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摘要：本文主要通过蓄电池的结构和等效电路原理，分析出蓄电池开路的主要原因，实验通过改变蓄电池极柱有效截面大小模拟极柱的腐蚀，用破坏汇流排与极板的物理连接模拟汇流排腐蚀，验证蓄电池内部开路机理是跟蓄电池模型的欧姆内阻有关。
关键词：蓄电池；开路；欧姆内阻
引言：
变电站直流电源系统给全站保护、控制、监控、通讯系统提供电源，变电站直流电源系统的运行状况直接影响着电网的安全稳定运行，蓄电池作为变电站直流电源系统的后备电源，为直流电源系统提供最后的安全防线，蓄电池在变电站里可以比作人的心脏，而蓄电池运行的最大风险就是开路，本文针对蓄电池开路的主要原因进行分析和实验，找出蓄电池开路模型的主要判断依据是蓄电池欧姆内阻增大。
1、蓄电池等效电路原理
电流在电池内部的传导包括欧姆路径及电化学路径。电池的电路模型被大家普遍认可的是Thevenin电池模型，如图1所示。其中欧姆电阻R1反映了电流的欧姆路径，极化电阻R2反映了电流的电化学路径，极化电容Cp反映了并联的极板与它们之间的介电物质构成的双电层电容。
欧姆电阻R1：反映了电流的欧姆路径，包括了极柱（R_terminal）、汇流排（R_strap）、板栅（R_grid）、板栅与涂膏间（R_grid_to_paste）的电阻。
极化电阻R2：反映的电流的电化学路径，包括涂膏（R_paste）、电解质（R_electrolyte）、隔膜（R_seperator）的电阻。
2、蓄电池内部结构
2.1 12V-24Ah蓄电池内部结构
蓄电池是由正负极板、隔板、电解液、壳体组成，单格电池靠连接条串联起来组成。极板是蓄电池的核心部分，充、放电的化学反应是依靠极板上的活性物质与电解液进行的。蓄电池的正极和负极两种极性，正极活性物质为二氧化铅，负极活性物质为海绵状铅。隔板插放在正、负极板之间，防止正、负极直接接触而短路，是对电子的不良导体和对离子的良导体。电解液在蓄电池的化学反应中，起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应。壳体用于盛放电解液和极板组。下图2为组成蓄电池的内部实物图。
从图2可知12V VRLA电池是由6个单格电池串联组成，每格电池的电压约为2V。图中正极、负极用黑色和灰色区分。图中左上方正极柱断落，而后单格电池依次正负排列，图右上方电池负极柱。
为了更好地了解电池结构，取出单格电池如图3所示。发现正极汇流排（黑色）连接3个正极板，而负极汇流排（灰色）连接4个负极板。
根据欧姆电阻定义，图4为12V VRLA电池的等效欧姆内阻。
由于单节电池电压的不均衡性可能造成上述理想模型中r并不是单一恒定的。
2.2 汇流排腐蚀
12V VRLA电池正、负极汇流排采用3-4结构，即单格电池中有3个正极板与4个负极板组成。由于正极板较少，在结构上正极汇流排更容易和极板连接脱落，而负极连接4个极板比较稳固。
当然汇流排与极板连接不稳固也有其他原因，例如上产工艺中的不平整也有可能造成汇流排与极板连接脱落，下图5为汇流排生产制作不平整造成的连接脱落。
当汇流排腐蚀或与极板连接脱落时，根据图4模拟模型发现，即单格并联回路会少掉一节内阻r。即单节内阻由r/n变成r/（n-1），可得汇流排腐蚀会使欧姆内阻变大，而VRLA电池内部物理腐蚀只会造成对于欧姆内阻的影响，对极化内阻、极化电容影响不大。
3、蓄电池开路实验
3.1 极柱断裂实验
实验选用内阻大小在正常范围内，并且电压正常的VRLA电池，先用热吹风机软化电池外盒，然后再使用锯子、钳子等工具操作如下图6所示。使得电池的正极柱裸露出来。
用锯子锯正极柱之前使用3915内阻测试仪采样一组内阻数据，并且测量原始极柱直径d。而后用锯子按照一定尺寸锯极柱，用游标卡尺记录有效极柱截面直径d/mm，然后再用3915内阻测试仪采样一组电池模型数据。（本实验负极极柱未操作）实验数据如下表1所示。
表1中，第一行数据为原始极柱无破坏数据，当极柱有效横截面积变小时，欧姆内阻R1会发生显著变化，变化趋势为增大，而极化内阻R2、极化电容C2变化很小。
结论：欧姆内阻大小跟电池极柱有效截面积有直接联系，当正极柱有效截面积逐渐变小到原来40%，欧姆内阻增加了10.8mΩ。
3.2 汇流排断裂测试
根据汇流排腐蚀机理，设计实验探讨汇流排与极板连接数n与电池欧姆内阻R1大小有何关系。本实验忽略12V电池单格电池电压的不均衡性，即认为单位内阻为一定的。
实验开始时，先检查12V电池6个单格电池正极汇流排与极柱连接情况。为了不对电池造成大的破坏，我们对电池操作如下图7所示。
检查发现实验用12V VRLA电池第一单格汇流排与极板连接数n1=3，第二单格汇流排与极板连接数n2=2，n3=3，n4=3，n5=3，n6=2。即电池内部汇流排连接情况如图8所示。
由表2，当断裂2个汇流排时候，蓄电池静置30分钟后，R1数值增加了10.1mΩ，在表3的基础上，表3的第六单格断开一个汇流排时候，蓄电池静置30分钟后后，R1增大了将近23.9mΩ。其它蓄电池参数极化内阻，极化电容几乎没有变化。
实验结论：汇流排断裂，欧姆内阻明显增大，在本实验操仅仅对正负极侧的汇流排做破坏试验，欧姆内阻就增加了37.34%。
4、实验结论
实验用改变极柱有效截面大小模拟极柱的腐蚀，用破坏汇流排与极板的物理连接模拟汇流排腐蚀，以此来研究与验证蓄电池内部开路机理是跟蓄电池模型的欧姆内阻有直接关系。实验表明VRLA电池欧姆内阻大小与电池内部物理连接状态有关，受极柱有效截面积和汇流排与极板连接断裂情况直接影响。当极柱有效截面积变小时，欧姆内阻明显增大；当汇流排与极板连接断裂时，欧姆内阻显著增大，本实验条件下，欧姆内阻就显著增大了37.34%。实验证明，蓄电池开路机理的判断，完全可以用基于蓄电池模型的欧姆内阻R1来衡量与判断。
作者简介：
周潮（1987-）男，深圳供电局有限公司工程师、变电检修技师、直流电源技师。从事变电站交直流电源和新能源研究、应用。
论文作者:周潮
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/3/28
标签：内阻论文; 极板论文; 蓄电池论文; 电池论文; 汇流排论文; 正极论文; 负极论文; 《电力设备》2017年第2期论文;