VRLA电池组可靠性检测方法

     1 前言

　　某地电信中心机站发生通讯中断故事，分析原因是，机站配置48 V 4000 Ah 电池组，采用4 组并联每组24 只GFM- 1000 电池， 负载电流为260～300 A。电池为使用6 年半左右的VRLA （AGM） 电池。经检查，4 组并联电池组中，每组都有2～3 只容量很低的电池存在，当电池组负载放电时，整组电池电压下降较快，在维护人员赶到前，总电压已降至脱离电压，所以导致发生通讯中断事故。

　　某省的电信中心机站也发生过通讯中断的严重事故，说明中国通讯行业中使用的VRLA 备用电池存在着较为严重的可靠性隐患，主要表现在：使用中后期缺乏行之有效的可靠性检测方法及标准。

　　结合多年来在VRLA 电池的制造、工艺、使用维护等方面积累的经验，特提出一种检测VRLA 电池可靠性的方法，以期对同行有所借鉴，对VRLA备用电池组用户的维护有所帮助。

　　2 通讯用VRLA 备用电池组配置

　　通讯用VRLA 备用电池组的电压一般为48 V；中心机站一般把几组24 只2V GFM系列的大容量48 V 电池组并联起来；非中心机站及边际网一般采用几组4 只12V GFM系列48 V 电池组并联方式，或采用几组24 只2V GFM系列中小容量48 V电池组并联方式。

　　通讯用48 V VRLA 备用电池组的容量大小是根据负载大小来配置的。负载电流一般设计为C10/15(A)左右。市电中断时，在正常情况下，电池组能坚持供电12～16 h。例如：中心机站负载为48 V×270 A 左右时，一般配置48 V 4000 Ah 的电池组，常用4 组48 V 1000 Ah 电池组并联起来，或者采用2 组48 V 2000 Ah 电池组并联。

　　3 UPS 备用VRLA 电池组配置

　　UPS 备用VRLA 电池组一般常用的有220 V、380 V 电池组。电池组的容量大小是根据负载大小而定的，最大负载电流大小一般为电池组的1～2小时放电率。市电中断时，在电池组正常情况下，至少能坚持供电1～2 h 左右。

　　4 市电断电时的处理程序

　　中心通讯机站一般都备有柴油发电机系统，所以市电中断后，VRLA 电池组只要能坚持供电2 h左右，就能启动柴油发电机系统来供电。

　　对一般性的通讯机站，因为是无人值守的，所以有关维护人员一般需要4～5 h 左右才能赶到机站，启动柴油发电系统，所以市电中断后，VRLA电池组要求能坚持供电4～5 h 左右。

　　对于UPS 机站，市电中断后，VRLA 电池组只要坚持供电15～30 min，有关人员就能启动柴油发电系统供电。

　　5 市电断电后的现状

　　虽然现在VRLA 备用电池组容量配置裕度都较大，特别是对通讯备用电源，电池组容量只要有额定容量的40 %左右，至少能对负载供电达6 h左右，使维护人员有足够的时间启动柴油发电系统，从而保证通讯的正常运行。

　　但是，现实中常有通讯中断事故，中断2 h 以上的重大事故也不少见。这是因为：VRLA 电池组平时大多数时候都处于浮充备用状态，只要每组电池中有极少部分的电池容量很小，在市电中断而由电池组供电时，电池组总电压就会下降很快，很快降至脱离电压，使电池组对负载供电池时间较短，人们来不及启动柴油发电系统，从而造成通讯中断事故。

　　这其实并不仅仅只是VRLA 电池容量大小的问题，而且是VRLA 电池容量可靠性的问题，因为我们不可能频繁地对电池组进行容量检测。所以重要的是对VRLA 电池的容量的可靠性有一种判断的方法（或称为判断标准）。

　　6 VRLA 电池容量可靠性有关的因素

　　现在的中心机站一般都有浮充检控，对没有检控的机站，运维人员也会每隔一段时间去检测电池浮充电压的大小。但是电池的浮充电压大小并不能较好地反应出电池内部状态的可靠性，经常有浮充电压很正常的电池，其容量已很小的情况。

　　多年来，通过对大量容量严重偏低且失效电池的分析及解剖，发现失效的原因主要有以下两种类型：

　　第一种类型：汇流排及板耳腐蚀断裂。一般有以下特点：

　　a） 负极汇流排及负极板耳腐蚀严重， 负极板耳与负极汇流排基本腐蚀脱离；

　　b） 正汇流排与正板耳完整， 无明显腐蚀迹象；

　　c） 正极板完整， 无明显变形膨胀现象， 活性物质无明显的糊状；

　　d） 正极板栅较完整；

　　e） 负极板完整， 不发硬， 无明显硫酸盐化之迹象。

　　也就是说， 对于第一种失效类型， 电池除了汇流排与板耳腐蚀断裂外， 其余部分都正常。

　　第二种类型： PCL 现象。

　　一般有以下特点：

　　a） 正极汇流排与正极板耳完整， 无明显腐蚀之现象；

　　b） 负极汇流排与负极板耳完整， 无明显穿透型腐蚀；

　　c） 正极板完整， 无明显变形膨胀现象， 活性物质无明显的糊状；

　　d） 正极板栅较完整；

　　e） 负极板完整，不发硬，无明显硫酸盐化之迹象；

　　f） 正极板发生早期容量损失现象， 使电池容量很小。

　　所以，影响VRLA 电池容量可靠性的因素主要有两个：第一个是汇流排与板耳的腐蚀状况，主要是负极汇流排与负极板耳的腐蚀状况。第二个就是所谓的PCL 现象，即早期容量损失现象。对于VRLA 电池，主要是正极板的早期容量损失现象。

　　7 VRLA 电池可靠性检测方法

　　对使用期为3 年以内的VRLA 电池组，每年做一次容量检测，将C10 容量比同组电池中最高容量低10 %以上的电池换掉。

　　对使用3 年以上的电池组，每年检查一次汇流排与板耳的腐蚀情况，然后再作容量检测，具体操作方法如下：

　　（1） 分组检测，检测时应断开熔丝；

　　（2） 开阀；

　　（3） 用内窥镜（即胃镜） 伸入电池气室内，观察汇流排与板耳的腐蚀情况，检查时应注意不要损伤隔板；

　　（4） 如汇流排与板耳腐蚀较严重：汇流排有断裂现象，部分板耳与汇流排有腐蚀断裂现象，则应将该电池更换掉，且这样的电池不能再做容量恢复，应直接报废（如图1）；

图1 腐蚀的板耳和汇流排

　　（5） 对汇流排完整，板耳与汇流排焊接牢固的电池才可继续进行以下检测（图2）；

图2 正常的板耳和汇流排

　　（6） 盖阀；

　　（7） 容量检测，分类及恢复：对汇流排及板耳完整，无明显腐蚀的电池作容量检测；将容量明显偏低的电池挑出，集中处理；作容量恢复。

　　在几年前就已有较为成熟的方法对产生PCL现象的电池作容量恢复，能使90 %以上的电池完全恢复容量，其余不足10 %的电池也能使其容量得到大幅度的提高，至目前为止已成功处理并恢复了几万只电池。

　　VRLA 备用电源浮充使用过程中，常有落后电池产生，这与现行VRLA 备用电源充电方式有较大的关系，具体讨论如下。

　　8 对现行VRLA 备用电池组充电方式的检讨及改进

　　8.1 现行VRLA 备用电池组充电方式

　　电池组平时处于浮充状态，每隔3 个月左右均充一次，均充时间12 h 左右。

　　8.2 现行VRLA 备用电池组充电方式的效果

　　现行VRLA 备用电池组浮充加定期均充的充电方式并不能很好的保证电池组中的每一只电池都处于充足电的状态。VRLA 备用电池组中的各个电池单体状态不可能完全一致，总存在一些容量相对落后的电池单体，原因在文献[1]中已有较详细的论述。

　　电池组在浮充状态下，并不能使落后的电池单体完全充电，因为在浮充（恒压限流充电） 情况下，电池组中容量相对较高的电池端电压上升较快，从而使整组电池的浮充限流值下降较快，使相对落后的电池单体充电不足。

　　部分电池单体长期充电不足，会造成电池内部部分活性物质的硫酸盐粗晶粒化，使充电时电池内硫酸铅转化为活性物质变得较困难[1]。随着时间的延长，落后电池中活性物质的硫酸盐粗晶粒化越来越严重，使落后电池容量下降较快。即使定期的均充电也不能使落后电池的粗晶粒的硫酸铅全部转化为活性物质，这是因为长期浮充后，再转入均充，电池组的充电电压上升较快，使均充大电流充电时间较短，均充电流下降较快，从而不能有效地“冲刷”粗晶粒的硫酸铅，使其不能完全溶解而转化为活性物质。

　　所以，现有的长期浮充加定期均充的充电方式并不能较好的保证落后电池及时充足电，也就不能很好地避免VRLA 备用电池组中有容量很小的电池单体出现。

　　8.3 充电方式的改进

　　只有用大电流较长时间充电，使电池温度上升，才能使粗晶粒的硫酸铅溶解度提高；在大电流“冲刷”下，易使粗晶粒的硫酸铅细化，使其更易溶解；大电流较长时间的充电能起到“搅拌”电解液的作用，减少分层，提高硫酸铅的溶解度，提高充电效率。关于电解液分层对电池充/ 放电的影响，在文献[1]中已有所论述。溶解的硫酸铅在充电情况下，才易转化为活性物质。

　　均充电时，只有先对电池组放电，然后再均充电，才能保证均充时有较长时间的大电流充电，使落后电池及时充足电。所以，现有的VRLA 备用电源充电方式：长期浮充＋定期均充电方式，应改为：长期浮充＋定期放电＋定期均充方式；或者改为：静置＋定期放电＋定期均充方式。

　　这就需要VRLA 备用电源运行维护人员及相关人员在长期的实践中逐渐提高认识，而且需要开关电源厂家认识的提高及配合，以合适的充/ 放电程序设置来促进VRLA 备用电源中的落后电池及时充足电，从而提高VRLA 备用电池组容量的可靠性。

　　9 建议

　　VRLA 备用电池组系统至少应有两组以上的电池组并联，以提高电池组的可靠性。取消电池组的长期浮充＋定期均充电的充电制度，对并联电池组中的每组电池改为：定期放电、均衡充电、再停止充电一段时间，并以此循环，具体如下：

　　（1） 采用自动（或手动） 切换系统，先将并联电池组中的其中一组电池与其余电池组分离，再对这组电池负载放电，放出容量为该电池组额定容量的40 %左右，并在脱离电压前将负载切换为市电供电；

　　（2） 电池组负载放电后，再对电池组均衡充电，均衡充电时间一般为24 h 左右。

　　（3） 均衡充电完成后，对电池组停止充电，停充时间一般可设2 个月左右。

　　（4） 然后再按上述3 步循环。

　　（5） 一组电池均衡充电完成后，通过自动（或手动） 切换系统，再对其余的电池组分别作相同的放电、均衡充电、停止充电、循环。

　　或将电池组长期浮充＋定期均充电的充电制度改为长期浮充＋定期放电＋定期均充的方式。定期负载放电电量一般可定为：30 %~40 %C10。

　　VRLA 备用电池组充电方式的改进，需要开关电源厂方的配合，使开关电源能自动完成上述功能的充电方式，从而大大减少运维的工作强度。对使用3 年以上的VRLA 电池组，再按前面第7 节中所述内容做汇流排及板耳的腐蚀状态检测。