高速公路UPS蓄电池维护要点分析

马扬业

广东交通集团检测中心，广东 广州 510200

0 引言

高速公路UPS (uninterruptible power system)作为机电设备的后备电源，应用于收费、通信、监控系统等重要设备，对保证高速公路的正常运营发挥了非常重要的作用。而蓄电池是UPS的唯一能量来源，是系统可靠性依赖的最后一个环节，蓄电池性能不佳，直接影响到高速公路的收费和正常交通。笔者从事高速公路机电工程检测工作4年多，通过对广东省高速公路检测中发现，UPS蓄电池使用性能和寿命与日常维护的关系巨大，对于那些维护较好的高速公路，蓄电池使用了8年后性能依然很好，容量仍能满足正常使用；而对于那些对蓄电池维护不重视的高速公路，蓄电池用了4年后就出现了性能的显著下降，不能再满足使用要求。蓄电池价格昂贵，更换成本高，科学的维护可以大大节约营运单位的维修费用，提高电源的可靠性。下面笔者就根据蓄电池的原理和性能，逐一对蓄电池的维护要点进行分析。

1 控制蓄电池使用的环境温度

使用环境温度是影响蓄电池性能和寿命的最重要因素之一，它直接影响蓄电池的容量、充电、放电、浮充等。一般蓄电池的推荐使用温度是20℃～25℃，温度过高或过低都不利于电池性能的发挥，甚至损坏电池。蓄电池温度升高，则阴阳极板上的活性物质即会劣化，并腐蚀阳极格子，而缩短电池寿命；相反温度过低时，会使电池蓄电容量减少，容易过度放电，进而使电池寿命缩短。据统计，在25度以上时，温度每升高10℃，蓄电池的寿命就减少50%以上，蓄电池使用寿命与环境温度的关系见图1。

铅酸电池的电压与温度有负温度系数关系，温度减低，蓄电池电压升高，温度升高，蓄电池的电压降低。对于电池单体，其值约为-4mV/℃，不同生产厂家的电池该值略有不同。由此可知，当充电电压恒定时，环境温度过低时，蓄电池将处于充电不足的状态，导致电池内部的内阻增加，并形成电池组之间的差异，最终造成整个电池组的失效。当环境温度过高时，电池将严重过充电，过充电会产生大量气体和热量，热量的大量产生使温度上升，将进一步加速电池内部化学反应的进行，也将加速电池内部气体压力的上升和电解液的干枯。如果温度达到一定程度，更会导致热失控，使电池外壳严重变形，甚至存在着火、爆炸等危险隐患。因此，必须保证环境温度在设计规定范围内。

图1 蓄电池使用寿命与环境温度的关系

2 避免蓄电池深度放电

放电深度是指用户在蓄电池使用的过程中，电池放出的安时数占它的标称容量安时数的百分比。深度放电会在蓄电池的负极形成一种粗大坚硬的硫酸铅，它几乎不溶解，用常规方法充电很难使它转化为活性物质，从而导致蓄电池的活性物质减少、内阻增大、电池容量减少，严重时会使个别电池出现“反极”现象和电池的永久性损坏。

一般UPS系统都有欠压保护功能，当蓄电池组的电压放电到规定的终止电压时，UPS自动停止供电来保护蓄电池。但是即便有了终止电压的保护，在以下两种情况下还是会出现深度放电的情况：一是负载较轻时，此时放电电流过小, 所参加反应的活性物质就多，电池所能放出的容量就多,电池的放电深度就越深, 当达到放电终止电压而UPS保护关机时，电池已经过度放电了，这样电池的使用寿命就会缩短。放电电流与终止电压的大致关系见表1；二是蓄电池组的均一性较差时，由于UPS控制的是整个电池组的电压，而不是单体的电压，如果电池组的均一性不佳，个别容量低的电池势必会过早到达终止电压，这样就造成个别蓄电池出现深度放电，个别电池的性能减低最终会影响到整组蓄电池的性能发挥。

表1 蓄电池放电电流与终止电压的关系

3 蓄电池的定期充放电管理

高速公路机电设备都配有备用发电机，一旦市电停止，就会启动发电机进行发电供给机电设备，只有从市电停止开始到发电机发电并送出这段时间是由UPS来供电的。一般情况下UPS供电时间很短，只有几分钟时间，放电深度不大，一般小于10%，所以蓄电池是长期工作在浮充状态下的。

UPS电源蓄电池长期处在浮充状态下，会导致电池中大量的硫酸铅吸附到电池的阴极表面，由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充放电产生极不好的影响，因为在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的可充放电性能越差，从而导致电池老化、活性下降，蓄电池的使用寿命大大缩短。

所以要定期对蓄电池进行放电，增加电池的“活性”。要每半年以实际负荷做一次核对性放电，放电深度为30%～40%。每一年做一次容量试验，放电深度为80%。放电的同时定时记录电池单体电压和总电压，对于过早达到终止电压的蓄电池单独进行活化或更换。定期对蓄电池组进行充放电管理，可以提高蓄电池的活性并能发现电池组中性能变劣的个体，提前发现问题进行解决。

4 定期对电池组单体电池一致性检查

蓄电池制造过程中，由于工艺和材料均匀性问题，使得同批次出厂的同型号电池的电压、内阻、容量等参数不可能完全一致。在循环充放电过程中，蓄电池的这种不一致性会不断扩大，导致蓄电池组充放电转换效率、输出功率和装置性能下降，电池寿命缩短。

组成蓄电池组的各电池的内阻、容量等参数的不一致性，会使电池组中容量低的蓄电池更容易过充电和过放电，过充电所产生的大量气泡会对极板微孔造成压力，使极板变形、活性物质容易脱落。过充电和过放电都会使蓄电池组陷于电池极板硫化加剧，容量差距更进一步拉大的恶性循环中。在不均衡蓄电池组中，一个或几个电池会在其它蓄电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的蓄电池又会比其它电池先放完电，使蓄电池组因电压不足而提前停止供电。所以为了延长电池组的使用寿命，必须使所有的蓄电池单体均保持在同样的放电深度。

要使单体电池保持同样的放电深度就必须尽可能减少电池组的不一致性，要在每年做容量实验放电时同时记录电池的单体电压和总电压，找出电压过低的单体电池并进行适当维护。有条件的可以用专门仪器做电池单体活化处理，没条件的可以给电压过低的单体电池单独充电，使其尽可能接近其他正常电池的容量。这样做可以大大减小电池组单体之间容量的差异，增加电池组的容量、性能和使用寿命。

5 定期测试蓄电池的内阻

内阻的变化大小是衡量蓄电池的一个重要指标，是电池状态的最佳指示器，电池在使用不当、老化的情况下都会出现内阻增大的情况。测量内阻至少能检测出95%以上有问题的蓄电池，最好每半年度进行一次内阻测试。

蓄电池在新安装的时候要测试每个单体的内阻值，取其平均值作为电池内阻的基准值。以后每季度测试一次电池的内阻，建立一个数据库，并和基准值进行比较，画出内阻的变化趋势线，找出内阻变化较大的电池，分析内阻变化的原因，进行有针对性的维护或修复。

影响电池内阻的最常见因素有：

1）腐蚀：由于汇流排和板栅遭到腐蚀，造成了金属路径变窄而使电池的内阻增加；

2）板栅蠕变：由于腐蚀及电池的老化产生的板栅蠕变，会造成活性物质、涂膏从板栅结构上松脱，从而导致连接上出现较高的电阻问题；

3）硫化：由于部分活性材料变成硫化铅，使涂膏的电阻增加；

4）干涸： VRLA电池会出现这种情况，最后造成传导路径与邻近的板栅完全断开。

6 结论

本文所述UPS蓄电池维护要点之间不是孤立的，它们之间是相辅相成的关系，只有对每一个要点都认真对待，才能真正做到科学规范的维护。高速公路UPS对机电系统稳定可靠运行发挥非常重要的作用，同时蓄电池性能变差的时候也往往能够满足短暂的供电，不易被察觉，而一旦发现问题就将会很严重，造成整体蓄电池的更换，成本很高。对蓄电池科学的维护不但能使蓄电池性能发挥到最佳，而且延长其使用寿命，降低维护成本，为高速公路营运带来很大的经济效益和社会效益。

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