后备用VRLA电池充电方式的探讨

杨勇，赵俊，陈伦维

（深圳市佰特瑞储能系统有限公司，广东 深圳 518057）

0 引言

VRLA 电池由于全密封设计，不漏液，无需补水维护，中高功率特性好，体积小，可与电气设备共室安装，用作后备电源具有良好的适应性优势。但是，在实际的应用中发现，浮充电状态下 VRLA电池的使用寿命往往较短，而且其故障率比开口富液式电池的高。因此，笔者着重对 VRLA 电池在浮充后备应用下的原理和特性进行分析和总结，并探讨了浮充充电方式是否适合后备应用的 VRLA 电池，并提出了更加适合于后备应用 VRLA 电池的充电方式。

1 后备电源上VRLA电池使用方式—浮充电应用

由腐蚀、水分解和氧复合等副反应引起的的自放电现象在铅酸电池中是不可避免的。为了补偿铅酸电池的自放电，需要给电池施加一个等于或高于自放电的电流。传统的做法是施加一个略高于电池开路电压的恒定电压，产生一个充电电流。这种充电方式被称为“浮充充电”。通常在浮充应用条件下，电池与固定的充电器/整流器连接，只在偶然的电源断电时提供电流。理论上，这种应用条件对于电池的使用是有利的，还成功地避免了 VRLA 电池循环能力较弱的弊端。特别是 VRLA 电池还具有大功率放电特性好，安装方便，无需补水等优点，当客户对于较短的使用寿命没有苛求时，这看起来似乎是完美的方案。

然而需要明白的是，浮充电方式用于后备电源一开始是针对开口富液式电池的。实际的应用结果表明，浮充电方式与开口富液式电池匹配良好。当VRLA 电池出现，并表现出比开口电池更好的适用性优势时，这种充电方式也被沿用了下来，因此可以说，浮充电方式用于 VRLA 电池更像是一个权宜之计。

2 VRLA 电池用于后备电源存在的问题

2.1 VRLA 和开口富液式电池的区别

开口富液式电池（含锑合金）的铅酸蓄电池中，负极的自放电速率是正极的好几倍。而在无锑合金铅酸蓄电池中，比如常见阀控式密封铅酸蓄电池中，负极的自放电速率相对于含锑合金电池来讲已经被大大降低了，且负极自放电速率低于正极[1]。相对于开口富液电池，VRLA 电池特性显示出很大的不同，在很大程度上决定了它们的性能，及预期的浮充寿命与开口富液式电池的区别。

2.1.1 浮充电流增大

浮充电流的增大是由于正负电极过电位的分布不同所导致，而氧复合技术使得正极板电势更向正电位值偏移。从图 1 清楚地看到，与开口电池相比，VRLA 电池正极极化电位的更高。在富液式电池中，当活物质完全形成时（充满电），电池就转入所谓的塔菲尔 Tafel 区间，这时主要的电化学反应为水的电解，而且浮充电流由氢氧的分解程度来决定，即相当于正极析氧及负极析氢电流之和。对于 VRLA 电池，氧气的扩散，以及其在负极的复合，直接增大了浮充电流。VRLA 电池的浮充电流大约是开口富液式电池的 10 倍。

图1 开口电池和 VRLA 电池正、负电极的极化曲线[1]

2.1.2 单体间浮充电压偏差更大，一致性差

图2 2 V 500 Ah 电池浮充 180 d 的电压变化

图2是2 V 500 Ah 新电池（电池组电压 48 V）浮充 3 个月期间浮充电压的变化曲线。浮充电初期电压偏差较大，浮充电过程中随着隔板中电解液饱和度的变化，复合效率的大小不断得到调整，逐渐降低了浮充电压的偏差，但单体之间存在电压偏差是客观存在的，而且这种偏差比富液式电池更明显。浮充应用下 VRLA 电池单体电压之偏差可达100 mV/2 V。如图 2 所示，在标准浮充电压 2.25 V的情况下，最高单体电压达到 2.34 V，而最低只有2.16 V。这是因为：1）VRLA 电池密封复合反应效率的偏差较小，导致负极板过电位的偏差很大。2）串联电池组中各电池浮充电压是不断变化的。

2.1.3 浮充电过程中 VRLA 电池的副反应增多，且反应被加速

对于开口富液式电池，浮充条件下副反应主要是水的电解。相对于富液式电池，VRLA 电池负极的副反应主要有析氢和氧复合反应，而正极的副反应则主要是析氧和腐蚀反应。由于氧复合反应产生很大热量，导致电池内部温度的升高，自身又产生了各种副反应的加速因子。因为温度升高，电池失水加大，会增加隔板氧复合通道，使得氧气复合电流也随之提高，浮充电流随之增大，温度进一步升高，所以形成相互加速的恶性循环。

2.2 浮充电方式加速 VRLA 电池失效

2.2.1 浮充电方式造成持续过充电

副反应是蓄电池自放电的主要原因，而 VRLA电池比开口富液式电池有更多的副反应。VRLA 电池的自放电是由于与主反应同时存在的各种反应，比如活性物质的充电和放电，以及不可逆的副反应如腐蚀、水分解和氧复合。浮充条件下浮充电流不仅要补偿正负极活性物质的自放电，还要补偿板栅腐蚀，以及氧复合等不可逆副反应引起的自放电，因此浮充电流远大于电池正常自放电的电流。由于无锑合金的效应，VRLA 电池负极的自放电比开口富液式电池的大幅降低。由图 3 可知，在浮充条件下，VRLA 电池正负极的自放电占比比较低，因此持续的浮充电实际上是对电池进行持续的过充电。这和浮充充电制度的初衷似乎是矛盾的。

图3 温度不变，不同浮充电压下浮充电流的分布[2]

2.2.2 浮充电过程加速电池的发热、腐蚀和失水

浮充电过程中，由于氧复合的持续发生，电池内部温度升高，从而产生了重要的加速因子。高温加速板栅腐蚀和浮充电流。一般来说，温度增加10 ℃，反应速率加倍。在电化学反应中，这意味着等效电流增加了一倍。如图 4 所示，同样的浮充电压下，温度升高 10 ℃，浮充电流值增加 1 倍以上。此外，浮充电产生极化的同时也增加了电池两极的析气速率，同时还增加了电池内部的气压。这将会增加 VRLA 电池安全阀开闭阀频率和水蒸气透过 ABS 电池壳的速率，结果是加速了电解液失水的速率。

图4 不同温度下 (2.25Vpc 固定浮充电压) 浮充电流[2]

2.2.3 浮充电方式提升了对电池组一致性的要求

在持续的浮充电状态下，VRLA 电池单体之间很容易发生不一致性，从而影响串联电池组的整体寿命。这也可以理解为浮充电方式对于单体一致性的要求较高。

2.3 实际应用采用偏高的浮充电压

副反应在正负电极发生是相互独立，且正负极的自放电速率也是不相等的[1]。此外，由于在电池两极间施加了一个恒定电压，导致正负极间的电位分配不同（见图 1）。因此，理论上要找到最佳的浮充电压是非常困难，甚至是不可能的。在现实中，平衡电位取决于很多因素，比如温度、电解液密度、板栅合金。在串联电池组中，单体电压的离散现象也是存在的。适用的浮充电压值还是由经验来确定。实际应用中，为了避免出现欠充电的风险，对于富液电池通常采用的浮充过电压为 80～90 mV，而对于 VRLA 电池，通常采用更高的浮充过电压，增加至120 mV（如对于开路电压为 2.15 V的单体电池，浮充电压为 2.27 V）。因此，在浮充电状态下 VRLA 电池是一直被过充电的，浮充电方式是维持电池 SOC 和 SOH 的一种折衷。

2.4 VRLA 电池难维护影响了电池的使用寿命

这主要源于 VRLA 电池与开口富液式电池不同和更加复杂的结构特点：1）VRLA 电池是一个密封系统，蓄电池外壳是不透明的，所以不能像对开口富液式电池那样，可以直观地查看内部状态；2）采用不流动的电解液，贫液设计，所以电池对电解液失水敏感；3）由于采用密封结构，其散热性比开口富液式电池的差很多，充电过程中热量容易累积。因此，VRLA 蓄电池的维护工作至今仍然是一个薄弱环节。日常维护中难以及时发现落后单体，而落后单体的存在会拖累整组电池的寿命。这是 VRLA 电池相对于开口富液式电池存在的又一个先天不足。

3 关于间歇充电方式

3.1 间隙充电方式

图5 间歇充电方式与浮充电方式

间歇充电方式，如图 5 所示，不再像传统的浮充电方式，一直持续地给电池组充电，而是间歇性地对电池组进行补充电，大部分时间让电池处于开路状态（或称休眠状态）。电池在补充电和休眠状态下不断切换。智能的间歇充电管理方式运用于密封蓄电池在国外已经有较长的历史，如法国 EDF在 10 多年前就开始了用于电站的间歇充电管理，UPS 行业的厂家 EATON 有主动均衡电池管理系统（ABM）[3]，但总体上相关的应用还较少，没有形成影响。

3.2 间歇充电方式的优势

3.2.1 降低 VRLA 电池过充电

因为间歇充电方式大幅减少了电池充电时间，让电池大部分时间出于开路状态。开路状态下，电池的副反应被大幅降低，比如失水，氧复合反应以及板栅腐蚀。如图 6 所示，在休眠模式下电池正极板的腐蚀速率较低。众所周知，浮充电应用下电池寿命终止的一个重要原因就是板栅腐蚀。BSB 最新开发的智能间歇充电管理方式，实现了更加精细的间歇充电管理，将电池浮充过充电电量降低 80%以上，浮充使用寿命延长约 1.5 倍，如图 7 和图 8所示。

3.2.2 降低 VRLA 电池充电时的发热

图6 正极板在不同电压下的板栅腐蚀对比[2]

图7 不同充电方式下 12 V 100 Ah 电池累计过充电量

图8 不同充电方式下 12 V 100 Ah 电池高温浮充加速衰减曲线

持续的浮充电会导致电池内部温升，甚至热积累，这是造成 VRLA 电池浮充运行中期电池热失控的主要原因[4]。温度是典型的浮充寿命加速因子。采用间歇充电方式时，由于补充电的时间很短，因此几乎不会导致电池温升，从而降低了温度对电池的影响。

3.2.3 提高 VRLA 电池的高温耐受性

从电池的反应原理不难理解，VRLA 电池之所以不耐高温，是因为在浮充电状态下电池过充电，以及高的氧复合效率产生热量累积，而热量累积又导致温度更高，恶性循环最终导致热失控事故发生。在间歇充电模式下，电池大部分时间处于休眠状态，没有持续浮充过充电导致的发热（氧复合和欧姆电阻），电池内部没有持续的热量产生和累积，因此也没有热失控风险。在休眠和放电状态下电池可以耐受较高的温度。这也可以理解为，电池不怕高温搁置和放电，怕的恰恰是高温下的充电和过充电。

3.2.4 降低了成组使用对电池组一致性的要求

由于间歇充电方式不会持续地进行充电，其短时的补充电是为了补偿电池的自放电，因此对电池浮充状态下一致性的要求就大大降低了。电池组中各单体电池的荷电状态和均匀性主要取决于电池的充电接受能力，而不是使用过程中的放电情况，也和电池之间的一致性无直接关系。间歇充电目的只需保持保证电池达到满电的状态即可，对充电电压的要求也降低了，因此可以选择更高的充电电压获得更高的充电速率，而不需担心欠充电和过充电的问题[5]。

3.2.5 对电池的检测更加准确有效

在间歇充电的休眠阶段，配置的电池管理系统（BMS）可以直接监测电池的开路电压，以及开路状态下的内阻。由于没有受到浮充电压和浮充电流的干扰，因此检测结果更加准确有效，更能真实反馈电池的状态。

3.2.6 间歇充电方式更加节能

采用间歇充电方式时，充电时间大幅减少，因此更加节能。采用间歇充电方式可以降低约 80%的充电量，同时也极大地减少了充电电源模块的工作时间。

4 结束语

基于以上理解，间隙充电方式从原理上更加适应了 VRLA 电池的特性，避免了常规浮充电的不利影响，并极大地提高了电池的可用性。简而言之，间歇充电方式使得 VRLA 电池工作在更加健康的状态下，从根本上提高了电池可靠性，延长了电池的使用寿命。

参考文献：

[1]PHUONG NGUYEN T M, DILLENSEGER G, GLAIZE C, et al.Traditional float charges:are they suited to stationary antimony-free lead acid batteries?[M]//Bouras C J.Trends in Telecommunications Technologies.2010: 665–692.DOI: 10.5772/8495.

[2]JERGL J, COLE B, PURCELL S.Real world effects on VRLA Batteries in float applications[C].International telecommunications energy conference-INTELEC, 1996: 351–357.

[3]Eaton Group.Advanced battery management(ABM) and battery testing in Eaton UPS: White paper[Z].2009.

[4]王吉校, 王秋虹.VRLA 蓄电池的失效模式研究[J].蓄电池, 2008, 45(2): 58-61.

[5]张磊, 杨学光, 拾华杰, 等.VRLA 蓄电池循环寿命与浮充电压关系的研究[J].蓄电池, 2012,49(1):18-20.DOI: 10.16679/j.cnki.21-1121.2012.01.006.