高 10 ℃,浮充電流值增加 1 倍以上。此外,浮充電產(chǎn)生極化的同時(shí)也增加了電池兩極的析氣速率,同時(shí)還增加了電池內(nèi)部的氣壓。這將會增加 VRLA 電池安全閥開閉閥頻率和水蒸氣透過 ABS 電池殼的速率,結(jié)果是加速了電解液失水的速率。

        圖4 不同溫度下 (2.25Vpc 固定浮充電壓) 浮充電流[2]

        2.2.3 浮充電方式提升了對電池組一致性的要求

        在持續(xù)的浮充電狀態(tài)下,VRLA 電池單體之間很容易發(fā)生不一致性,從而影響串聯(lián)電池組的整體壽命。這也可以理解為浮充電方式對于單體一致性的要求較高。

        2.3 實(shí)際應(yīng)用采用偏高的浮充電壓

        副反應(yīng)在正負(fù)電極發(fā)生是相互獨(dú)立,且正負(fù)極的自放電速率也是不相等的[1]。此外,由于在電池兩極間施加了一個(gè)恒定電壓,導(dǎo)致正負(fù)極間的電位分配不同(見圖 1)。因此,理論上要找到最佳的浮充電壓是非常困難,甚至是不可能的。在現(xiàn)實(shí)中,平衡電位取決于很多因素,比如溫度、電解液密度、板柵合金。在串聯(lián)電池組中,單體電壓的離散現(xiàn)象也是存在的。適用的浮充電壓值還是由經(jīng)驗(yàn)來確定。實(shí)際應(yīng)用中,為了避免出現(xiàn)欠充電的風(fēng)險(xiǎn),對于富液電池通常采用的浮充過電壓為 80~90 mV,而對于 VRLA 電池,通常采用更高的浮充過電壓,增加至120 mV(如對于開路電壓為 2.15 V的單體電池,浮充電壓為 2.27 V)。因此,在浮充電狀態(tài)下 VRLA 電池是一直被過充電的,浮充電方式是維持電池 SOC 和 SOH 的一種折衷。

        2.4 VRLA 電池難維護(hù)影響了電池的使用壽命

        這主要源于 VRLA 電池與開口富液式電池不同和更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):1)VRLA 電池是一個(gè)密封系統(tǒng),蓄電池外殼是不透明的,所以不能像對開口富液式電池那樣,可以直觀地查看內(nèi)部狀態(tài);2)采用不流動(dòng)的電解液,貧液設(shè)計(jì),所以電池對電解液失水敏感;3)由于采用密封結(jié)構(gòu),其散熱性比開口富液式電池的差很多,充電過程中熱量容易累積。因此,VRLA 蓄電池的維護(hù)工作至今仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。日常維護(hù)中難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后單體,而落后單體的存在會拖累整組電池的壽命。這是 VRLA 電池相對于開口富液式電池存在的又一個(gè)先天不足。

        3 關(guān)于間歇充電方式

        3.1 間隙充電方式

        圖5 間歇充電方式與浮充電方式

        間歇充電方式,如圖 5 所示,不再像傳統(tǒng)的浮充電方式,一直持續(xù)地給電池組充電,而是間歇性地對電池組進(jìn)行補(bǔ)充電,大部分時(shí)間讓電池處于開路狀態(tài)(或稱休眠狀態(tài))。電池在補(bǔ)充電和休眠狀態(tài)下不斷切換。智能的間歇充電管理方式運(yùn)用于密封蓄電池在國外已經(jīng)有較長的歷史,如法國 EDF在 10 多年前就開始了用于電站的間歇充電管理,UPS 行業(yè)的廠家 EATON 有主動(dòng)均衡電池管理系統(tǒng)(ABM)[3],但總體上相關(guān)的應(yīng)用還較少,沒有形成影響。

        3.2 間歇充電方式的優(yōu)勢

        3.2.1 降低 VRLA 電池過充電

        因?yàn)殚g歇充電方式大幅減少了電池充電時(shí)間,讓電池大部分時(shí)間出于開路狀態(tài)。開路狀態(tài)下,電池的副反應(yīng)被大幅降低,比如失水,氧復(fù)合反應(yīng)以及板柵腐蝕。如圖 6 所示,在休眠模式下電池正極板的腐蝕速率較低。眾所周知,浮充電應(yīng)用下電池壽命終止的一個(gè)重要原因就是板柵腐蝕。BSB 最新開發(fā)的智能間歇充電管理方式,實(shí)現(xiàn)了更加精細(xì)的間歇充電管理,將電池浮充過充電電量降低 80%以上,浮充使用壽命延長約 1.5 倍,如圖 7 和圖 8所示。

        3.2.2 降低 VRLA 電池充電時(shí)的發(fā)熱

        圖6 正極板在不同電壓下的板柵腐蝕對比[2]

        圖7 不同充電方式下 12 V 100 Ah 電池累計(jì)過充電量

        圖8 不同充電方式下 12 V 100 Ah 電池高溫浮充加速衰減曲線

        持續(xù)的浮充電會導(dǎo)致電池內(nèi)部溫升,甚至熱積累,這是造成 VRLA 電池浮充運(yùn)行中期電池?zé)崾Э氐闹饕騕4]。溫度是典型的浮充壽命加速因子。采用間歇充電方式時(shí),由于補(bǔ)充電的時(shí)間很短,因此幾乎不會導(dǎo)致電池溫升,從而降低了溫度對電池的影響。

        3.2.3 提高 VRLA 電池的高溫耐受性

        從電池的反應(yīng)原理不難理解,VRLA 電池之所以不耐高溫,是因?yàn)樵诟〕潆姞顟B(tài)下電池過充電,以及高的氧復(fù)合效率產(chǎn)生熱量累積,而熱量累積又導(dǎo)致溫度更高,惡性循環(huán)最終導(dǎo)致熱失控事故發(fā)生。在間歇充電模式下,電池大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài),沒有持續(xù)浮充過充電導(dǎo)致的發(fā)熱(氧復(fù)合和歐姆電阻),電池內(nèi)部沒有持續(xù)的熱量產(chǎn)生和累積,因此也沒有熱失控風(fēng)險(xiǎn)。在休眠和放電狀態(tài)下電池可以耐受較高的溫度。這也可以理解為,電池不怕高溫?cái)R置和放電,怕的恰恰是高溫下的充電和過充電。

        3.2.4 降低了成組使用對電池組一致性的要求

        由于間歇充電方式不會持續(xù)地進(jìn)行充電,其短時(shí)的補(bǔ)充電是為了補(bǔ)償電池的自放電,因此對電池浮充狀態(tài)下一致性的要求就大大降低了。電池組中各單體電池的荷電狀態(tài)和均勻性主要取決于電池的充電接受能力,而不是使用過程中的放電情況,也和電池之間的一致性無直接關(guān)系。間歇充電目的只需保持保證電池達(dá)到滿電的狀態(tài)即可,對充電電壓的要求也降低了,因此可以選擇更高的充電電壓獲得更高的充電速率,而不需擔(dān)心欠充電和過充電的問題[5]。

        3.2.5 對電池的檢測更加準(zhǔn)確有效

        在間歇充電的休眠階段,配置的電池管理系統(tǒng)(BMS)可以直接監(jiān)測電池的開路電壓,以及開路狀態(tài)下的內(nèi)阻。由于沒有受到浮充電壓和浮充電流的干擾,因此檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確有效,更能真實(shí)反饋電池的狀態(tài)。

        3.2.6 間歇充電方式更加節(jié)能

        采用間歇充電方式時(shí),充電時(shí)間大幅減少,因此更加節(jié)能。采用間歇充電方式可以降低約 80%的充電量,同時(shí)也極大地減少了充電電源模塊的工作時(shí)間。

        4 結(jié)束語

        基于以上理解,間隙充電方式從原理上更加適應(yīng)了 VRLA 電池的特性,避免了常規(guī)浮充電的不利影響,并極大地提高了電池的可用性。簡而言之,間歇充電方式使得 VRLA 電池工作在更加健康的狀態(tài)下,從根本上提高了電池可靠性,延長了電池的使用壽命。

        參考文獻(xiàn):

        [1]PHUONG NGUYEN T M, DILLENSEGER G, GLAIZE C, et al.Traditional float charges:are they suited to stationary antimony-free lead acid batteries?[M]//Bouras C J.Trends in Telecommunications Technologies.2010: 665–692.DOI: 10.5772/8495.

        [2]JERGL J, COLE B, PURCELL S.Real world effects on VRLA Batteries in float applications[C].International telecommunications energy conference-INTELEC, 1996: 351–357.

        [3]Eaton Group.Advanced battery management(ABM) and battery testing in Eaton UPS: White paper[Z].2009.

        [4]王吉校, 王秋虹.VRLA 蓄電池的失效模式研究[J].蓄電池, 2008, 45(2): 58-61.

        [5]張磊, 楊學(xué)光, 拾華杰, 等.VRLA 蓄電池循環(huán)壽命與浮充電壓關(guān)系的研究[J].蓄電池, 2012,49(1):18-20.DOI: 10.16679/j.cnki.21-1121.2012.01.006.

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