1 引言

　　VRLA，Valve-Regulated Lead Acid Battery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫(xiě)。

　　它誕生于20世紀70年代，由于VRLA是全密封的，不會(huì )漏酸，而且在充放電時(shí)不會(huì )象老式鉛酸蓄電池那樣會(huì )有酸霧放出來(lái)而腐蝕設備，污染環(huán)境，所以備受歡迎，在世界上廣泛使用。

　　目前的電動(dòng)車(chē)電池均為VRLA。由于VRLA的運行要求比較嚴格，在偏離了正確的使用條件下運行將造成嚴重的后果，因此，對 VRLA的運行參數監測是十分重要的。采用備用電池的場(chǎng)所都是十分重要的部門(mén)，失效的電池組起不到電源備份的作用。一旦主電源發(fā)生故障，就會(huì )造成系統停機，導致巨大的經(jīng)濟、社會(huì )損失，及時(shí)發(fā)現并處理電池失效同樣是十分重要的。

　　眾所周知， VRLA的端電壓并不能反映電池的容量特性，容量嚴重下降的電池，在整組浮充電的電池中，其浮充電壓幾乎沒(méi)有什么區別。一旦電池組進(jìn)行放電，這些電池因為充電量少，端電壓很快就會(huì )跌落，并妨礙電池組的放電性能。這時(shí)，從電池的端電壓上可以很容易的發(fā)現他們，但是已經(jīng)太晚了，電池組在需要備份電源的時(shí)候已經(jīng)起不到備份作用了。

2 鉛酸蓄電池組內阻監測的重要性

　　利用交流阻抗法、電導法或直流法測量電池的內阻，已經(jīng)被公認為是一種迅速而又方便的診斷電池健康狀況的方法。越來(lái)越多的文獻認為，老化電池內阻和放電能力之間存在著(zhù)一定的關(guān)系。

　?。?）基本電阻模型

　　VRLA新產(chǎn)品的阻抗同各部件的歐姆電阻的總和基本上是一致。例如，對于一個(gè)12V/100A的VRLA，其歐姆電阻的組成比例如下：

　　帶鉛膏的板柵歐姆電阻占 40%

　　聯(lián)接條、接線(xiàn)柱和焊點(diǎn)歐姆電阻占 32%

　　端子歐姆電阻占 12%

　　焊點(diǎn)歐姆電阻占 7%

　　電解質(zhì)和隔板歐姆電阻占 16%

　　這一數字隨電池廠(chǎng)家、電池型號和容量的不同而有所不同。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，電容和電感忽略不計。值得注意的是，電池內阻隨溫度下降而迅速增大。這主要是由于電解質(zhì)電阻的變化。因此，在考慮時(shí)間對內阻的影響時(shí)，溫度是一個(gè)重要的影響因素。另外一個(gè)取決于極板的化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)的電阻項稱(chēng)為“電荷轉移電阻”，它可根據放電時(shí)電壓的下降和電流來(lái)測出。因此，電池總電阻是歐姆電阻和“電荷轉移電阻”之和。電荷轉移電阻取決于放電電流、溫度、涂膏區域比面積和硫酸的成份。在15分鐘的放電速率下，歐姆電阻占總電阻的40%，而電荷轉移電阻占60%；在8小時(shí)的放電速率下，電荷轉移電阻只占5%。

　?。?）鉛酸蓄電池內阻實(shí)時(shí)監測的重要意義

　　在放電過(guò)程中，初使的電壓降遵循歐姆定律V=IR，I是放電電流，R是電池總內阻。初始的電壓降越大，電壓就越近于最后終止電壓，因而也就降低了電池的使用時(shí)間。隨著(zhù)放電過(guò)程的進(jìn)行，三種活性物質(zhì)（硫酸，正極和負極涂膏）開(kāi)始發(fā)生電化學(xué)轉變。涂膏利用率的下降和電解質(zhì)泄漏會(huì )抑制放電反應，從而使電池電壓下降得更快。

　　VRLA在設計上是乏酸的，同涂膏相比，電解質(zhì)的安時(shí)容量較小，因而放電過(guò)程常常受電解質(zhì)制約。如果電阻值同活性物質(zhì)的利用率或可用的電解質(zhì)成正比的話(huà)，與放電能力相關(guān)的關(guān)系就可以改善。

　　對于任何新電池，R通常不與放電能力成線(xiàn)性關(guān)系。電解質(zhì)飽和度、化成的完全程度（尤其是極板表面）、隔板——極板界面接觸面積以及壓力的細微變化都僅對電阻產(chǎn)生微小的影響，但可能會(huì )對放電過(guò)程產(chǎn)生很大的影響。

　　初始電解質(zhì)體積的微小增加只會(huì )使電池總電阻R略微下降。但由于酸的缺乏，電解質(zhì)體積的微小增加會(huì )導致放電時(shí)間的延長(cháng)，12V的電池組中就會(huì )存在各電池之間的差別。電阻和開(kāi)路電壓的測量可用于找出那些不合格的電池：它們的電壓下降過(guò)快，超出正常范圍。這些不合格品的主要缺陷一般是頂端連接不好，電解質(zhì)體積過(guò)少、空氣泄漏或短路。在電池使用過(guò)程中，這些非設計性的缺陷可以很容易地用電阻和開(kāi)路電壓

　　法測量出來(lái)。許多電池制造商利用開(kāi)路電壓法和放電負載法對電池產(chǎn)品作最終質(zhì)量檢查，用戶(hù)也可用此方法在電池產(chǎn)品接收、安裝以及整個(gè)使用過(guò)程中對其進(jìn)行檢測。

　　所有VRLA都有一定的使用壽命，這是由于正極板柵的腐蝕，尤其是在浮充放電使用過(guò)程中更為明顯。增加正極板柵的質(zhì)量或減少其腐蝕率都可以延長(cháng)電池的使用壽命。正極板柵是正極涂膏的導電和支撐骨架，腐蝕不僅加大了正極板柵的電阻，而且使板柵增厚，從而同涂膏失去了電接觸。負極板柵不會(huì )受到腐蝕。其他設計參數，如電解質(zhì)體積，隔板壓縮程度及成份組成，電池殼的透氣率、通氣孔設計、涂膏的物理化學(xué)參數和制造參數都可以影響壽命。

　　隨著(zhù)正極板柵的腐蝕和隔板中電解質(zhì)的耗盡，電池電阻增大而電池容量減少。這兩種情況均會(huì )引起初始電壓的下降和可利用活性物質(zhì)的減少。周期性的R測量可跟蹤監測這些變化，并且發(fā)現不合格品。

　　電池容量與壽命的關(guān)系曲線(xiàn)類(lèi)似于電壓與放電時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，起初曲線(xiàn)比較平緩，但接著(zhù)就隨時(shí)間的變化而迅速下降。在不間斷電源中，由于電池檢查及放電次數較少，電池容量很可能在兩次測試期間就已降到80%額定容量以下。如果采用內阻測試法，可以很容易發(fā)現這些問(wèn)題并改善系統可靠性。

　　實(shí)驗表明，隨著(zhù)涂膏孔隙率的增加，極板所含電解質(zhì)的體積增加，因而造成隔板中電解質(zhì)的減少。在使用初期，孔隙率隨著(zhù)正極板和負極板分別轉變?yōu)槎趸U和海綿狀鉛而不斷增大，在此期間硫酸重新分布。這對電阻的影響很小，但提高了涂膏利用率和電池的容量。隨著(zhù)電池的老化，正極板柵不斷腐蝕脹大，正極板的有效孔隙率也不斷增大，電池內電解質(zhì)的總體積緩慢減少。但由于電解質(zhì)重新分布到正極板中，隔板中電解質(zhì)的損失卻要快得多。隔板和電解質(zhì)電阻隨電解質(zhì)飽和度的下降呈e的（2－3）次冪的關(guān)系，可是在15分鐘放電速率下，它們的電阻只占新電池總電阻的5%－10%（16%歐姆電阻乘以占總電阻40%的歐姆電阻比）。

　　測試結果表明，在15分鐘放電速率下，同結束使用周期的電池相比，新電池的初始放電電壓略微低20mV－50 mV。隨著(zhù)水在浮充使用期間的電解，或者因板柵腐蝕而被消耗，剩余的電解質(zhì)變得濃度增加。因而，開(kāi)路電壓也隨之提高。盡管電池內阻R和總電壓降可能會(huì )增大，但這可以部分地被開(kāi)路電壓的升高所抵消。

　　隨著(zhù)電池的老化，它們的電壓——時(shí)間曲線(xiàn)顯示出一個(gè)類(lèi)似的初始電壓值，但曲線(xiàn)斜率隨放電時(shí)間的增大而增大。電壓——時(shí)間曲線(xiàn)的不斷下降同電解質(zhì)的減少和活性物質(zhì)的利用理論并不一致。電解質(zhì)的大量損失可能?chē)乐赜绊戨姵厝萘?，并同貧酸式閥控鉛酸電池產(chǎn)品增加的內阻R吻合得較好。

　　內阻R的讀數對初始階段由于板柵生長(cháng)導致的涂膏與板柵結合度降低可能反應并不敏感，或者由于活性物質(zhì)平衡的利用或循環(huán)對于涂膏中顆粒之間的結合度惡化的反應也不靈敏。涂膏起初可能同板柵的電接觸很充分，但隨著(zhù)放電過(guò)程的進(jìn)行，結合程度可能會(huì )出現惡化，從而降低了涂膏的利用率。內阻R對涂膏性能的敏感性可能也和內阻R與電池容量的不一致性有關(guān)。

　　一些理論指出，某些電池部件的失效可能同交流頻率有關(guān)?？墒谴蠖鄶祪茸鑂在電池測試頻率8Hz－1000Hz范圍內是相對平緩的。 目前，我們尚未發(fā)現在阻抗或導納與電池壽命的對應性之間存在明顯的不同。 因腐蝕而引起的正極板柵的電導下降可以由內阻R的變化而反映出來(lái)。板柵電阻的貢獻及其在使用過(guò)程中的變化很大程度上取決于放電速率、板柵設計、化成和制造方法，板柵內阻在使用壽命結束時(shí)增加5%－30%不足為奇。高速放電對板柵內阻的增加更為敏感，而頂端鉛極柱的內阻變化對性能好的產(chǎn)品影響不大。

　　電池總內阻是電荷轉移電阻和部件歐姆電阻的總和，由于一些部件性能的不一致，初始內阻R的值在±20%之間呈現一定的分布。

　　隨著(zhù)電阻的老化，某個(gè)部件的內阻變化可能由其它部件的變化所掩蓋。當內阻變化足夠大，并同電解質(zhì)的減少和活性物質(zhì)的利用有關(guān)時(shí)，內阻和電池容量的對應關(guān)系就比較明顯。因板柵腐蝕和生長(cháng)、電解質(zhì)損失或再分布引起的電池部件內阻增加都伴隨有一個(gè)類(lèi)似的平緩的指數曲線(xiàn)。

　　電池容量的損失也與此類(lèi)似。其中內阻的劇升同電池容量的減少有關(guān)，尤其是在電池壽命未達到80%的時(shí)候更為明顯。高放電速率下的使用時(shí)間似乎對這些因素更為敏感，一般電池內阻增加20%－25%時(shí)就到了壽命期限。在低放電速率下，電池內阻一般增加20%－35%后壽命才結束。

3 結束語(yǔ)

　　有文章認為，VRLA剩余容量并不能由電池內阻反映出來(lái)，他們認為電池容量下降20%對應的電池內阻下降并不明顯。但有一點(diǎn)是得到普遍承認的，那就是電池內阻的增高對應于電池容量的下降，當電池內阻變化可以明顯確認的時(shí)候，電池應保有60%以上的容量，這樣的電池是不能通過(guò)電池浮充端電壓測量而發(fā)現的。所以VRLA內阻的實(shí)時(shí)監測比起端電壓來(lái)說(shuō)所起的作用是革命性的。