鉛酸蓄電池在電網中的健康監測及梯次利用

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年被法國化學家發明以來，以其造價低廉、安全性高、運行穩定和使用壽命長等特點，被廣泛應用于通信、運輸、金融、電力和建筑等行業。鉛酸蓄電池的服役狀態和實際輸出容量監測對電力設施的安全運行具有重要意義。為確保電力系統后備電源供電的可靠性，必須對鉛酸蓄電池的狀況進行實時監測和管理。鉛酸蓄電池的電壓、內阻和溫度等參數與蓄電池的性能直接相關，因此監測這些參數可以預測蓄電池的健康狀況。

［關鍵詞］鉛酸蓄電池；健康監測；梯次利用

［中圖分類號］TM7文獻標志碼：A

鉛酸蓄電池作為一種重要的儲能設備，在電網中扮演著至關重要的角色。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、內阻增加等問題，嚴重影響其性能和壽命［1］。因此，對鉛酸蓄電池進行健康監測和梯次利用顯得尤為重要。鉛酸蓄電池在電網中的健康監測及梯次利用對于提高電網的可靠性和經濟性具有重要意義。通過健康監測，可以及時發現和解決蓄電池問題，延長其使用壽命；而通過梯次利用，可以實現蓄電池資源的最優配置，提高能源利用效率。因此，在電網建設和運營中，應高度重視鉛酸蓄電池的健康監測及梯次利用，以推動電網的可持續發展和智能化升級。

1 鉛酸蓄電池原理及特性

鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電解液正負極接線柱、安全閥和外殼構成，其中并聯焊接的正（負）極板是活性物質的載體。PbO2是正極的活性物質，海綿纖維狀Pb是負極的活性物質，該結構可減緩鉛酸蓄電池的自放電，長時間維持蓄電池容量。隔板一般由超細玻璃棉組成，不僅可防止正負極板短路，而且是電解液水和硫酸的載體，同時也是電池充電過程中正極產生的氧氣進入負極的通道。鉛酸蓄電池的電解液為稀H2SO4，由于蓄電池采用貧液式設計，電解液被吸附在極板和超細玻璃棉內。閥控式鉛酸蓄電池的正負極板在H2SO4溶液中由于發生不同的電極反應而產生不同的電極電位。鉛酸蓄電池在放電時，兩極板都會不斷反應生成PbSO4。由于PbSO4導電性較差，在放電過程中，鉛酸蓄電池的內阻會不斷增大。此外，隨著放電不斷進行，硫酸逐漸被消耗，導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，負極析出H2，正極析出O2。鉛酸蓄電池充電時發生的反應是其放電時的逆反應，同時充電期間水的分解會造成電解液失水，導致其容量下降。近年來，鉛酸蓄電池在材料和結構上均有改進，如以鉛鈣錫鋁四元合金作為負極板以提高析氫過電位，進而抑制H2析出。利用負極氧吸收技術，充電后期正極析出的O2通過隔板中預留的氣體通道達到負極表面而被還原為水。研究表明，充電達70 %時正極開始析出O2，而充電達90%負極才產生H2。因此，鉛酸蓄電池負極的活性物質一般過量，以確保使用過程中不會產生多余H2，也不會有水的損失，從而提高其循環壽命，但實際使用過程中不可能保證H2與O2的析出量達到平衡。因此，為了避免鉛酸蓄電池內部不會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安裝單向安全閥。

2 鉛酸蓄電池在電網中的健康監測方法

2.1 容量測試

容量是衡量蓄電池性能的重要指標之一。通過定期進行容量測試，可以了解蓄電池的實際容量是否與設計容量相符。容量測試可以采用放電法或充放電法進行，根據測試結果來判斷蓄電池的健康狀況［2］。

2.2 內阻測試

內阻是蓄電池的另一個重要參數，它反映了蓄電池的電化學反應速度和能量轉化效率。通過測量蓄電池的內阻，可以判斷其內部的化學反應是否正常，內阻是否增加。內阻測試可以采用交流內阻儀或直流內阻儀進行。

2.3 溫度監測

溫度是影響蓄電池性能和壽命的重要因素之一。高溫會導致蓄電池的容量衰減加快，內阻增加，降低蓄電池的壽命。因此，在電網中，需要對蓄電池的溫度進行實時監測，以確保其工作在適宜的溫度范圍內。

2.4 電壓監測

電壓是判斷蓄電池狀態的重要參考指標。通過定期監測蓄電池的電壓，可以了解其充電和放電狀態，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部故障［3］。

2.5 周期測試

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

2.6 智能監控系統

隨著物聯網和大數據技術的發展，智能監控系統在鉛酸蓄電池健康監測中得到了廣泛應用。智能監控系統通過傳感器、數據采集、數據分析等技術，能夠實現對蓄電池的實時監測、故障診斷和預警功能。這種方法可以提高監測的準確性和效率，及時發現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下長期儲存，將會使正負極板上生成堅硬而粗大的PbSO4結晶，PbSO4長期存在會導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，進而引起蓄電池內阻提高，電極反應速率下降，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下，同時嚴禁過度放電情況的發生。

負極匯流排腐蝕是閥控式鉛酸蓄電池固有結構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，易發生腐蝕。當腐蝕嚴重時，匯流排會發生粉化導致其機械強度下降，在應力作用下發生斷裂，引起電池斷路失效。

熱失控蓄電池相對密閉的結構導致其在充電過程中產生的熱量無法及時散發，進而逐步損壞電池。熱失控將導致鉛酸蓄電池鼓包、漏氣和容量下降，甚至發生爆炸，造成嚴重后果。充電電壓過高是導致蓄電池熱失控的主要原因。研究發現，在25℃時，鉛酸蓄電池單格在2.35 V電壓下浮充4個月將引發電池的熱失控。控制浮充電壓是避免鉛酸蓄電池出現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，正極會發生水的分解。在正常狀況下，由于鉛酸蓄電池的負極氧吸收技術，蓄電池內部并不會損失水。然而，蓄電池過充電會加速水的分解反應，正極析出大量O2，負極析出大量H2。不斷產生的氣體導致鉛酸蓄電池內部壓力增大，需要通過排氣閥向外排氣，這將導致電解液中水分減少，造成電解液中硫酸濃度提高，進而促進正極板的腐蝕。相關資料表明，當水損失達到3.5mL/Ah時，鉛酸蓄電池容量降至75 %以下；當水損失達到25 %時，蓄電池將會完全失效［5］。需要指出的是，一些因失水而引起容量下降的蓄電池，經加水后可使蓄電池容量恢復到接近正常值。

4 鉛酸蓄電池在電網中的梯次利用

4.1 備用電源

鉛酸蓄電池可以作為電網的備用電源，用于應對突發停電或電網故障等情況。當電網供電中斷時，蓄電池可以迅速啟動，為關鍵設備或重要負載提供持續穩定的電力供應，確保生產運行的連續性和穩定性。

4.2 負荷調節

鉛酸蓄電池可以用于電網的負荷調節，即在電網負荷需求波動較大時，通過充放電控制蓄電池的輸出功率，平衡電網供需關系。在高負荷時段，蓄電池可以釋放儲存的電能，為電網提供額外的負荷支撐；而在低負荷時段，蓄電池可以充電儲存電能，以備后續使用。

4.3 峰值削減

鉛酸蓄電池可以用于電網的峰值削減，即在電網負荷達到峰值時，通過蓄電池的放電來提供額外的電力支持，減輕電網的負荷壓力。這種方式可以有效平衡電網的負荷曲線，降低電網運行的風險和成本。

4.4 頻率調節

鉛酸蓄電池可以用于電網的頻率調節，即在電網頻率波動較大時，通過蓄電池的充放電調節電網的頻率，保持電網的穩定運行。當電網頻率偏高時，蓄電池可以吸收多余的電力進行充電；而當電網頻率偏低時，蓄電池可以釋放儲存的電能，提供額外的電力支持。

4.5 儲能系統輔助服務

鉛酸蓄電池可以作為儲能系統的一部分，提供輔助服務。例如，在可再生能源發電系統中，蓄電池可以儲存多余的電能，以備不足時使用；在微電網系統中，蓄電池可以提供穩定的電力輸出，平衡電網的供需關系。

5 鉛酸蓄電池注意事項

5.1 充電和放電控制

在充電和放電過程中，需要嚴格控制電流和電壓，以避免過充和過放。過充會導致蓄電池內部的化學反應失控，產生氣體和熱量，增加蓄電池的壓力和溫度，甚至引發火災或爆炸。過放則會導致蓄電池容量衰減和壽命縮短。因此，應使用合適的充放電設備和控制系統，確保充放電過程的安全和穩定［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，應盡量避免過高或過低的溫度環境。高溫會加速蓄電池的容量衰減和內阻增加，降低蓄電池的壽命。低溫會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，應選擇合適的環境和控制溫度［7］。

5.3 維護和保養

定期維護和保養是保持鉛酸蓄電池正常運行的關鍵。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，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電性能。此外，還需要定期檢測蓄電池的容量、內阻、溫度等參數，及時發現和解決問題。

5.4 安全操作

在操作鉛酸蓄電池時，需要遵循安全操作規程，確保人員和設備的安全。例如，要正確連接和安裝蓄電池，確保正負極接線正確，避免短路和反極性連接。同時，要避免對蓄電池施加過大的壓力和振動，以防止蓄電池的損壞和泄漏。在處理廢舊蓄電池時，要遵循環保和安全的處理方法，防止對環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，對環境和人體有嚴重的危害。因此，在廢舊蓄電池的處理過程中，需要遵循相關的環保法規和規范，采取合適的處理方法。一般而言，廢舊蓄電池應交由專業的回收機構進行處理和回收利用，以減少對環境的污染和資源的浪費。

6 結語

為確保鉛酸蓄電池在電網中安全可靠地作為后備電源運行，必須對其健康狀況進行有效實時監測。因為對鉛酸蓄電池電壓的監控較為簡便，所以利用鉛酸蓄電池電壓對其健康狀況的評估在電網企業應用較廣。利用內阻評估的交流注入法由于無須處于靜態或脫機狀態下就可檢測，不影響鉛酸蓄電池壽命，也是一種值得關注的評估手段。基于多參數的監測管理以評估鉛酸蓄電池健康狀況則是未來的主要發展方向。此外，為保障電網的用電安全，鉛酸蓄電池在使用一段時間后需要強制退役，然而相當部分電網退役下來的蓄電池狀態較好，可用于某些要求并不十分嚴格的場景，實現鉛酸蓄電池的梯次利用。然而，現階段我國電網用鉛酸蓄電池的梯次利用缺少相關規章制度，電網企業對潛在的梯次利用下游用戶需求了解不透徹，而下游用戶由于對電網退役鉛酸蓄電池性能了解不充分導致信任度不高，導致電網用鉛酸蓄電池梯次利用程度較低。因此，有必要進一步健全規章制度、統籌發展，從源頭上為促進鉛酸蓄電池的梯次利用提供制度保障。

參考文獻

［1］王鵬程，朱長青. 鉛酸蓄電池監測系統發展綜述［J］. 電源技術，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控技術研究［J］. 輕工標準與質量，2019（6）：72-73.

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

［5］袁鈺. 鉛酸蓄電池精準維護探索與實踐［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測系統的設計［D］. 鎮江：江蘇科技大學，2019.

［7］劉重陽. 鉛酸蓄電池在線監測與維護系統的設計及實現［D］. 北京：華北電力大學（北京），2019.