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阀控铅酸蓄电池在线监测系统设计及SOC估算研究.pdf
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1、中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术 98 阀控铅酸蓄电池在线监测系统设计及 SOC 估算研究 马朋飞1 李旻松2 郭志成2 1.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南 昆明 650000 2.云南电网有限责任公司红河供电局,云南 红河 661400 摘要:摘要:阀控铅酸电池(VRLA)作为应急能量供应系统(EPS)的能量核心,在城市停电期间,EPS 利用其储存的能量为关键设备提供持续的能量供应。在现实生活中,铅酸蓄电池的维修工作主要是靠手工进行定期巡检,但是,因为巡检的时间很长,而且在使用过程中会出现过充电、过放等不好的情况,导致蓄电池无法达到预期的寿命而被淘汰。在 EPS 中,蓄电池是以
2、一组为单位组成的,单块蓄电池的老化将会引起整组蓄电池的不稳定,严重时还会引发安全事故。所以,通过在使用期间对蓄电池的工作状态进行实时监控,可以实现对异常情况的及时掌握,并对退化的电池进行及时替换,进而保证 EPS 的稳定运行。关键词:关键词:阀控铅酸蓄电池;电池模型;在线监测系统 中图分类号:中图分类号:TM912 VRLA 电池(VRLA 电池)是各种电力系统中普遍使用的一种直流备用装置。在日常不停电时,要保证浮动充电,如果有交流线路或传统线路出现故障而停电,蓄电池启动,保证照明、机组、主机等设备的正常运转,为事故的处理和抢修赢得了宝贵的时间。当蓄电池不能正常工作时,就会对与其有关的电网和电
3、器设备产生潜在的危害,从而引发事故,造成重大的经济损失。在实际的使用过程中,电池的问题比较多。首先,不同厂商之间在原材料,工艺,技术上存在着很大的差别,导致了电池性能的集中程度不高。其次,电池组之间通常是相互连接的,只要有一处出现了故障,就会影响到相邻的电池组,从而影响到整个电池组的性能。第三,电池的使用寿命和性能与标签上所标注的有较大的差异,常常无法达到标签上所标注的标准。还有就是,装好了,也没有专人看管,也没有专人负责保养。因此,有必要对 VRLA 电池组的工作状态进行实时监测。1 阀控铅酸蓄电池工作原理 1.1 蓄电池工作原理 阀控密封铅酸电池的充电和放电过程的电化学反应机理,与常规铅酸
4、电池的充电和放电过程中的电化学反应机理是一样的,用二氧化铅(PbO2)作为阳极,用铅(Pb)作为阴极,用稀硫酸(H2SO4)作为电极溶液。当电池充放电时主反应式如下:阳极:OHpbsoeHSOHpbo24_422222(1)阴极:_44222eHPbSOSOHPb(2)整体电池反应方程式为:OHPbSOSOHPbOPb2442222(3)在充放电过程中,按两种反应强度的大小,可分为充放电、混合反应、气相沉积三个阶段。在高效时,电池一般都是以恒定的电流来充电,其主要的化学反应是由硫酸铅分解而成的铅化物和二氧化铅。在这种情况下,充电器输出的电能,基本上就是铅酸电池中储存的电能。在搅动过程中,一般采
5、用等电位法。结果表明,该反应以电解为主,使电荷转化速率下降,氧气析出。在天然气沉积阶段,一般都是一种充满气体的浮游状态。电池组已经充了电,在电池组中,以电解水为主。在这一步的反应中,如果释放出来的气体不能在电池中形成循环,那么电池就会由于脱水而变得干燥,从而降低了放电的能力。VRLA 电池在制造技术、内部结构等方面进行了改造,改造后的 VRLA 电池具有较好的耐腐蚀性能,不需再补水的特点,能有效地降低电池中的气量,增强氧循环能力。在靠近阴极的地方,氢溶解在电解质中,不会产生沉淀,而在靠近阴极的地方,氧则会经过硫酸的通道,在靠近阴极的地方,氧会与铅发生化学反应,形成二氧化铅。中文科技期刊数据库(
6、文摘版)工程技术 99 在 VRLA 电池中,将“水氧水”进行循环,并将其中的硫酸铅还原成海绵状的铅单质。因此,使氧在电池内循环,降低了电池的耗水量和析出量,使 VRLA 电池达到了密封和免维护的目的。1.2 铅酸蓄电池失效原因 VRLA 电池的密封方法有:正电极板腐蚀,负电极板硫酸盐化,热失控,电池失水等。以下对蓄电池故障的原因进行一一分析。在铅酸蓄电池中,如果水蒸气在电解液中蒸发,那么,如果水蒸气不能被回收,如果不是直接从电池组的水龙头中沉淀下来,长期下去,必然会导致电解质中硫酸的浓度增加。过高的电解液酸性会加快蓄电池正极面板的腐蚀,要想避免正极面板的腐蚀,必须避免电池的失水和沉淀。阴极用
7、硫酸盐处理;铅酸蓄电池的负极材料以铅为主。当电池进行充电时,其中的硫酸铅会被还原为铅,而当放电时,则会在电池内部生成硫酸铅。当长期处于欠充电或充电不足的情况下,就会在电池负极板上形成较大的难以充电的硫酸铅结晶体,硫酸铅晶体的溶解能力很差,很容易堵塞电池板微孔。在阻止电解液的渗透的时候,由于与电解液的接触面积减少,导致电极中的活性物质的反应速率降低,从而导致电池的活性降低。由于锂离子电池比容量的降低,还会导致锂离子电池的循环吸氧性降低,进而导致锂离子电池的性能退化甚至失效。热失控;充电机对蓄电池组进行充电时,若充电机没有对充电电压和电流进行适当地控制,则有可能造成充电电流过高,若充电电流过大,则
8、会造成电池的温度升高。在这个过程中,堆壁表面的导热成为唯一的散热途径。因为无法利用湿气来散发热量,所以 VRLA 电池会产生大量的热量,从而造成电池膨胀。电池失水;当电池内部电解液液位过高时,氧气通道会被隔板阻挡,不能对氧气进行回收,造成电池内部气体压力的升高。然而,VRLA 电池在投入使用后,因电解水副反应产生的氧气会通过阀门泄漏,导致电池堆失水,从而导致电池堆失水,从而导致电池堆失水。随着电解液中硫酸含量的增大,电解液对电极表面的腐蚀会进一步加剧,导致电极表面活性物质的减少,从而导致电池的比容量下降。而且 VRLA 的续航时间,也跟电池的稳定性有关。EPS 中的电池组一般由多个单体电池串联
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