高速公路UPS蓄電池維護要點分析

馬揚業

廣東交通集團檢測中心，廣東 廣州 510200

0 引言

高速公路UPS (uninterruptible power system)作為機電設備的后備電源，應用于收費、通信、監控系統等重要設備，對保證高速公路的正常運營發揮了非常重要的作用。而蓄電池是UPS的唯一能量來源，是系統可靠性依賴的最后一個環節，蓄電池性能不佳，直接影響到高速公路的收費和正常交通。筆者從事高速公路機電工程檢測工作4年多，通過對廣東省高速公路檢測中發現，UPS蓄電池使用性能和壽命與日常維護的關系巨大，對于那些維護較好的高速公路，蓄電池使用了8年后性能依然很好，容量仍能滿足正常使用；而對于那些對蓄電池維護不重視的高速公路，蓄電池用了4年后就出現了性能的顯著下降，不能再滿足使用要求。蓄電池價格昂貴，更換成本高，科學的維護可以大大節約營運單位的維修費用，提高電源的可靠性。下面筆者就根據蓄電池的原理和性能，逐一對蓄電池的維護要點進行分析。

1 控制蓄電池使用的環境溫度

使用環境溫度是影響蓄電池性能和壽命的最重要因素之一，它直接影響蓄電池的容量、充電、放電、浮充等。一般蓄電池的推薦使用溫度是20℃～25℃，溫度過高或過低都不利于電池性能的發揮，甚至損壞電池。蓄電池溫度升高，則陰陽極板上的活性物質即會劣化，并腐蝕陽極格子，而縮短電池壽命；相反溫度過低時，會使電池蓄電容量減少，容易過度放電，進而使電池壽命縮短。據統計，在25度以上時，溫度每升高10℃，蓄電池的壽命就減少50%以上，蓄電池使用壽命與環境溫度的關系見圖1。

鉛酸電池的電壓與溫度有負溫度系數關系，溫度減低，蓄電池電壓升高，溫度升高，蓄電池的電壓降低。對于電池單體，其值約為-4mV/℃，不同生產廠家的電池該值略有不同。由此可知，當充電電壓恒定時，環境溫度過低時，蓄電池將處于充電不足的狀態，導致電池內部的內阻增加，并形成電池組之間的差異，最終造成整個電池組的失效。當環境溫度過高時，電池將嚴重過充電，過充電會產生大量氣體和熱量，熱量的大量產生使溫度上升，將進一步加速電池內部化學反應的進行，也將加速電池內部氣體壓力的上升和電解液的干枯。如果溫度達到一定程度，更會導致熱失控，使電池外殼嚴重變形，甚至存在著火、爆炸等危險隱患。因此，必須保證環境溫度在設計規定范圍內。

圖1 蓄電池使用壽命與環境溫度的關系

2 避免蓄電池深度放電

放電深度是指用戶在蓄電池使用的過程中，電池放出的安時數占它的標稱容量安時數的百分比。深度放電會在蓄電池的負極形成一種粗大堅硬的硫酸鉛，它幾乎不溶解，用常規方法充電很難使它轉化為活性物質，從而導致蓄電池的活性物質減少、內阻增大、電池容量減少，嚴重時會使個別電池出現“反極”現象和電池的永久性損壞。

一般UPS系統都有欠壓保護功能，當蓄電池組的電壓放電到規定的終止電壓時，UPS自動停止供電來保護蓄電池。但是即便有了終止電壓的保護，在以下兩種情況下還是會出現深度放電的情況：一是負載較輕時，此時放電電流過小, 所參加反應的活性物質就多，電池所能放出的容量就多,電池的放電深度就越深, 當達到放電終止電壓而UPS保護關機時，電池已經過度放電了，這樣電池的使用壽命就會縮短。放電電流與終止電壓的大致關系見表1；二是蓄電池組的均一性較差時，由于UPS控制的是整個電池組的電壓，而不是單體的電壓，如果電池組的均一性不佳，個別容量低的電池勢必會過早到達終止電壓，這樣就造成個別蓄電池出現深度放電，個別電池的性能減低最終會影響到整組蓄電池的性能發揮。

表1 蓄電池放電電流與終止電壓的關系

3 蓄電池的定期充放電管理

高速公路機電設備都配有備用發電機，一旦市電停止，就會啟動發電機進行發電供給機電設備，只有從市電停止開始到發電機發電并送出這段時間是由UPS來供電的。一般情況下UPS供電時間很短，只有幾分鐘時間，放電深度不大，一般小于10%，所以蓄電池是長期工作在浮充狀態下的。

UPS電源蓄電池長期處在浮充狀態下，會導致電池中大量的硫酸鉛吸附到電池的陰極表面，由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對電池的充放電產生極不好的影響，因為在陰極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內阻越大，電池的可充放電性能越差，從而導致電池老化、活性下降，蓄電池的使用壽命大大縮短。

所以要定期對蓄電池進行放電，增加電池的“活性”。要每半年以實際負荷做一次核對性放電，放電深度為30%～40%。每一年做一次容量試驗，放電深度為80%。放電的同時定時記錄電池單體電壓和總電壓，對于過早達到終止電壓的蓄電池單獨進行活化或更換。定期對蓄電池組進行充放電管理，可以提高蓄電池的活性并能發現電池組中性能變劣的個體，提前發現問題進行解決。

4 定期對電池組單體電池一致性檢查

蓄電池制造過程中，由于工藝和材料均勻性問題，使得同批次出廠的同型號電池的電壓、內阻、容量等參數不可能完全一致。在循環充放電過程中，蓄電池的這種不一致性會不斷擴大，導致蓄電池組充放電轉換效率、輸出功率和裝置性能下降，電池壽命縮短。

組成蓄電池組的各電池的內阻、容量等參數的不一致性，會使電池組中容量低的蓄電池更容易過充電和過放電，過充電所產生的大量氣泡會對極板微孔造成壓力，使極板變形、活性物質容易脫落。過充電和過放電都會使蓄電池組陷于電池極板硫化加劇，容量差距更進一步拉大的惡性循環中。在不均衡蓄電池組中，一個或幾個電池會在其它蓄電池尚需充電時便已達到最大容量。而在放電時，未完全充電的蓄電池又會比其它電池先放完電，使蓄電池組因電壓不足而提前停止供電。所以為了延長電池組的使用壽命，必須使所有的蓄電池單體均保持在同樣的放電深度。

要使單體電池保持同樣的放電深度就必須盡可能減少電池組的不一致性，要在每年做容量實驗放電時同時記錄電池的單體電壓和總電壓，找出電壓過低的單體電池并進行適當維護。有條件的可以用專門儀器做電池單體活化處理，沒條件的可以給電壓過低的單體電池單獨充電，使其盡可能接近其他正常電池的容量。這樣做可以大大減小電池組單體之間容量的差異，增加電池組的容量、性能和使用壽命。

5 定期測試蓄電池的內阻

內阻的變化大小是衡量蓄電池的一個重要指標，是電池狀態的最佳指示器，電池在使用不當、老化的情況下都會出現內阻增大的情況。測量內阻至少能檢測出95%以上有問題的蓄電池，最好每半年度進行一次內阻測試。

蓄電池在新安裝的時候要測試每個單體的內阻值，取其平均值作為電池內阻的基準值。以后每季度測試一次電池的內阻，建立一個數據庫，并和基準值進行比較，畫出內阻的變化趨勢線，找出內阻變化較大的電池，分析內阻變化的原因，進行有針對性的維護或修復。

影響電池內阻的最常見因素有：

1）腐蝕：由于匯流排和板柵遭到腐蝕，造成了金屬路徑變窄而使電池的內阻增加；

2）板柵蠕變：由于腐蝕及電池的老化產生的板柵蠕變，會造成活性物質、涂膏從板柵結構上松脫，從而導致連接上出現較高的電阻問題；

3）硫化：由于部分活性材料變成硫化鉛，使涂膏的電阻增加；

4）干涸： VRLA電池會出現這種情況，最后造成傳導路徑與鄰近的板柵完全斷開。

6 結論

本文所述UPS蓄電池維護要點之間不是孤立的，它們之間是相輔相成的關系，只有對每一個要點都認真對待，才能真正做到科學規范的維護。高速公路UPS對機電系統穩定可靠運行發揮非常重要的作用，同時蓄電池性能變差的時候也往往能夠滿足短暫的供電，不易被察覺，而一旦發現問題就將會很嚴重，造成整體蓄電池的更換，成本很高。對蓄電池科學的維護不但能使蓄電池性能發揮到最佳，而且延長其使用壽命，降低維護成本，為高速公路營運帶來很大的經濟效益和社會效益。

[1]胡信國.通信電源設備使用維護手冊[M].人民郵電出版社，2008，8.

[2]邵有為，張毅.UPS電源設備維護及蓄電池充電電路分析[J].數字技術與應用，2010(8).

[3]黃印林.UPS 在高速公路機電系統中的應用與維護[J].中國水運，2010(2).