段緒偉 劉小慶 麥爾丹·吾拉木 姜威威 孫寧

［摘 要］鉛酸蓄電池自1859年被法國化學(xué)家發(fā)明以來，以其造價(jià)低廉、安全性高、運(yùn)行穩(wěn)定和使用壽命長等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信、運(yùn)輸、金融、電力和建筑等行業(yè)。鉛酸蓄電池的服役狀態(tài)和實(shí)際輸出容量監(jiān)測對(duì)電力設(shè)施的安全運(yùn)行具有重要意義。為確保電力系統(tǒng)后備電源供電的可靠性，必須對(duì)鉛酸蓄電池的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。鉛酸蓄電池的電壓、內(nèi)阻和溫度等參數(shù)與蓄電池的性能直接相關(guān)，因此監(jiān)測這些參數(shù)可以預(yù)測蓄電池的健康狀況。

［關(guān)鍵詞］鉛酸蓄電池；健康監(jiān)測；梯次利用

［中圖分類號(hào)］TM7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鉛酸蓄電池作為一種重要的儲(chǔ)能設(shè)備，在電網(wǎng)中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，由于長期使用和不可避免的老化，鉛酸蓄電池存在著容量衰減、內(nèi)阻增加等問題，嚴(yán)重影響其性能和壽命［1］。因此，對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行健康監(jiān)測和梯次利用顯得尤為重要。鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中的健康監(jiān)測及梯次利用對(duì)于提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。通過健康監(jiān)測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決蓄電池問題，延長其使用壽命；而通過梯次利用，可以實(shí)現(xiàn)蓄電池資源的最優(yōu)配置，提高能源利用效率。因此，在電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)營中，應(yīng)高度重視鉛酸蓄電池的健康監(jiān)測及梯次利用，以推動(dòng)電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展和智能化升級(jí)。

1 鉛酸蓄電池原理及特性

鉛酸蓄電池由正極板、負(fù)極板、隔板、電解液正負(fù)極接線柱、安全閥和外殼構(gòu)成，其中并聯(lián)焊接的正（負(fù)）極板是活性物質(zhì)的載體。PbO2是正極的活性物質(zhì)，海綿纖維狀Pb是負(fù)極的活性物質(zhì)，該結(jié)構(gòu)可減緩鉛酸蓄電池的自放電，長時(shí)間維持蓄電池容量。隔板一般由超細(xì)玻璃棉組成，不僅可防止正負(fù)極板短路，而且是電解液水和硫酸的載體，同時(shí)也是電池充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣進(jìn)入負(fù)極的通道。鉛酸蓄電池的電解液為稀H2SO4，由于蓄電池采用貧液式設(shè)計(jì)，電解液被吸附在極板和超細(xì)玻璃棉內(nèi)。閥控式鉛酸蓄電池的正負(fù)極板在H2SO4溶液中由于發(fā)生不同的電極反應(yīng)而產(chǎn)生不同的電極電位。鉛酸蓄電池在放電時(shí)，兩極板都會(huì)不斷反應(yīng)生成PbSO4。由于PbSO4導(dǎo)電性較差，在放電過程中，鉛酸蓄電池的內(nèi)阻會(huì)不斷增大。此外，隨著放電不斷進(jìn)行，硫酸逐漸被消耗，導(dǎo)致電解液中硫酸濃度逐漸減小。在蓄電池貯存期間，還可能存在副反應(yīng)，負(fù)極析出H2，正極析出O2。鉛酸蓄電池充電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)是其放電時(shí)的逆反應(yīng)，同時(shí)充電期間水的分解會(huì)造成電解液失水，導(dǎo)致其容量下降。近年來，鉛酸蓄電池在材料和結(jié)構(gòu)上均有改進(jìn)，如以鉛鈣錫鋁四元合金作為負(fù)極板以提高析氫過電位，進(jìn)而抑制H2析出。利用負(fù)極氧吸收技術(shù)，充電后期正極析出的O2通過隔板中預(yù)留的氣體通道達(dá)到負(fù)極表面而被還原為水。研究表明，充電達(dá)70 %時(shí)正極開始析出O2，而充電達(dá)90%負(fù)極才產(chǎn)生H2。因此，鉛酸蓄電池負(fù)極的活性物質(zhì)一般過量，以確保使用過程中不會(huì)產(chǎn)生多余H2，也不會(huì)有水的損失，從而提高其循環(huán)壽命，但實(shí)際使用過程中不可能保證H2與O2的析出量達(dá)到平衡。因此，為了避免鉛酸蓄電池內(nèi)部不會(huì)因氣體累積而造成壓力逐漸增大，閥控式鉛酸蓄電池蓋上會(huì)安裝單向安全閥。

2 鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中的健康監(jiān)測方法

2.1 容量測試

容量是衡量蓄電池性能的重要指標(biāo)之一。通過定期進(jìn)行容量測試，可以了解蓄電池的實(shí)際容量是否與設(shè)計(jì)容量相符。容量測試可以采用放電法或充放電法進(jìn)行，根據(jù)測試結(jié)果來判斷蓄電池的健康狀況［2］。

2.2 內(nèi)阻測試

內(nèi)阻是蓄電池的另一個(gè)重要參數(shù)，它反映了蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)速度和能量轉(zhuǎn)化效率。通過測量蓄電池的內(nèi)阻，可以判斷其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)是否正常，內(nèi)阻是否增加。內(nèi)阻測試可以采用交流內(nèi)阻儀或直流內(nèi)阻儀進(jìn)行。

2.3 溫度監(jiān)測

溫度是影響蓄電池性能和壽命的重要因素之一。高溫會(huì)導(dǎo)致蓄電池的容量衰減加快，內(nèi)阻增加，降低蓄電池的壽命。因此，在電網(wǎng)中，需要對(duì)蓄電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以確保其工作在適宜的溫度范圍內(nèi)。

2.4 電壓監(jiān)測

電壓是判斷蓄電池狀態(tài)的重要參考指標(biāo)。通過定期監(jiān)測蓄電池的電壓，可以了解其充電和放電狀態(tài)，以及是否存在異常。例如，電壓過低可能表示蓄電池容量不足或壽命接近盡頭，而電壓過高可能表示充電過度或內(nèi)部故障［3］。

2.5 周期測試

周期測試是一種模擬實(shí)際使用環(huán)境的測試方法，通過多次充放電循環(huán)來模擬蓄電池的實(shí)際使用情況。周期測試可以評(píng)估蓄電池的性能衰減程度和壽命預(yù)測，判斷其是否需要更換或維修。

2.6 智能監(jiān)控系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，智能監(jiān)控系統(tǒng)在鉛酸蓄電池健康監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。智能監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障診斷和預(yù)警功能。這種方法可以提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理蓄電池的問題［4］。

3 鉛酸蓄電池典型故障及原因

極板硫酸鹽化閥控式鉛酸蓄電池須避免過度放電，尤其是深度放電。若鉛酸蓄電池長期充電不足或處于半放電狀態(tài)下長期儲(chǔ)存，將會(huì)使正負(fù)極板上生成堅(jiān)硬而粗大的PbSO4結(jié)晶，PbSO4長期存在會(huì)導(dǎo)致電池放電容量降低。隨著PbSO4的積累，極板的孔隙率逐漸減小，進(jìn)而引起蓄電池內(nèi)阻提高，電極反應(yīng)速率下降，蓄電池的使用壽命逐漸降低。為了有效阻止極板硫酸鹽化，延長蓄電池壽命，須使蓄電池處于充足電狀態(tài)下，同時(shí)嚴(yán)禁過度放電情況的發(fā)生。

負(fù)極匯流排腐蝕是閥控式鉛酸蓄電池固有結(jié)構(gòu)引起的一種失效模式。由于閥控鉛酸蓄電池的電解液只能浸潤極耳底部，難以到達(dá)極耳上部和匯流排，隔板以上的匯流排、極柱連接部位均處于氧氣氛圍中，易發(fā)生腐蝕。當(dāng)腐蝕嚴(yán)重時(shí)，匯流排會(huì)發(fā)生粉化導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度下降，在應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，引起電池?cái)嗦肥А?/p>

熱失控蓄電池相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在充電過程中產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散發(fā)，進(jìn)而逐步損壞電池。熱失控將導(dǎo)致鉛酸蓄電池鼓包、漏氣和容量下降，甚至發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重后果。充電電壓過高是導(dǎo)致蓄電池?zé)崾Э氐闹饕?。研究發(fā)現(xiàn)，在25℃時(shí)，鉛酸蓄電池單格在2.35 V電壓下浮充4個(gè)月將引發(fā)電池的熱失控。控制浮充電壓是避免鉛酸蓄電池出現(xiàn)熱失控最有效的手段之一。

在失水與正極板腐蝕鉛酸蓄電池充電過程中，正極會(huì)發(fā)生水的分解。在正常狀況下，由于鉛酸蓄電池的負(fù)極氧吸收技術(shù)，蓄電池內(nèi)部并不會(huì)損失水。然而，蓄電池過充電會(huì)加速水的分解反應(yīng)，正極析出大量O2，負(fù)極析出大量H2。不斷產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致鉛酸蓄電池內(nèi)部壓力增大，需要通過排氣閥向外排氣，這將導(dǎo)致電解液中水分減少，造成電解液中硫酸濃度提高，進(jìn)而促進(jìn)正極板的腐蝕。相關(guān)資料表明，當(dāng)水損失達(dá)到3.5mL/Ah時(shí)，鉛酸蓄電池容量降至75 %以下；當(dāng)水損失達(dá)到25 %時(shí)，蓄電池將會(huì)完全失效［5］。需要指出的是，一些因失水而引起容量下降的蓄電池，經(jīng)加水后可使蓄電池容量恢復(fù)到接近正常值。

4 鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中的梯次利用

4.1 備用電源

鉛酸蓄電池可以作為電網(wǎng)的備用電源，用于應(yīng)對(duì)突發(fā)停電或電網(wǎng)故障等情況。當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時(shí)，蓄電池可以迅速啟動(dòng)，為關(guān)鍵設(shè)備或重要負(fù)載提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，確保生產(chǎn)運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

4.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)

鉛酸蓄電池可以用于電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，即在電網(wǎng)負(fù)荷需求波動(dòng)較大時(shí)，通過充放電控制蓄電池的輸出功率，平衡電網(wǎng)供需關(guān)系。在高負(fù)荷時(shí)段，蓄電池可以釋放儲(chǔ)存的電能，為電網(wǎng)提供額外的負(fù)荷支撐；而在低負(fù)荷時(shí)段，蓄電池可以充電儲(chǔ)存電能，以備后續(xù)使用。

4.3 峰值削減

鉛酸蓄電池可以用于電網(wǎng)的峰值削減，即在電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)，通過蓄電池的放電來提供額外的電力支持，減輕電網(wǎng)的負(fù)荷壓力。這種方式可以有效平衡電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，降低電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

4.4 頻率調(diào)節(jié)

鉛酸蓄電池可以用于電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，即在電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大時(shí)，通過蓄電池的充放電調(diào)節(jié)電網(wǎng)的頻率，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)頻率偏高時(shí)，蓄電池可以吸收多余的電力進(jìn)行充電；而當(dāng)電網(wǎng)頻率偏低時(shí)，蓄電池可以釋放儲(chǔ)存的電能，提供額外的電力支持。

4.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助服務(wù)

鉛酸蓄電池可以作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的一部分，提供輔助服務(wù)。例如，在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池可以儲(chǔ)存多余的電能，以備不足時(shí)使用；在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，蓄電池可以提供穩(wěn)定的電力輸出，平衡電網(wǎng)的供需關(guān)系。

5 鉛酸蓄電池注意事項(xiàng)

5.1 充電和放電控制

在充電和放電過程中，需要嚴(yán)格控制電流和電壓，以避免過充和過放。過充會(huì)導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)失控，產(chǎn)生氣體和熱量，增加蓄電池的壓力和溫度，甚至引發(fā)火災(zāi)或爆炸。過放則會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量衰減和壽命縮短。因此，應(yīng)使用合適的充放電設(shè)備和控制系統(tǒng)，確保充放電過程的安全和穩(wěn)定［6］。

5.2 溫度控制

鉛酸蓄電池的工作溫度范圍通常為-20℃至50℃。在使用過程中，應(yīng)盡量避免過高或過低的溫度環(huán)境。高溫會(huì)加速蓄電池的容量衰減和內(nèi)阻增加，降低蓄電池的壽命。低溫會(huì)影響蓄電池的充放電效率和容量。因此，在安裝和使用蓄電池時(shí)，應(yīng)選擇合適的環(huán)境和控制溫度［7］。

5.3 維護(hù)和保養(yǎng)

定期維護(hù)和保養(yǎng)是保持鉛酸蓄電池正常運(yùn)行的關(guān)鍵。需要定期檢查蓄電池的外觀、連接線路和絕緣狀況，確保其沒有損壞和腐蝕。同時(shí)，還需要定期清潔蓄電池表面和端子，清除可能的污物和氧化物，以確保良好的接觸和導(dǎo)電性能。此外，還需要定期檢測蓄電池的容量、內(nèi)阻、溫度等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。

5.4 安全操作

在操作鉛酸蓄電池時(shí)，需要遵循安全操作規(guī)程，確保人員和設(shè)備的安全。例如，要正確連接和安裝蓄電池，確保正負(fù)極接線正確，避免短路和反極性連接。同時(shí)，要避免對(duì)蓄電池施加過大的壓力和振動(dòng)，以防止蓄電池的損壞和泄漏。在處理廢舊蓄電池時(shí)，要遵循環(huán)保和安全的處理方法，防止對(duì)環(huán)境和人體造成污染和傷害。

5.5 廢舊蓄電池處理

廢舊鉛酸蓄電池屬于有毒廢物，對(duì)環(huán)境和人體有嚴(yán)重的危害。因此，在廢舊蓄電池的處理過程中，需要遵循相關(guān)的環(huán)保法規(guī)和規(guī)范，采取合適的處理方法。一般而言，廢舊蓄電池應(yīng)交由專業(yè)的回收機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理和回收利用，以減少對(duì)環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。

6 結(jié)語

為確保鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中安全可靠地作為后備電源運(yùn)行，必須對(duì)其健康狀況進(jìn)行有效實(shí)時(shí)監(jiān)測。因?yàn)閷?duì)鉛酸蓄電池電壓的監(jiān)控較為簡便，所以利用鉛酸蓄電池電壓對(duì)其健康狀況的評(píng)估在電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)用較廣。利用內(nèi)阻評(píng)估的交流注入法由于無須處于靜態(tài)或脫機(jī)狀態(tài)下就可檢測，不影響鉛酸蓄電池壽命，也是一種值得關(guān)注的評(píng)估手段?；诙鄥?shù)的監(jiān)測管理以評(píng)估鉛酸蓄電池健康狀況則是未來的主要發(fā)展方向。此外，為保障電網(wǎng)的用電安全，鉛酸蓄電池在使用一段時(shí)間后需要強(qiáng)制退役，然而相當(dāng)部分電網(wǎng)退役下來的蓄電池狀態(tài)較好，可用于某些要求并不十分嚴(yán)格的場景，實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的梯次利用。然而，現(xiàn)階段我國電網(wǎng)用鉛酸蓄電池的梯次利用缺少相關(guān)規(guī)章制度，電網(wǎng)企業(yè)對(duì)潛在的梯次利用下游用戶需求了解不透徹，而下游用戶由于對(duì)電網(wǎng)退役鉛酸蓄電池性能了解不充分導(dǎo)致信任度不高，導(dǎo)致電網(wǎng)用鉛酸蓄電池梯次利用程度較低。因此，有必要進(jìn)一步健全規(guī)章制度、統(tǒng)籌發(fā)展，從源頭上為促進(jìn)鉛酸蓄電池的梯次利用提供制度保障。

參考文獻(xiàn)

［1］王鵬程，朱長青. 鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］. 電源技術(shù)，2020，44（4）：636-639.

［2］張菲菲，王俊霞，楊勇，等. 閥控鉛酸蓄電池的性能檢測和監(jiān)控方案［J］. 電力與能源，2020，41（1）：80-83.

［3］王淑秀，司志澤. 鉛酸蓄電池充放電在線監(jiān)控技術(shù)研究［J］. 輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019（6）：72-73.

［4］張端陽，郭樹滿. 鉛酸蓄電池在線檢測儀的設(shè)計(jì)［J］. 儀表技術(shù)與傳感器，2019（6）：29-32.

［5］袁鈺. 鉛酸蓄電池精準(zhǔn)維護(hù)探索與實(shí)踐［J］. 江西通信科技，2019（2）：31-35，37.

［6］毛猛. 閥控鉛酸蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］. 鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2019.

［7］劉重陽. 鉛酸蓄電池在線監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［D］. 北京：華北電力大學(xué)（北京），2019.