桂长清 柳瑞华
关键词:通信电源 可靠性 蓄电池
摘 要:论述了通信用阀控式密封铅蓄电池组常见故障出现的原因和解决方法，早期诊断和预防蓄电池组可能出现的故障，以期延长电池寿命，确保通信电源系统的可靠性。
1 电池早期失效
1.1 早期失效及其危害性
早期失效指的是一些阀控式密封铅蓄电池组在使用过程中，只有数个月或1年其电容量就低于额定值的80％；或整组电池虽然普遍很好，但其中个别电池的性能急剧变差。
电池组中若有个别电池失效，那么恒电流充电时一是电压会迅速升高，即在整组电池尚未充足电时失效电池已处于过充电状态，电池温度升高失水速度加大，并导致整组电池充电电压升高；二是会引起整组电池充电电流下降，延长充电时间。
若个别电池出现内部短路时，其充电电压就低于其他电池，当整组电池已充足电时，该落后电池却尚未充好。长此下去就会出现恶性循环，影响整组电池性能。
多组并联使用的蓄电池组中若有一组电池失效，则在充电时会出现各组电池充电电流不匀（即偏流）现象。若发展下去，会导致正常的蓄电池组提前失效。
1.2 早期失效原因与对策
1.2.1 电池设计欠妥
实践表明，电池中正负极板跟玻璃纤维隔板中电解液脱离接触是导致密封铅蓄电池早期失效的根本原因。为此，应当适当提高极群组装压力，使AGM隔板压缩率达到15％～20％；同时适当增加电解液量，并在电池外壳强度允许的条件下适当提高气阀的开启压力，以减少开阀次数和失水。
1.2.2 生产工艺和原材料
个别早期失效电池的出现，一般是由于生产过程中的个别偶然因素引起的。比如组焊极群时有微小铅粒落入极群中，电池加酸量控制不严，不合格部件装入电池，某些原材料不合格等。为此，必须严格控制各工序的质量。
1.2.3 维护工作跟不上
过去有人把阀控式密封铅蓄电池称之为免维护电池，在使用过程中不去注意维护，使电池性能迅速变差。所以应当消除这一误解，明确电池维护工作是延长电池寿命的关键性因素。
为避免蓄电池组中混入早期失效电池，建议在新电池装入电源系统之前进行一次检查性深放电，即以10时率放电电流放至1.80V左右，然后再充足电装进电源系统之中。如果各个电池放电终止前的电压差别不大，比较均匀，则本组电池性能一定不错；如若其中个别电池电压下降很快，则很可能是落后电池，必须查明原因采取措施。
2 电池失水
2.1 电池失水及其危害性
阀控式密封铅蓄电池是在“贫液”状态下工作的其电解液完全贮存在多孔性的隔膜之中。一旦失水，电池放电容量就要下降。当水损失达到3.5ml／Ah时，电池容量会降至初始容量的75％以下；当水损失达到25％时，电池寿命将会终止。
使用效果表明，当前大部分阀控式密封铅蓄电池组容量下降的原因，都是由电池失水造成的。前节已经指出，一旦电池失水，就会引起电池正负极板跟隔膜脱离接触或供酸量不足，引起电池放不出电来。
2.2 电池失水的原因
2.2.1 气体复合不完全
标准中规定了气体复合效率>95％，实际上正常状态下可以使复合效率达到97％～98％，也就是说总会有2％～3％的氧从电池内部溜出来。这部分氧来源于电解水反应，其量虽小，但数年累积起来其量就是可观的了。
如果电池灌酸量太多，则气体复合效率会进一步降低。
2.2.2 电池密封不好或单向阀太松
这是造成充电产生的氧逸出电池的重要原因。尤其是在均衡充电或补充充电时，由于充电电压提高了，析氧量就增大，电池内部压力增大，一部分氧来不及复合就冲出单向阀外逃。 为此，在电池外壳强度允许的条件下，尽量提高单向阀的开启压力。
2.2.3 浮充电压控制不严
通信用阀控式密封铅蓄电池一直都是处于浮充状态下工作的，浮充电压选择是否妥当对电池寿命影响极大。浮充电压选得偏高或电池温度升高时，若没有及时将浮充电压调下来，就会加速电池失水过程。
2.3 减少电池失水的措施
这一工作要由电池生产厂家和用户协力进行，下边只就维护过程提出几点意见。
（1）正确选择及时调整浮充电压
浮充电压过高，电解水反应加剧，析气速度大，失水量必然增大；浮充电压过低，虽然可降低失水速度，但容易引起极板硫酸盐化。因而必须根据电源系统负荷电流大小、停电频次以及电池温度和电池组新旧程度及时调整浮充电压。表1列出了不同温度时的浮充电压值，供参考。
（2）尽可能使环境温度保持在20℃±5℃，这样方可保持电池内部温度不超过30℃，短时间内也不超过35℃。
（3）定期检测电池内阻（或电导）
目前一些单位用电导仪测电池电导，以此判断电池质量状态。可是当电池组电容在50％以上时，测得的电导值几乎没有变化，只是在低于50％时其电导值才会迅速下降。因而对使用中的蓄电池组（容量均在80％以上）不能用电导（或内阻）来估算电池容量，当然也就不能预测电池的使用寿命。然而对同一电池而言，一且发现内阻异常增大，则很可能是失水所致，其结果必然导致容量下降。
（4）适当补加蒸馏水
使用一段时间的阀控式密封铅蓄电池，如果出现内阻很快增加，那么可设法补加一些蒸馏水，电池容量将会有所改善。加水时不要加得太多，以免堵塞气体通道，影响氧气复合。当然，如果电池出现硫酸盐化或电池处于寿命后期，即使补加水也是无济于事的。
3 电池热失控
阀控式密封铅蓄电池如果使用、维护不当，则会使电池内的温度和电流发生一种积累性的相互增强作用，使电池温度迅速升高。轻者会使电池槽变形“鼓肚子”，导致电池失效；重者还会波及到整个通信电源系统，使电路和设备蒙受损失。
3.1 出现热失控的原因
3.1.1 氧复合反应
2pb＋O2→2PbO＋Q1 Q1＝219.2kJ／mol（1）
PbO＋H2SO4→PbSO4＋H2O＋Q2
Q2＝172.8kJ／mol（2）
氧复合反应是放热反应，它将导致电池温度升高，如不及时下调浮充电压就会使浮充电流加大，后者又引起析氧量加大，复合反应加剧。如此反复积累，将会导致电池出现热失控。
3.1.2 电池结构紧凑
阀控式密封铅蓄电池必须紧凑装配，电解液贮存在多孔性隔板中，这样散热比较困难。它不象开口式自由电解液铅蓄电池可以在充电析气时搅拌电解液，有利于散热。当电池内部有局部短路时，电池温度会升得更高。
3.1.3 电池周围环境温度升高
在夏天或野外，气温会升得较高，超过35℃以上，此时浮充电流就相应增加。若不及时降低浮充电压，则会使电池温度迅速升高。
3.2 预防措施
虽然阀控式密封铅蓄电池本身在不断放热并且散热困难，但只要采取适当措施并认真进行维护，热失控是可以防止的。
（1）正确选择及时调整浮充电压
这一措施至关重要，已在上节论述，此处不再重复说明。
（2）注意检测电池温度
氧复合反应是在负极上进行的，因而负极的温度应当最高；再者极柱和板栅是金属，是热的良导体，它对电池温度升高的敏感性肯定比外壳要强，因而建议不断监测负极柱温度，尤其是夏天或中午时，要特别注意电池温度升高。
（3）加强电池室的通风管理，最好是装空调，以防环境温度升高。
4 电池性能的劣化
4.1 对通信电池均匀性的要求
在YD／T799－1996《通信用阀控式密封铅蓄电池技术要求和检验方法》中规定：通信用阀控式密封铅蓄电池组中各单电池的开路电压之差不大于20mV；在通信用阀控式密封铅蓄电池的使用维护规定中，要求各单电池的浮充电压之差应当在平均电压的±50mV之内，即允许浮充电压的最高值与最低值相差不大于100mV。前一要求通常是可以满足的，后一要求在电池寿命中后期是比较难达到的。
上述对电池开路电压和浮充电压均匀性的规定，只包含最大值和最小值之差，即极差。建议采用数理统计学中采用的标准差λ来衡量蓄电池组的均匀性。
（3）式中Xi表示蓄电池组中各单块电池的开路电压或浮充电压值，-X表示上述数值的平均值，n代表蓄电池组中包括的电池数。
4.2 影响电池均匀的因素
4.2.1 电池原材料和半成品的规格和质量
原材料中的有害杂质会降低电池的浮充电压，加速电池自放电。隔板和极板厚度和吸酸量的不均匀性也会使浮充电压不匀。
4.2.2 单向阀的开启和关闭压力
电池在长期使用过程中很难做到使单向阀的开启和关闭压力始终保持均匀一致。开启压力大的电池极群上部空间的气体压力大，则浮充电压就高，反之亦然。
4.2.3 注酸量
阀控式密封铅蓄电池是贫液设计，电池的放电容量常常受酸量控制，因而其浮充电压时电池的注酸量非常敏感。
4.2.4 电池生产工艺的控制
对阀控式密封铅蓄电池生产工艺的要求比自由电解液式电池要苛刻得多。只有在每道工序上都按工艺规定要求去做，才能最大限度地保持电池性能的均匀性。
4.3 蓄电池组均匀性的变化
4.3.1 开路电压
理论电化学早已指出，电池的开路电压V0是电池中用以贮存或释放电能的电极体系热力学状态的反映。一旦电极体系确定了并且电解液浓度也确定了，那么电池的开路电压也就确定了。该电压值跟电极上的PbO2和Pb以及PbSO4的量无关，只受电解液浓度的影响，它们之间可用经验公式（4）来表示：
V0＝0.84＋d （4）
式中d为电池中的电解液密度值（g／cm3）。
对开口式铅蓄电池而言，由于d跟电池容量之间有线性关系，因而可以利用（4）式估计电池的容量；但对密封铅蓄电池而言都不太合适，因为有时会出现极板和隔板之间接触不良而影响电池容量。当然也就不能用各单块电池的开路电压值来衡量电池的质量状态了。
4.3.2 端电压
端电压是电池中有电流流过（充电或放电）即有电极反应进行时的电压，比如浮充电压、均充电压、放电电压等，它是电极体系的热力学和动力学状态的综合反映。在各种化学电源中，人们都是以端电压来判断电池充电或放电进行的程度。因而对阀控式密封铅蓄电池来说，用电池组充电或放电时各个电池端电压来衡量电池组的均匀性是恰当而又方便的。
4.3.3 电池性能均匀性的变化
10余年的跟踪统计结果表明，自由电解液铅蓄电池在使用过程中，其恒流充电电压是逐渐下降的，放电电压是逐渐升高的，各个电池电压之间的差别也越来越大，即λ值逐渐增大，充电后电池电解液密度逐渐下降，放完电后电解液密度逐渐升高，它们的标准差也逐渐加大，即电池的均匀性逐渐变差，如表2所示。
就阀控式密封铅蓄电池而言，国内外使用时间还不太长，积累的数据也不够充分和系统，但就现有的数据来看，新电池浮充电压不稳定，使用半年左右达到最佳状态；在电池寿命中后期浮充电压的均匀性就越来越差了，跟自由电解液铅蓄电池有着同样的趋势。因而对通信电源系统中的阀控式密封铅蓄电池组而言，只要各单块电池的浮充电压比较均匀，即λ较小，那么用户可以放心使用。一旦电池的均匀性变差，即λ增大，则意味着该组电池已进入寿命后期，其放电容量也接近80％，电池组中就会出现落后电池。如果此时电池的电导值也有下降，则可能是失水所致，补加水之后会有好转；否则必须认真监视电池，直到电池寿命结束。
5 延长电池使用寿命的有效措施
电池的设计和生产工艺决定了蓄电池组的固有可靠性，电池组的使用维护则是保证了蓄电池组的可靠性。以下只从使用维护的角度提出几点意见和采取的措施。
（1）尽量使电池处于充足电状态。铅蓄电池放电产物是PbSO4，若不及时充电将会转化为Pb和PbO2，那么PbSO4晶体就发生变化失去活性，引起极板硫酸盐化，降低电池容量，缩短电池寿命。
（2）正确选择并及时调整浮充电压。这一措施对防止电池失水和热失控至关重要。
（3）尽可能使电池的环境温度保持20℃～25℃。虽然电池允许的工作温度范围为-15℃～+45℃，但电池的最佳工作温度应当为25℃左右。
（4）定期（最好是半年左右）对电池进行治疗性充放电，即用20时率放电至1.80V，然后充足电再继续使用。
6 小结
（1）为使通信电源系统中阀控式密封铅蓄电池安全可靠地工作，除了要保证电池的质量外，还应当加强蓄电池组的使用维护工作，使其尽可能在最佳条件下运行。
（2）蓄电池组中各单块电池充电或放电电压的均匀性是衡量和判断电池质量状态的重要标志。
