閥控式密封鉛酸(VRLA) 一電蓄電池的故障模式
閥控式密封鉛酸(VRLA) 一電蓄電池的故障模式
電解液干涸是造成VRLA 一電蓄電池?zé)o法使用的主要原因之一。許多故障模式都有導(dǎo)致電解液干涸的傾向。
高溫環(huán)境– 電池生產(chǎn)商一般采用在特定環(huán)境溫度下的工作年限的形式,來表達(dá)保修壽命或設(shè)計(jì)壽命。在可控環(huán)境下,可進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于一個(gè)保持恒定充電狀態(tài)(浮充壽命)的固定型VRLA 一電蓄電池來說,在最適宜的25°C (77°F)溫度基礎(chǔ)之上,每升高8°C (14.4°F),壽命減少50%。對(duì)于VRLA 一電蓄電池的批評(píng),一定程度上是因?yàn)樗鼈儚V泛用于狹窄、不可控的環(huán)境,如室外機(jī)柜等,這些環(huán)境中,溫度劇烈變化司空見慣。圖4 提供了在數(shù)據(jù)中心等溫度穩(wěn)定環(huán)境中持續(xù)工作時(shí)的預(yù)期合理服務(wù)壽命。
當(dāng)然,單憑經(jīng)驗(yàn),可能會(huì)忽略很多。圖4 只是考慮了一個(gè)因素(溫度),但實(shí)際上VRLA 一電蓄電池受多個(gè)因素影響。例如,即使室溫完全合乎條件,電池堆放過密或置于不通風(fēng)的機(jī)柜,也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度過高,從而使容量過早受損。
圖 4
工作溫度與電池壽命
循環(huán)壽命– 較少使用的電池,其壽命明顯長(zhǎng)于每天都充放電的電池。生產(chǎn)商的產(chǎn)品簡(jiǎn)介中很少公布電池的循環(huán)壽命。每次,您通過電池供電,就是在放電。您放電的功率瓦數(shù)和時(shí)間長(zhǎng)度決定了“ 放電深度”(DOD)。電池放電速率、兩次放電之間充電的時(shí)間,以及充電速率也都很重要。在電池的設(shè)計(jì)中,通常假設(shè)每年有2-3 次深放電(放電深度為100%)。一般來說,一個(gè)VRLA一電蓄電池能提供上百次的淺放電(放電深度<25%)。而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中,將有多種類型的充放電情況。
充電模式– 越來越多的證據(jù)表明,浮充電壓對(duì)VRLA 一電蓄電池的壽命影響很大。富液電池常見的、定期對(duì)電池高壓“恒流充電”的做法,公認(rèn)為對(duì)VRLA 一電蓄電池非常不利。數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房UPS 系統(tǒng)中使用的電池一般為恒定電壓充電,稱為浮充電壓。電池不能超過電池生產(chǎn)商規(guī)定的浮充電壓值。過度充電會(huì)導(dǎo)致電解液干涸,縮短電池壽命,并引發(fā)故障,有時(shí)甚至出現(xiàn)災(zāi)難。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房UPS 在10 倍于放電周期的時(shí)間內(nèi),將電池充電到額定電量的90%(例如,一次7 分鐘放電后,將充電10 x 7 = 70 分鐘)。如果充電過快,會(huì)給電池造成壓力,縮短其壽命。
為適用于數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房,系統(tǒng)必須包括一個(gè)能精確調(diào)整電壓的控制機(jī)制。它也應(yīng)該能根據(jù)溫度來調(diào)整電壓。
幾年前,大家普遍認(rèn)為,由于交/直流整流器不佳而導(dǎo)致的紋波電流是縮短電池壽命的主因。但如今,人們意識(shí)到,在大多數(shù)UPS 系統(tǒng)中,紋波電流并不會(huì)造成嚴(yán)重問題,但過多的交流紋波電流確實(shí)會(huì)對(duì)電池內(nèi)部熱量生成和服務(wù)壽命造成巨大影響。UPS 充電器應(yīng)盡量減少紋波電流(如每100 AH 低于5A 等)。
電池反極– 大型電池串聯(lián)組,主要是VRLA 一電蓄電池會(huì)出現(xiàn)電池反極現(xiàn)象。只有當(dāng)電池放電,且具備以下兩個(gè)前提條件時(shí),才會(huì)形成電池反極:
1. 在一個(gè)電池串聯(lián)組中,一個(gè)電池的電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它電池。
2. 電量較低的那塊電池被其它正常電池造成電極反極。
盡管出現(xiàn)電池反極,但電池組仍能保持足夠的總電壓,以便電池組繼續(xù)向負(fù)載供電。
這種情況是否會(huì)出現(xiàn),取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一般來說,電池總線電壓低于100 V 的UPS 系統(tǒng),或是采用并聯(lián)電池組的系統(tǒng),不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。因?yàn)殡姵匦阅芟陆祷蛏a(chǎn)時(shí)的問題,會(huì)出乎意料地形成上面第一個(gè)條件。而以上兩個(gè)條件都出現(xiàn)后,反極的電池會(huì)給全部電池電量帶來5%的功率消耗,導(dǎo)致電池嚴(yán)重過熱,甚至在某些極端狀況下爆炸。
幸運(yùn)的是,我們可以通過以下措施,幾乎完全避免系統(tǒng)中出現(xiàn)電池反極的風(fēng)險(xiǎn):
使用并聯(lián)電池組
使用較低的UPS 直流總線電壓
監(jiān)控電池組中的電壓
并聯(lián)電池組有助于防止上面第二個(gè)條件的發(fā)生,因?yàn)楫?dāng)問題電池上的電壓企圖反極時(shí),電流會(huì)流入鄰接電池組。插裝式電池模塊采用并聯(lián)電池組,不會(huì)出現(xiàn)這種故障模式,因?yàn)樵噲D反極的電池上的負(fù)載電流會(huì)流入鄰接電池組。
內(nèi)部故障– VRLA 故障包括負(fù)極端子侵蝕、負(fù)極匯流排破損、極板過度增長(zhǎng)、負(fù)極容量損失,以及正極和負(fù)極匯流排相觸等。這些故障會(huì)在電池使用后的1 至5 年內(nèi)出現(xiàn)。
板柵侵蝕/極板間距變短– 正極板柵侵蝕/增長(zhǎng)是導(dǎo)致VRLA 一電蓄電池和插裝式電池模塊(特別是設(shè)計(jì)壽命較短的電池)故障的主要原因之一。這種情況下,總是先發(fā)生電解液干涸,再出現(xiàn)板柵侵蝕問題。正極板柵侵蝕也是富液電池系統(tǒng)的一種常見故障模式。它造成機(jī)械強(qiáng)度減弱,最終使得板柵上鉛脫落。內(nèi)部阻抗增加,而電量減少。嚴(yán)重時(shí),板柵侵蝕會(huì)破壞一電蓄電池箱、蓋和端子。極板間距變短也是一種常見故障模式。這種故障減少了電池電量,但電池組仍能為UPS 供電。
互聯(lián)故障– 大多數(shù)電池間連接故障會(huì)導(dǎo)致突然斷路,不會(huì)造成危險(xiǎn)。但一小部分互聯(lián)故障會(huì)造成穩(wěn)定高阻抗。在VRLA 一電蓄電池系統(tǒng)中,放電期間,連接端子上電流很高。高阻抗互聯(lián)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重過熱甚或火災(zāi)。帶有電流和溫度監(jiān)控的電池系統(tǒng)能夠檢測(cè)或在其嚴(yán)重前防御此類故障模式。插裝式電池模塊在工廠出廠前就已完成連接,故障率低。插裝式電池模塊一般在低電流下運(yùn)行,因此不像富液電池那樣,對(duì)低阻抗連接有較高的要求。
熱失控– 當(dāng)一個(gè)VRLA 一電蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于極高“浮充”電壓狀態(tài)或在完全重組模式下過度充電,幾乎所有過度充電的能量都變成熱能。出色設(shè)計(jì)的應(yīng)用能夠熱失控,達(dá)到熱平衡,因此不會(huì)出現(xiàn)問題。但是,如果熱量產(chǎn)生速度超過散熱速度,電池溫度將會(huì)升高。溫度升高,則會(huì)使電池電流增加(浮充電流)。而電流增加,則又進(jìn)一步提高溫度,為保持浮充電壓不變,就需要更高電流。更高電流又散發(fā)更多熱量,直至電解液在126°C (259°F)蒸發(fā)為止。在排氣口打開,釋放出氫氣、氧氣,偶爾還釋放出極少量的硫化氫和霧狀電解液之前,電池中始終存在壓力。電池內(nèi)部壓力和外殼材料在較高溫度下的軟化,已證實(shí)會(huì)造成一電蓄電池箱凸起甚至破裂。如果一直不能察覺,那么這個(gè)惡性循環(huán)將繼續(xù),直到電池電解液干涸并失效。
以下情況會(huì)導(dǎo)致熱失控:
高溫環(huán)境
通風(fēng)不良/電池/設(shè)備間未留有足夠空間
缺乏能降低電壓的電壓補(bǔ)償
不當(dāng)?shù)母〕潆妷赫{(diào)整(充電器電壓過高)
電池組中單個(gè)電池故障
充電器故障導(dǎo)致高輸出電壓、電流或紋波電流
過度冗余的整流器(造成充電電流過高)
在熱失控中,高電壓和高熱能互為因果。如果其中一個(gè)消失,則熱失控問題就會(huì)得到緩解。出色設(shè)計(jì)的整流器或不間斷電源系統(tǒng)采用了溫度補(bǔ)償充電。實(shí)際上,防火規(guī)范現(xiàn)在要求為安裝在數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房中的電池配備經(jīng)過認(rèn)可的溫度補(bǔ)償設(shè)備。溫度補(bǔ)償充電能夠監(jiān)控電池溫度,根據(jù)電池溫度的增加情況,按比例降低充電電壓。對(duì)于熱失控的校正措施包括:
降低房間或機(jī)柜中的環(huán)境溫度
將電壓降低到將引發(fā)熱失控的閾值以下(對(duì)于工作于恒定電壓的電池)
將電流降低到將引發(fā)熱失控的閾值以下(對(duì)于工作于恒定電流的電池)
斷開電池與充電器或整流器的連接
關(guān)閉整流器或充電器
閥控式密封鉛酸(VRLA) 一電蓄電池的安全