铅酸蓄电池在电网中的健康监测及梯次利用

段绪伟 刘小庆 麦尔丹·吾拉木 姜威威 孙宁

［摘 要］铅酸蓄电池自1859年被法国化学家发明以来，以其造价低廉、安全性高、运行稳定和使用寿命长等特点，被广泛应用于通信、运输、金融、电力和建筑等行业。铅酸蓄电池的服役状态和实际输出容量监测对电力设施的安全运行具有重要意义。为确保电力系统后备电源供电的可靠性，必须对铅酸蓄电池的状况进行实时监测和管理。铅酸蓄电池的电压、内阻和温度等参数与蓄电池的性能直接相关，因此监测这些参数可以预测蓄电池的健康状况。

［关键词］铅酸蓄电池；健康监测；梯次利用

［中图分类号］TM7文献标志码：A

铅酸蓄电池作为一种重要的储能设备，在电网中扮演着至关重要的角色。然而，由于长期使用和不可避免的老化，铅酸蓄电池存在着容量衰减、内阻增加等问题，严重影响其性能和寿命［1］。因此，对铅酸蓄电池进行健康监测和梯次利用显得尤为重要。铅酸蓄电池在电网中的健康监测及梯次利用对于提高电网的可靠性和经济性具有重要意义。通过健康监测，可以及时发现和解决蓄电池问题，延长其使用寿命；而通过梯次利用，可以实现蓄电池资源的最优配置，提高能源利用效率。因此，在电网建设和运营中，应高度重视铅酸蓄电池的健康监测及梯次利用，以推动电网的可持续发展和智能化升级。

1 铅酸蓄电池原理及特性

铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液正负极接线柱、安全阀和外壳构成，其中并联焊接的正（负）极板是活性物质的载体。PbO2是正极的活性物质，海绵纤维状Pb是负极的活性物质，该结构可减缓铅酸蓄电池的自放电，长时间维持蓄电池容量。隔板一般由超细玻璃棉组成，不仅可防止正负极板短路，而且是电解液水和硫酸的载体，同时也是电池充电过程中正极产生的氧气进入负极的通道。铅酸蓄电池的电解液为稀H2SO4，由于蓄电池采用贫液式设计，电解液被吸附在极板和超细玻璃棉内。阀控式铅酸蓄电池的正负极板在H2SO4溶液中由于发生不同的电极反应而产生不同的电极电位。铅酸蓄电池在放电时，两极板都会不断反应生成PbSO4。由于PbSO4导电性较差，在放电过程中，铅酸蓄电池的内阻会不断增大。此外，随着放电不断进行，硫酸逐渐被消耗，导致电解液中硫酸浓度逐渐减小。在蓄电池贮存期间，还可能存在副反应，负极析出H2，正极析出O2。铅酸蓄电池充电时发生的反应是其放电时的逆反应，同时充电期间水的分解会造成电解液失水，导致其容量下降。近年来，铅酸蓄电池在材料和结构上均有改进，如以铅钙锡铝四元合金作为负极板以提高析氢过电位，进而抑制H2析出。利用负极氧吸收技术，充电后期正极析出的O2通过隔板中预留的气体通道达到负极表面而被还原为水。研究表明，充电达70 %时正极开始析出O2，而充电达90%负极才产生H2。因此，铅酸蓄电池负极的活性物质一般过量，以确保使用过程中不会产生多余H2，也不会有水的损失，从而提高其循环寿命，但实际使用过程中不可能保证H2与O2的析出量达到平衡。因此，为了避免铅酸蓄电池内部不会因气体累积而造成压力逐渐增大，阀控式铅酸蓄电池盖上会安装单向安全阀。

2 铅酸蓄电池在电网中的健康监测方法

2.1 容量测试

容量是衡量蓄电池性能的重要指标之一。通过定期进行容量测试，可以了解蓄电池的实际容量是否与设计容量相符。容量测试可以采用放电法或充放电法进行，根据测试结果来判断蓄电池的健康状况［2］。

2.2 内阻测试

内阻是蓄电池的另一个重要参数，它反映了蓄电池的电化学反应速度和能量转化效率。通过测量蓄电池的内阻，可以判断其内部的化学反应是否正常，内阻是否增加。内阻测试可以采用交流内阻仪或直流内阻仪进行。

2.3 温度监测

温度是影响蓄电池性能和寿命的重要因素之一。高温会导致蓄电池的容量衰减加快，内阻增加，降低蓄电池的寿命。因此，在电网中，需要对蓄電池的温度进行实时监测，以确保其工作在适宜的温度范围内。

2.4 电压监测

电压是判断蓄电池状态的重要参考指标。通过定期监测蓄电池的电压，可以了解其充电和放电状态，以及是否存在异常。例如，电压过低可能表示蓄电池容量不足或寿命接近尽头，而电压过高可能表示充电过度或内部故障［3］。

2.5 周期测试

周期测试是一种模拟实际使用环境的测试方法，通过多次充放电循环来模拟蓄电池的实际使用情况。周期测试可以评估蓄电池的性能衰减程度和寿命预测，判断其是否需要更换或维修。

2.6 智能监控系统

随着物联网和大数据技术的发展，智能监控系统在铅酸蓄电池健康监测中得到了广泛应用。智能监控系统通过传感器、数据采集、数据分析等技术，能够实现对蓄电池的实时监测、故障诊断和预警功能。这种方法可以提高监测的准确性和效率，及时发现和处理蓄电池的问题［4］。

3 铅酸蓄电池典型故障及原因

极板硫酸盐化阀控式铅酸蓄电池须避免过度放电，尤其是深度放电。若铅酸蓄电池长期充电不足或处于半放电状态下长期储存，将会使正负极板上生成坚硬而粗大的PbSO4结晶，PbSO4长期存在会导致电池放电容量降低。随着PbSO4的积累，极板的孔隙率逐渐减小，进而引起蓄电池内阻提高，电极反应速率下降，蓄电池的使用寿命逐渐降低。为了有效阻止极板硫酸盐化，延长蓄电池寿命，须使蓄电池处于充足电状态下，同时严禁过度放电情况的发生。

负极汇流排腐蚀是阀控式铅酸蓄电池固有结构引起的一种失效模式。由于阀控铅酸蓄电池的电解液只能浸润极耳底部，难以到达极耳上部和汇流排，隔板以上的汇流排、极柱连接部位均处于氧气氛围中，易发生腐蚀。当腐蚀严重时，汇流排会发生粉化导致其机械强度下降，在应力作用下发生断裂，引起电池断路失效。

热失控蓄电池相对密闭的结构导致其在充电过程中产生的热量无法及时散发，进而逐步损坏电池。热失控将导致铅酸蓄电池鼓包、漏气和容量下降，甚至发生爆炸，造成严重后果。充电电压过高是导致蓄电池热失控的主要原因。研究发现，在25℃时，铅酸蓄电池单格在2.35 V电压下浮充4个月将引发电池的热失控。控制浮充电压是避免铅酸蓄电池出现热失控最有效的手段之一。

在失水与正极板腐蚀铅酸蓄电池充电过程中，正极会发生水的分解。在正常状况下，由于铅酸蓄电池的负极氧吸收技术，蓄电池内部并不会损失水。然而，蓄电池过充电会加速水的分解反应，正极析出大量O2，负极析出大量H2。不断产生的气体导致铅酸蓄电池内部压力增大，需要通过排气阀向外排气，这将导致电解液中水分减少，造成电解液中硫酸浓度提高，进而促进正极板的腐蚀。相关资料表明，当水损失达到3.5mL/Ah时，铅酸蓄电池容量降至75 %以下；当水损失达到25 %时，蓄电池将会完全失效［5］。需要指出的是，一些因失水而引起容量下降的蓄电池，经加水后可使蓄电池容量恢复到接近正常值。

4 铅酸蓄电池在电网中的梯次利用

4.1 备用电源

铅酸蓄电池可以作为电网的备用电源，用于应对突发停电或电网故障等情况。当电网供电中断时，蓄电池可以迅速启动，为关键设备或重要负载提供持续稳定的电力供应，确保生产运行的连续性和稳定性。

4.2 负荷调节

铅酸蓄电池可以用于电网的负荷调节，即在电网负荷需求波动较大时，通过充放电控制蓄电池的输出功率，平衡电网供需关系。在高负荷时段，蓄电池可以释放储存的电能，为电网提供额外的负荷支撑；而在低负荷时段，蓄电池可以充电储存电能，以备后续使用。

4.3 峰值削减

铅酸蓄电池可以用于电网的峰值削减，即在电网负荷达到峰值时，通过蓄电池的放电来提供额外的电力支持，减轻电网的负荷压力。这种方式可以有效平衡电网的负荷曲线，降低电网运行的风险和成本。

4.4 频率调节

鉛酸蓄电池可以用于电网的频率调节，即在电网频率波动较大时，通过蓄电池的充放电调节电网的频率，保持电网的稳定运行。当电网频率偏高时，蓄电池可以吸收多余的电力进行充电；而当电网频率偏低时，蓄电池可以释放储存的电能，提供额外的电力支持。

4.5 储能系统辅助服务

铅酸蓄电池可以作为储能系统的一部分，提供辅助服务。例如，在可再生能源发电系统中，蓄电池可以储存多余的电能，以备不足时使用；在微电网系统中，蓄电池可以提供稳定的电力输出，平衡电网的供需关系。

5 铅酸蓄电池注意事项

5.1 充电和放电控制

在充电和放电过程中，需要严格控制电流和电压，以避免过充和过放。过充会导致蓄电池内部的化学反应失控，产生气体和热量，增加蓄电池的压力和温度，甚至引发火灾或爆炸。过放则会导致蓄电池容量衰减和寿命缩短。因此，应使用合适的充放电设备和控制系统，确保充放电过程的安全和稳定［6］。

5.2 温度控制

铅酸蓄电池的工作温度范围通常为-20℃至50℃。在使用过程中，应尽量避免过高或过低的温度环境。高温会加速蓄电池的容量衰减和内阻增加，降低蓄电池的寿命。低温会影响蓄电池的充放电效率和容量。因此，在安装和使用蓄电池时，应选择合适的环境和控制温度［7］。

5.3 维护和保养

定期维护和保养是保持铅酸蓄电池正常运行的关键。需要定期检查蓄电池的外观、连接线路和绝缘状况，确保其没有损坏和腐蚀。同时，还需要定期清洁蓄电池表面和端子，清除可能的污物和氧化物，以确保良好的接触和导电性能。此外，还需要定期检测蓄电池的容量、内阻、温度等参数，及时发现和解决问题。

5.4 安全操作

在操作铅酸蓄电池时，需要遵循安全操作规程，确保人员和设备的安全。例如，要正确连接和安装蓄电池，确保正负极接线正确，避免短路和反极性连接。同时，要避免对蓄电池施加过大的压力和振动，以防止蓄电池的损坏和泄漏。在处理废旧蓄电池时，要遵循环保和安全的处理方法，防止对环境和人体造成污染和伤害。

5.5 废旧蓄电池处理

废旧铅酸蓄电池属于有毒废物，对环境和人体有严重的危害。因此，在废旧蓄电池的处理过程中，需要遵循相关的环保法规和规范，采取合适的处理方法。一般而言，废旧蓄电池应交由专业的回收机构进行处理和回收利用，以减少对环境的污染和资源的浪费。

6 结语

为确保铅酸蓄电池在电网中安全可靠地作为后备电源运行，必须对其健康状况进行有效实时监测。因为对铅酸蓄电池电压的监控较为简便，所以利用铅酸蓄电池电压对其健康状况的评估在电网企业应用较广。利用内阻评估的交流注入法由于无须处于静态或脱机状态下就可检测，不影响铅酸蓄电池寿命，也是一种值得关注的评估手段。基于多参数的监测管理以评估铅酸蓄电池健康状况则是未来的主要发展方向。此外，为保障电网的用电安全，铅酸蓄电池在使用一段时间后需要强制退役，然而相当部分电网退役下来的蓄电池状态较好，可用于某些要求并不十分严格的场景，实现铅酸蓄电池的梯次利用。然而，现阶段我国电网用铅酸蓄电池的梯次利用缺少相关规章制度，电网企业对潜在的梯次利用下游用户需求了解不透彻，而下游用户由于对电网退役铅酸蓄电池性能了解不充分导致信任度不高，导致电网用铅酸蓄电池梯次利用程度较低。因此，有必要进一步健全规章制度、统筹发展，从源头上为促进铅酸蓄电池的梯次利用提供制度保障。

参考文献

［1］王鹏程，朱长青. 铅酸蓄电池监测系统发展综述［J］. 电源技术，2020，44（4）：636-639.

［2］张菲菲，王俊霞，杨勇，等. 阀控铅酸蓄电池的性能检测和监控方案［J］. 电力与能源，2020，41（1）：80-83.

［3］王淑秀，司志泽. 铅酸蓄电池充放电在线监控技术研究［J］. 轻工标准与质量，2019（6）：72-73.

［4］张端阳，郭树满. 铅酸蓄电池在线检测仪的设计［J］. 仪表技术与传感器，2019（6）：29-32.

［5］袁钰. 铅酸蓄电池精准维护探索与实践［J］. 江西通信科技，2019（2）：31-35，37.

［6］毛猛. 阀控铅酸蓄电池在线监测系统的设计［D］. 镇江：江苏科技大学，2019.

［7］刘重阳. 铅酸蓄电池在线监测与维护系统的设计及实现［D］. 北京：华北电力大学（北京），2019.