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通信用密封铅蓄电池组的可靠性——桂长清、柳瑞华

2/14/2005来源:通信电源人气:14713

通信用密封铅蓄电池组的可靠性——桂长清、柳瑞华 1 前言 阀控式密封铅蓄电池(VRLA)已广泛用于邮电通信电源系统之中,在这些长期连续工作的系 统中,电源一旦出了故障将会给通信系统造成无可挽回的损失。由于这种电池是密封的,不能像 以往对待开口式含自由电解液的铅蓄电池那样,利用监测电池电解液密度的办法去判断电池的容 量或可能出现的故障,因而对VRLA电池组的可靠性似乎感到。心中无数,对新装机使用的VRLA而 言,人们希望知道在多长的使用时间内不会出现故障;对使用过一段时间VRLA而言,也需要知道 在一定时间内电池组的失效概率。 阀控式密封铅蓄电池跟其他产品一样,其可靠性育于产品的设计、生产、试验、使用和维护 的全过程之中。同时,阀控式密封铅蓄电池又是渐变失效产品;电池组中的每只电池都是串联使 用的,即它们的使用条件基本上是相同的,因而就有可能在统计分析各单只电池失效分布的基础 上,对整组电池进行可靠性评估。 本文拟就阅控式密封铅蓄电池全寿命过程中的各个重要环节,提出一些切实可行的措施和意 见,以期提高VRLA电池组的可靠性。 2 设计决定了产品固有可靠性 2.1电池内各组件的逻辑关系 单只VRLA是由正极群、负被群、多孔性隔膜、电池槽盖、电解液、排气阀6个主要组件组成 的, 其中任何一个组件出了故障都会给电池的可靠性带来损害,即降低了整块电池的可靠度R(t), 因而从逻辑关系上来分析,电池的这6个主要组件的关系应当是串联的,那么整个电池的可靠度R (t)将由各个组件的可靠度R(t)来决定。 电池的正权群和负极群又都是分别由许多片正极板和负极板组成的。从电气连接上来看,各 片正(或负)极板都是并联在一起的;从逻辑功能方面看,任何一片极板的失效并不会导致整块 电池失效,必须全部极板同时失效才会引起极群失效,因而它们也可视为并联的。 邮电通信部门使用的阀控式密封铅蓄电池都是在浮充状态下使用的,从现有的使用数据和失效 机理统计结果来看,电池因失水、漏液、“鼓肚子”而导致失效的现象最普遍,我们以前已经指 出,除了由于电池使用维护不当之外,从设计角度来看,排气阀设计的参数不当或在使用过程中 阀片衰变失效是引起上述现象的根本原因。排气阀开启压力设计太小,则电池就容易失水;如果 开启压力过大,则电池槽就容易在内部过大的气体压力作用下引起“鼓肚子”变形及漏液。由此 可见,小小的排气阀对保证VRLA的可靠性起到了极为重要的作用。 2.2冗余设计的作用 冗余设计是可靠性设计技术之一。在参考文献中我们曾指出过冗余设计技术对提高蓄电池可 靠性的作用。实践经验表明,蓄电池的设计容量应当大于额定容量。这样一方面可以保证每只电 池的容量均在额定值以上(因为各个电池的容量总会有差别的),另一方面会对延长电池使用寿 命有利。 根据以前的研究结果,如果电池的设计容量是额定容量的k倍(K>1),那么蓄电池使用寿命 得以延长△T。 式(3)中的r为蓄电池的失效率,其定义为:蓄电池在经过t时间使用过程后,尚未失效的电 池单位时间内发生失效的概率,它可以从电池容量Q的对数lnQ对使用时间t作图求出来。 由(3)式可以看出,虽然加大蓄电池的设计余量可以延长蓄电池寿命,但其延长的数值△T 并不跟富余量成正比。数字分析表明,富余量在2O%以下时,其效果是明显的。对于用户来说, 在使用条件和经费允许的情况下,应适当选取容量比较大的电池,以利于提高蓄电池组的可靠性。 2.3先并后串有利于提高电池组的可靠性 由可靠性工程原理可知,先由m个单元串联组成子系统,再由n个子系统并联组成总系统。 先由m个单元并联组成子系统,再由n个子系统串联组成总系统。 在邮电通信设备中,广泛使用由24只蓄电池串联组成的蓄电池组。有时为了保证设备的用电 量,又将2或3组蓄电池并联供电,这就是先申后并的组合方式。如果假定各单只电池的可靠度相 同且Ri=0.99,则由方程(4)算出,由24只电池先串联组成子电池组以后再由2组这种电池组成 总电池组的可靠度。 要是先由2只电池并联,再将24个这种电池组串联,则总蓄电池组的可靠度。 显然,采用先并联后串联的方式组成的蓄电池组,其可靠度将比先串联后并联的方式要高。 如果考虑到各单只电池的不均匀性,那么这种先并后串的连接方式对防止出现两组电池偏流有利。 这一看法已在我们最近的试验中得到了证实。 3 生产工艺过程保证了VRLA的可靠性 为了实现设计意图,使蓄电池产品尽可能达到设计的固有可靠性,则生产工艺过程控制和质 量管理水平就成为决定蓄电池组可靠性的关键因素了。 首先,必须严格控制主要原材料的规格等级和来源。阀控式密封铅蓄电池在搁置或工作时, 应尽可能减小析氢量,因而这种电池所用主要原材料中的杂质含量就要求得比普通铅蓄电池严格 得多。为了保证电池组的均匀性好,那么对玻璃纤维隔膜厚度和定量的均匀性就要有严格的要求。 尤其是某些负极添加剂,工业级的反比化学纯的效果要好,并且不同产地生产的添加剂(例如腐 植酸)会得到不同的效果。 其次,生产过程中必须严格按照工艺技术文件的要求去做,对生产中所需要的各种原材料和 半成品的数量和质量必须严格控制。譬如说向电池中注入的电解液量就是一个非常关键性参数。 电解液太多,将会妨碍电池内部在充电时产生的氧循环;电解液太少,又会影响电池的放电容量。 实践经验表明,每只电池中加入的电解液量是影响各单只电池性能均匀性的重要因素。 以上只是对已经定型和批量生产的阀控式密封铅蓄电地提出的一些主要要求,虽然这种电池 在邮电通信部门大规模使用的时间只有几年,但使用结果已经表明,由于初期的设计缺陷、外购 件和原材料的隐患、装配失误以及制造过程中的各种随机因素造成的薄弱环节,致使产品的可靠 性低于预计的可靠性。其中电池使用寿命(3-5年)远低于设计指标(10-15年)就是一个明显例 子。因而为了使产品的可靠性达到设计水平,为了使产品的可靠性不致衰退,那么在从事生产的 同时还应当进行可靠性增长试验,找出薄弱环节,尽早采取正确的纠正措施,确保蓄电池产品的 可靠性。 4 正确的使用维护可延缓电池可靠性的衰退 铅蓄电池在使用过程中,其性能是逐渐衰退的,均匀性也是逐渐变差的。在对开口式铅蓄电 池的性能进行长达十余年的跟踪和统计结果得出:铅酸蓄电池在使用过程中,充足电态的电池的 电解液密度和充电电压会逐渐降低;放完电后电池的电解液密度却逐渐增高,同时各个电池性能 之间的均匀性也逐渐变差。因而蓄电池组的可靠性也就逐渐降低或衰退。这种趋势是铅蓄电池无 法完全避免的,也是其他类型渐变失效产品的共有特性。 然而正如我们以前指出的那样,正确的使用维护工作可以延长密封铅蓄电池组的寿命,即可 以延缓蓄电池组可靠性的衰退。与此相反,如果使用维护不当,则会使蓄电池组早一些失效。以 下针对邮电通信部门的使用条件,对处于浮充状态之下长 期使用的阀控式密封铅蓄电池的维护工作提出几点意见。 4.1正确选择与及时调整浮充电压 阀控式密封铅蓄电池是在“贫液”状态下工作的,其电解液全部存储在多孔性的隔膜之中。 使用效果表明,当前大部分阀控式密封铅蓄电池组容量下降的原因都是由电池失水造成的,后 者最直接的原因就是因为电池浮充电压选得不妥。浮充电压过高,电解水反应加剧,析气速度 大,失水量必然增大;浮充电压过低,虽然可降低失水速度,但容易引起极板硫酸盐化。因而必 须根据电源系统负荷电流大小或停电频次,以及电池温度和电池组新旧程度及时调整充电电压。 表1列出不同温度时的浮充电压值,可供参考。 4.2尽可能使环境温度保持在(20土5)℃ 阀控式密封铅蓄电池如果使用维护不当,则会使电池内的温度和电流发生一种积累性的相互 增强作用,使电池内的温度迅速升高。轻者会使电油槽变形“鼓肚子”,导致电池失效,重者还 会波及到整个通信电源系统。 出现上述热失控的原因,除了由于电池结构紧凑、散热困难以及电池内部氧复合反应导致热 反应外,电池周围环境温度升高也是很重要的原因。尤其是在夏天或野外,气温会高于35℃,此 时浮充电流就自然增加,又引起温度升高。如此形成恶性循环,导致电池热失控。如果能使电池 环境温度保持在(20土5)℃并且及时自动调整电池浮充电压,这样就可以防止电池出现热失控, 保证了蓄电池组的可靠性 5 VRLA失效概率估算 通过以上分析和采取的措施,可以延长电池使用寿命提高蓄电池组的可靠性,但蓄电池并不能 “长命百岁”,性能总是要衰退的,可靠性总是要逐渐下降的,因而就有必要对使用过程中的 VRLA 失效概率进行评估。 根据我们以前的研究结果,阀控式密封铅蓄电池的失效分布是服从两参数指数分布规律的。 式( 6)中的 F(t)表示阀控式密封铅蓄电池组的失效概率,t。为保证寿命,其物理意义 是: 在蓄电池组中除个别早期失效电池外(这种电池主要是某些偶然因素引起的,可在出厂试验时筛除 掉),在使用时间到达众之前是不会出现失效电池的。 由此可知,只要确定了蓄电池组成批量电池的失效率r及保证寿命t。,那么蓄电池组在任何 时 刻t。的失效概率F(t)就很容易由(6)式算出,随之利用方程(7)就可求得其可靠度R(t)。 当使用中的蓄电池组中还没有出现单只电池失效时,则表明该组电池的使用时间尚未达到t。 值。 此时我们应当注意各个电池的浮充电压和放电电压,如果它们都比较均匀,则用户可以放心使用。 当蓄电池组中开始出现第一只失效电池时(即该电池的放电容量低于额定值的8O%),则应 记 下其失效时间出。在整组电池的输出性能仍可满足用电设备要求的条件下,可以继续观察其他电池 的失效时间。当观察到有4~5只电池失效时,就可以利用我们以前提供的方法求出该蓄电池组的保 证寿命t。和失效率r。从而利用(6)式评估出该蓄电池组在以后使用过程中的失效概率。 6 结论 (1)设计决定了VRLA产品的固有可靠性;采用冗余设计技术和先并后串的组合方式,有利于 提 高蓄电池组的可靠性。 (2)严格按照生产工艺进行生产并控制原材料和半成品的质量,是实现电池设计可靠性的根 本 保证。 (3)正确的使用维护可以延长VRLA的使用寿命,提高蓄电池组的可靠性。 (4)VRLA的失效概率分布服从两参数指数分布规律,利用蓄电池组的使用数据求得其失效率 入 和保证寿命t。之后,就可以评估出任何时刻蓄电池组的失效概率。