何涛¹ 罗小荣² 孙文侠³

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京  100195）

摘要：本文介绍了铅酸蓄电池在高速公路机电系统的重要作用，简述了对铅酸蓄电池的维护要求和检测内容，重点介绍了梧柳高速上使用的蓄电池维护系统对替代人工维护和提升安全性的作用。

关键词：梧柳高速  铅酸蓄电池  

高速公路机电设备是实现高速公路信息化、智能化的关键设备，在高速公路的监控系统、收费系统和通信系统上发挥着重要的作用。为了防止供电电源中断，UPS不间断电源、EPS应急电源、通信开关电源等大量的应用在机电系统中。UPS、EPS、开关电源等能够持续供电的关键是其配备了性能稳定、安全可靠的铅酸蓄电池作为其后备核心，可以说铅酸蓄电池对保证高速公路的正常运营发挥了重要的作用，而对铅酸蓄电池的维护就是机电设备维护工作的“重中之重”。

梧柳高速全长214.35公里，共有收费站10个，3个分中心，12个通信站，均采用UPS供电，共有UPS 30台、使用蓄电池数量很多，均采用阀控式铅酸蓄电池（VRLA）。

1.铅酸蓄电池维护的必要性

目前在高速公路的UPS、EPS、开关电源中广泛使用的是阀控式铅酸蓄电池（VRLA），也被大多数电池厂商称为“免维护蓄电池”。但这种称谓也使得在蓄电池的使用过程中，人们往往错误的认为蓄电池是“免维护”的而不加重视，许多用户从安装上蓄电池后就基本没有进行过维护和管理，造成电池组安全可靠性无法达到有效保证、在网使用寿命严重缩短。

阀控式铅酸蓄电池（VRLA）的工作原理基本上是沿袭了传统的铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二氧化铅(PbO₂)，负极活性物质是海绵状金属铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H₂SO₄)。它的正极板采用铅钙合金、隔板采用超细玻纤隔板，使用紧装配和贫液设计工艺技术，整个电池反应密封在塑料电池壳内，出气孔使用单向的安全阀，使得其可以实现密封，无需添加电解液，但它实际上应该是一种少维护而非免维护的蓄电池。

高速公路上常用的阀控式铅酸蓄电池大多为标称电压12V的蓄电池，设计寿命为4-6年，但实际使用年限约为3-4年，这主要是受到电池使用环境及后期缺少必要维护造成的。如果使用单位缺少对蓄电池的维护常识，缺乏必要的测试和维护手段，那就不能及时有效的了解蓄电池的健康状况，为UPS系统的正常工作留下安全隐患。据高速公路运维人员统计，在UPS故障中约有50%以上是因蓄电池引起的。如果蓄电池组不能在关键时刻发挥作用，那就有可能造成高速公路机电系统瘫痪，丢失数据，无法进行正常运营。

2.铅酸蓄电池使用中存在的主要问题

阀控式铅酸蓄电池（VRLA）常见的问题主要有：电池失水、负极板硫酸盐化、正极板腐蚀、热失控等几种。

2.1 电池失水

电池失水主要原因是电池密封不严，在充电时产生的氧从电池中溢出，另外还包括电池浮充电压设置不正确、正极板栅腐蚀消耗水分、电池自放电过程中损失水分。

2.2 负极板硫酸盐化

阀控式铅酸蓄电池负极的主要活性物质是海绵状铅，正常情况下充电时很容易生成海绵状铅，但如果电池经常处于充电不足或过放电状态，负极就会逐渐形成一种粗大坚硬的颗粒状硫酸铅结晶体，从而失去活性不再参与化学反应。硫酸盐化使电池的活性物质减少，电池的有效容量降低。

2.3 正极板腐蚀

UPS电池一直处在浮充状态下，一方面可以阻止电池自放电，另一方面存在腐蚀正极板栅的趋势，板栅腐蚀的过程又伴随着水的损耗，造成电解液中硫酸的比重增高，导致正极板栅腐蚀。

2.4 热失控

如果UPS电池工作环境温度过高，或者充电设备电压失控，则电池充电电流和温度发生一种积累性的互增，直到热失控使电池壳体严重变形、涨裂、电池容量下降。

3. 铅酸蓄电池的日常维护及常见问题

作为UPS、EPS、开关电源系统的关键组成部分，蓄电池必须定期进行测试和维护，并要根据测试数据进行分析，了解每一块单体电池的状态。遇到单体电池落后或损坏，要及时维护或更换，否则可能会引发整个电池组的性能下降，当市电中断时，UPS、EPS无法达到设计的供电时长，使系统中断造成损失。因此制定一个完整、有效、定期的蓄电池维护测试规程是非常重要的。

3.1 蓄电池日常维护内容及方法

表1是蓄电池月度常规检查的基本内容，另外应该按季度和按年度给电池组进行浅度放电和核准容量放电操作，保持电池的活性。

表1 蓄电池月度常规检查内容

3.2 蓄电池的内阻测试

除了对蓄电池进行电压检测外，蓄电池的内阻数据是一项非常重要的信息，应该定期采用内阻测试仪检测内阻对蓄电池的性能状况进行分析和辨别。在电池测试维护标准IEEE Std 1188中对内阻测量和数据分析作了说明，指出内阻受包括物理连接、电解液离子导电性和电极表面活性物质的活性3方面因素的影响，内阻值与所采用的仪器和测量方法有关，内阻的变化可以当作电池性能或者说容量变化的指示。明显的内阻变化表明蓄电池有大的性能改变，超过30%的变化即可认为明显，但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。

3.3 蓄电池日常维护中常见的问题

在高速公路的实际机电运维工作中，经常会遇到以下问题：蓄电池的手工检测比较繁琐，数据分析需要专业知识；很多场合不具备定期放电检查的条件，且电池放电测试的风险较高；具有“电池管理功能”的UPS并没有检测判断单体电池故障的能力；大部分电池监测系统只采集了电池的电压，反映不出问题；无人值守站的日常检查的时间成本和费用很高。

4. 铅酸蓄电池的维护技术

4.1 常见的铅酸蓄电池维护技术

目前铅酸蓄电池的维护保养，通常有大电流充电法、负脉冲充电法、添加活性剂方法、高频脉冲充电法、复合脉冲谐振法等几种方法，它们的优缺点如表2所示。

表2常见的铅酸蓄电池维护方法

4.2 电流型复合脉冲谐振技术

特定频率的脉冲对硫酸铅结晶体有破坏作用，复合谐波共振技术就是运用复合谐波脉冲能量冲击硫酸铅粗晶粒，干扰其存在和生长，把蓄电池硫化的“不可逆”变成“可逆”。当具备复合谐波共振技术的设备工作时，会持续输出具有特定频率、特定幅度的脉冲电流，相对于蓄电池中大小尺寸不等的硫酸铅结晶体，使其脉冲频率与硫酸铅结晶体固有频率产生共振，当能量足够时，硫酸铅结晶体被“击碎”、“分解”并溶解于硫酸电解液，重新参与化学反应。

对于复合脉冲共振技术，又分为电流型及电压型，其中电压型脉冲采用电感与电容电路产生的脉冲(共振)技术，其实际脉冲电流仅为mA级，产品输出脉冲强度是通过调整其脉冲宽度（电压）来实现的。该共振技术所供给的能量无法完全兼顾和满足所有串联工作特点的电池，不能使其所有的单体电池都获得均等的能量。而电流型脉冲通过采用高技术模块电路产生的脉冲共振技术，输出大电流、低电压脉冲(输出脉冲电流大小按照0.01C-0.05C间智能调整)，所供给的能量完全能兼顾和满足所有串联工作特点的各单体电池，使其都能获得均等的能量。

5.梧柳高速公路上铅酸蓄电池的在线维护与管理

鉴于以上问题，在广西梧州至柳州高速公路沿线的收费站、通信站等各站区的UPS、开关电源的电池上安装了蓄电池管理系统，实现了对蓄电池的实时监测监控、自动检测和告警定位、云运维服务，对蓄电池进行7×24小时不间断在线维护和监测，可降低电池采购成本和运维成本，提高了电池工作效率，增强了电池的安全性、可靠性。

图1 梧柳高速蓄电池管理系统工作原理图

5.1 梧柳高速蓄电池管理系统的工作原理

梧柳高速蓄电池管理系统的工作原理图（图1），该管理系统为蓄电池组配置了蓄电池效能保障模块、蓄电池监控模块（图2）和物联网网关。蓄电池效能保障模块可对蓄电池进行24小时在线修复保养，蓄电池监控模块采集各单体蓄电池的电压、内阻和温度数据，通过DEYEE物联网网关将采集到的数据传输到蓄电池管理平台，平台通过大数据的方式对数据进行逻辑判断和算法处理，诊断蓄电池的健康状况，如发现落后电池及安全隐患，将在平台上进行告警，并推送告警信息至运维人员的手机APP，实现蓄电池全生命周期的安全质量管理。

5.2 梧柳高速蓄电池管理系统的优势

（1）梧柳高速蓄电池管理系统运行在公有云上，架设成本低，不必单独再购买服务器，也省去了繁琐的服务器运维工作和网络安全工作。且该系统的可用性和伸缩性极强，数据存储及数据库采用主备架构，自动同步数据，主节点故障时自动切换至备节点，所有数据自动备份，支持一键式的数据恢复。通过增加集系统群中的服务器可以横向扩容，支持不断增加的终端、网关、用户数量以及并发请求。采用数据存储分片、数据库集群以及分库分表等方式满足不断增长的业务需求，提升处理能力。

（2）梧柳高速蓄电池管理系统所使用的蓄电池效能保障模块，通过电流型复合脉冲谐波，保证了电池长时间处于浮充状态下的活性，免除了人工的维护性放电，保证电池时刻处于最佳状态。通过实验表明，铅酸蓄电池在浮充状态下每年的容量下降率在6%-15%（与使用环境与维护有关），通过使用蓄电池效能保障模块，除了去除硫酸铅结晶体外，还通过均衡充电的方式提高了电池容量和放电性能效果，延长电池的在网使用寿命。

（3）梧柳高速蓄电池管理系统所使用的蓄电池监控模块具有安全可靠性高、测试精度高、实用性强等特点。使用全无源设计，无需再部署供电线缆。其采用的“交流注入法”和“相关滤波算法”测量蓄电池内阻，保证了内阻检测结果的精确性和稳定性。

图2 蓄电池监控及效能保障模块安装图

5.3 梧柳高速蓄电池管理系统的创新点

（1）运维人员可随时随地通过手机APP查看管理站点的电池状况，替代了繁琐的人工巡检工作，接收站点蓄电池的告警信息并及时处理，减少安全事故的发生。

（2）蓄电池效能保障模块可在线去除电池硫酸铅结晶体，并杜绝电池再硫酸盐化，减少电池出现劣化(失水、软化、臌胀)的机率，提高蓄电池长时间浮充状态下的放电活性，降低在网电池组的下线机率。

（3）蓄电池监控及专家诊断，通过蓄电池监控模块，精确采集了蓄电池单体电压、内阻、温度，诊断系统从电压、内阻、温度、热失控敏感性、均衡性5个维度对蓄电池进行智能诊断并提供专业的处理建议，避免了因运维人员缺少专业知识而错误操作。

5.4 蓄电池管理系统带来的效益

蓄电池管理系统作为DEYEE物联网智慧运维管理平台的重要组成部分，具有以下运维效益：

（1）基本代替的人工上站维护，降低了运行维护成本；

（2）通过专家诊断系统提高和保障了蓄电池组工作效率及安全可靠性；

（3）提供蓄电池智能延寿，减少电池组更换次数，有效降低电池组采购和安装成本；

（4）随时可以查看电池及相关设备情况，运维管理更加便捷高效；

（5）对系统在网设备进行了全生命周期的监控，可做资产管理和大数据分析，并导出相关报表，利于管理及上报。

5.5 系统可扩展功能

梧柳高速蓄电池管理系统平台是扩展性极强的物联网平台，除对蓄电池传感器接入以进行蓄电池检测外，还可对UPS、开关电源所在环境中的相关动力和环境设备进行集中监测，并设定相应条件进行告警或联动控制，让管理人员实时了解动力和环境设备的全面情况，实现智能管理，达到安全生产及节能降耗的目的。如：远程查看供电状态，机房的温度、湿度、门禁状态、烟雾等安防状态等等。

6.结语

铅酸蓄电池的日常维护是一项繁琐且极其重要的工作，在目前的物联网时代，应借助更先进的工具或物联网系统对蓄电池进行在线管理和维护。提前发现蓄电池组中的落后电池，将人工检查维护转变为自动化、标准化的监测，建立起安全有效的蓄电池管理维护机制，将对降低高速公路运营成本、提高安全运营起到关键作用。

参考文献：

[1]黄镇泽，陈红雨，赵剑.阀控式密封铅酸蓄电池的失效与维护[J]，电源世界，2004(12):46-49。

[2]术守喜，亓学广，陶鑫，刘惠萍，阀控式密封铅酸蓄电池的寿命及失效分析[J]，通信电源技术，2006(06):63-65.

[3]侯建华，阀控密封铅酸蓄电池内阻构成与测试方法对比[J]，通信电源技术，2013(04):69-71。

[4]徐征显，蓄电池在线除硫养护技术在电力系统的应用实践[J]，贵州电力技术，2012(03):81-84.

[5]赵海滨，蓄电池的硫化及除硫化技术探讨[J]，内蒙古科技与经济，2011(01):67-68.

[6]王明林，齐花，侯骏，王颖瑜，基于三阶段在线除硫养护技术的蓄电池智能检测维护系统[J]，青海电力，2014(06):08-11.

[7]桂长清,柳瑞华，蓄电池内阻与容量的关系[J]，通信电源技术，2011(01):32-34.

[8]艾平，铅酸蓄电池的福音[J]，电源工业，2015(03):64-68.

[9]马扬业，高速公路UPS蓄电池维护要点分析[J]，科技传播，2011(40)138-139.

[10]钟文武，UPS电源及蓄电池在高速公路的使用与维护[J]，中国交通信息产业2005(12)114-117.

[11]邵有为，张毅，UPS电源设备维护及蓄电池充电电路分析[J],数字技术与应用，2010(08)157-158.

[12]黄印林，UPS在高速公路机电系统中的应用与维护[J]，中国水运，2010(02)52-53.

[13]巴普洛夫，段喜春，苑松，铅酸蓄电池科学与技术[M].北京：机械工业出版社，2015.

[14]胡信国，通信电源设备使用维护手册[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[15]YD/T799—2010，通信用阀控式铅酸蓄电池[S].

[16]YD/T2064—2009，通信用铅酸蓄电池正向尖脉冲式去硫化设备技术条件[S].

[17]GB 50174-2008,电子信息系统机房设计规范[S].

[18]GB 50054-2011,低压配电设计规范[S].

[1]Huang zhenze,Chen Hongyu,Zhao Jian.Failure and Maintenance for Valve-Regulated Lead-Acid Batteries[J].The World of Power Supply.2004(12):46-49.

[2]Zhu shouxi,Qi Xueguang,Tao Xin,Liu Huiping.Analysis on the Lifetime and Failure of VRLA Battery[J].Telecom Power Technologies.2006(06):63-65.

[3]Hou jianhua.The Composition of VRLA Battery Internal Resistance and Test Method Comparison[J].Telecom Power Technologies.2013(04):69-71.

[4]Xu zhengxian,Application practice of battery - on - line sulfur removal technology in power system[J].Guizhou Electric Power Technology.2012(03):81-84.

[5]Zhao haibin,Discussion on vulcanization and vulcanization of battery[J].Inner Mongolia Science Technology & Economy.2011(01):67-68.

[6]Wang minglin,Qi hua,Hou jun,Battery Ilintelligent Inspection and Maintenance System Based on Three-srage Online Desulphurizing and Maintenance Technology[j].Qinghai Electric Power.2014(06):08-11.

[7]Gui Changqing,Liu ruihua,Relations between Internal Resistance and Capacity for Batteries[J].Telecom Power Technologies.2011(01):32-34.

[8]Ai ping,The Gospel of Lead Acid Batteries[J].Power Supply Industry,2015(03):64-68.

[9]MA Yangye,The Analysis Highway UPS Battery Maintenance Points[J].Public Communication of Science & Technology.2011(40)138-139.

[10]Zhong wenwu,UPS power supply and battery in the use and maintenance of the highway[J].China ITS Journal.2005(12)114-04.

[11]Shao youwei,Zhang yi.UPS power supply equipment maintenance and battery charging circuit analysis[J].Digital Technology and Application.2010(08)157-158.

[12]Huang yinlin.Application and Maintenance of UPS in Electromechanical System of Expressway[J].China Water transport.2010(02)52-53.

[13]Detchko Pavlov.Lead-Acld Batteries:Science and Technology[M].Beijing:China Machine Press,2015.

[14]Hu xinguo,Use the maintenance manual for communication power supply equipment[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2008.

[15]YD/T799—2010,Valve-regulated lead acid batteries for telecommunications[S].

[16]YD/T2064—2009,Specification of Sharp Positive-edged Pulse desulphating equipment for lead-acid batteries for telecommunications[S].

[17]GB 50174-2008,Code for design of electronic information System Room[S].

[18]GB 50054-2011,Code for design of low voltage electrial installations[S].

作者简介：

何涛，男，内蒙古包头人，工程师，主要从事公路设计、施工工作。

(此文章为原创，转载须白条通过)

编辑：编辑部