阀控式密封铅酸蓄电池技术与维护

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阀控式密封铅酸蓄电池技术与维护

原帖摘自《创新论坛》

一、阀控式密封铅酸蓄电池在通信电源系统中的作用
4 X: Y! s2 E5 q) y$ d; M; c  p5 }
9 ^. m6 _8 t; s4 t      1、后备电源，包括直流供电系统和UPS系统
      2、滤波
  X! b4 W8 f0 \. X9 _- `/ ]. b      3、调节系统电压
      4、动力设备启动电源

, o& z( \! l+ @0 T                               
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image002.jpg (10.98 K)
! O* C* N7 ]* `6 N5 ?( n2008-9-19 0:44:32
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图1：电池作用示意图

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二、固定型铅酸蓄电池的类型
1．VRLA电池与GF电池相比较，VRLA电池具有以下特点：
(1) 在使用过程中，不需要添加水、调整酸的比例。
6 W& g+ y( L# H) M7 _(2) 不漏液，无酸雾，无环境污染。
(3) 自放电小。
( X9 E/ i: Y' I( X(4) 结构紧凑，密封良好，抗震，比能量高。
(5) 不存在记忆效应。
% B% k7 L1 x" I  H% Y- L- B(6) 使用范围广。

                               
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图2： VRLA电池与GF电池（左）的比较

2、阴极吸收式VRLA电池与胶体电池的比较
(1) AGM电池使用初期无气体逸出，GEL电池在使用初期需安装排风装置。
7 Q- }1 a$ S; v; \: R" e(2) AGM电池内阻小，大电流放电特性优于GEL电池。
% ]1 F  ?$ u- P(3) AGM电池的一致性和均一性较好，因电解液的扩散性和均匀性优于GEL电池。
(4) GEL电池，（特别是管状电极）使用寿命较长，不易热失控。
三、VRLA电池的工作原理
0 ~  \' |: a: G& u; I8 u) s1 u1．电池的充/放原理：

; R1 Z) X8 t, g4 \0 M+ t
* L: a. s0 i( K" C2 e* N铅酸蓄电池的基本电极反应是铅（Pb）和二价铅（Pb2+）及四价铅（Pb4+）之间的转化。

3 ]* i8 Y5 R8 U" ^! |4 l放电过程：
% U, n8 ]! T& |2 h负极：Pb→Pb2+正极：Pb4+→Pb2+（
' ]- n: d. F! w) I（+） PbO2 + 3H+ + HSO4 －+ 2e 放<═══>充 PbSO4 + 2H2
电子得失为：
负失正得即负氧化正还原

充电过程：
) L1 n/ l) S7 {0 d  W& L负极：Pb2+→Pb
正极：Pb2+→ Pb4+
（－）Pb + HSO4 － 放<═══>充 PbSO4 + H＋ + 2e
' R1 L8 ?1 f. |5 Q0 p电子得失为：负得正失即负还原正氧化

电池的充放电反应
9 {. V8 z" \0 U, r' X) o  M电池总反应：Pb + 2H+ + 2HSO4— + PbO2放<═══>充PbSO4+ 2H2O +PbSO4
: H) |: m3 Q% W( h
2．VRLA电池的密封原理：

（1）电池内部气体产生的原因：
电池在过充电时电池分解水，正极产生O2，负极产生H2
% K. F1 H( }# M9 x$ ?$ H" y# D正极板栅腐蚀的同时产生H2
; M0 w" j& i# k8 J3 I* x电池自放电时正极产生O2，负极产生H2
+ V+ J: ?7 h; O  R/ t. w
（2）氧复合原理（氧循环原理）：
电池在充电过程中，正极除了有PbSO4转变为PbO2以外，还有氧析出反应，特别是电池的充电后期，当电池容量达到80%时，氧的析出反应更为剧烈，两极的气体析出反应如下：
（+）2H2O → O2 + 4H+ + 4e (--) 2H+ + 2e → H2
对于浮充使用的VRLA电池，即使是浮充电流很小，但在长期浮充状态下，除浮充电流一部分用于电池自放电生成的PbSO4转为正负极活性物资以外，不避免的，浮充电流另一部分则用于水的电解，使正极析出氧气，负极析出氢气。
氧和氢气的产生使电池内部失水，电解液密度发生变化，也使电池难以密封。从铅酸蓄电池诞生以来，人们都一直在寻求电池的密封，以此减少对电池的维护。VRLA电池的出现，实现了电池的密封，电池密封的关键技术是氧在电池内部的再复合实现氧的循环，以及采用AGM隔板吸收电解液，使电池内部没有流动的电解液，氧的复合原理如图3、4所示：

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* P; U( w; T/ s- `

! l( S: j; Z% K4 n! U+ Z! ]                               
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图3：密封原理示意图

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图4：氧循环原理图

从图3、4看出，正极充电过程中因电解水析出的氧气，通过AGM隔板的孔隙，迅速扩散到负极，与负极活性物质海绵状铅发生反应生成氧化铅（PbO），负极表面的PbO遇到电解液H2SO4发生化学反应生成PbSO4和H2O，其中PbSO4再充电而转变为海绵状Pb，生成的H2O又回到电解液，因氧气的再复合，避免了水的损失，从而实现了电池的密封。

& P3 X3 p8 p! ~( D) Y- V1 N# p铅酸蓄电池实现密封的措施：
1) 选择高孔隙率AGM隔板，孔隙率在93%以上，为氧的复合提供通道
2) 采取定量灌酸，使玻璃棉隔板在吸收电解液以后，仍有5—10%的孔隙率未被电解液充满，因此VRLA电池又称为贫液式电池。
3) 过量的负极活性物资，正、负极板的容量比一般为1：1.1~1：1.2，这样在正极充足电以后，负极仍未充足电，以防止氢在负极析出，若氢气大量析出是无法复合的。
6 t7 }( k% l5 C# t9 ?$ ]" X5 @4) 电池集群的紧装配，采取集群预压缩技术，将装配压在40—60Kpa之间，以保证AGM隔板与正负极板表面能够良好接触，因为VRLA电池的电解液主要靠AGM隔板提供。
5) 高纯度Pb—Ca—Sn—Al无锑板栅合金，因为Pb—Ca合金比Pb—Sb合金有更高的析氢过电位，从而能够降低因板栅腐蚀而析出氢气的可能性。
! Z. o$ p3 y' g& d/ [; u$ }6) 开闭阀压力稳定可靠的安全阀，通信用VRLA电池的标准要求开阀压10—35Kpa，闭阀压3—15Kpa,开闭阀压力较接近，可减少气体排放和水的损失。
" u1 o/ d8 h) i) q* M8 r' A7) 采用恒压限流的充电方式，VRLA电池对过充电较为敏感，过充电会加速电流的损坏，恒压限流充电可防止过充电和热失控。
5 [; v; u) P  w
3．VRLA蓄电池的自放电原理：

电池自放电原因：
9 o7 x6 u% h5 o& ~1) 正极活性物质与电解液的反应；
2) 正极活性物质与板栅合金之间的反应；
& I0 S% w! `$ d. Y4 R; i) C- d' T3) 正极活性物质与负极析出氢气的反应。

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四．VRLA电池的两大类技术

      应用同样的氧复合原理，但由于采用不同的固定电解液技术和不同的氧复合通道技术，因此可分为两大类型的VRLA电池，即AGM技术和GEL技术（胶体），故又称为AGM电池和胶体电池。这两类电池各有优劣，目前在电信、电力等市场上应用的仍以AGM电池为主。

1．AGM技术

2 W% t* |. }( D: p9 g" t( O" H/ C      采用AGM技术的VRLA电池，AGM隔板采用U形包覆法（也可采用S形包覆法）。采用AGM技术的VRLA电池的特点：内阻小，以超细玻璃棉隔板吸取电解液，使电池内没有电解液，AGM隔板具有93%以上的孔隙率，而其中10%左右的孔隙作为由正极析出的O2到负极再复合的通道，以实现氧的循环，达到电池密封的目的。

2．Gel技术（胶体技术）

; d" |9 B0 w1 e9 A      以德国阳光公司采用Gel技术生产的OPZV胶体电池为典型代表。
      胶体电池的特点：内阻较大，采用触变性SiO2胶体吸收电解液，使电解液不流动。

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五、VRLA电池的失效模式

      VRLA电池尽管有许多的优点，但它和所有电池一样也存在可靠性和寿命问题。VRL电池文献报道：其使用寿命为15年左右（25℃浮充使用）。但国内外的VRLA电池在实际使用过程中，均出现过提前失效的现象。
6 R& H9 U( A  F+ y$ P
, n8 c4 P; Z+ P3 X) N      目前造成VRLA电池的失效模式主要有:板栅的腐蚀与增长、电解液干涸、负极硫酸盐化、早期容量损失（PCL）、热失控等。

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六、VLRA电池的使用和维护
2 s: @( K1 k" S7 O
$ ~( S8 ?3 B5 o7 e2 W# e1、VLRA电池的选型
VLRA电池在使用前必须正确的选择型号，以保证电池有足够的放电容量，使通信设备能够正常运行；另外选择合理的容量能够避免选择容量过大而造成浪费。
) N* f# o0 c4 l5 C! t) y) X  c选型方法有两种：1)计算法２）、曲线查找法。
" w9 G% y9 S' u
. F% l3 T, N3 v2、VLRA电池的安装使用及注意事项
在安装和使用电池之前，首先应仔细阅读产品说明书，按要求进行安装和使用。安装时，应特别注意以下几个方面：
      1)安装方案应根据地点、条件制订，如地面负荷、通风环境、阳光照射、腐蚀和有机溶剂、机房布局、维修是否方便等。
; y5 w! a3 f6 `& E. \      2)安装时新旧蓄电池一般不能混用，不同类型的电池或不同容量的电池决不可混合使用。
      3)电池均为100﹪荷电出厂，必须小心操作，忌短路，安装时应采用绝缘工具，戴绝缘手套，防止电击。
. u$ c" W1 ]1 Q# t0 \      4)电池在安装使用前，在0～35℃的环境下存放，储存期限为3个月，若超过3个月，就应按使用书给定标准对电池进行补充电。
' |$ M6 {' N3 y: E! _! O      5)按规定的串并联线路，连接列间、层间、面板端子的电池连接，在安装末端连接件和整个电源系统导通前，应认真检查正负极性及测量系统电压。并注意：在符合设计截面积的前提下，引出线应尽可能短，以减少大电流放电时的压降；两组以上电池并联时，每组电池至负载的电缆线最好等长，以利于电池充放电时各组电池电流均衡。
      6)电池连接时，螺丝必须紧固，但也要防止拧紧力过大而使极柱嵌铜间损坏。
( M6 g/ g/ m# R: b      7)安装结束后应再次检查系统电压和电池正负极方向，以确保电池安装的正确。
$ v2 g7 K1 }: T2 j      8)可用肥皂水浸湿软布清洁电池壳、盖、面板和连接线，不能用有机溶剂清洗，以免腐蚀电池盖及其它部件。

1 |3 F# R- _. q" C' k3、VRLA电池的维护
! O/ u! F$ e0 q9 x8 p1）阀控式密封铅酸蓄电池的安放
阀控式密封铅酸蓄电池不必专设电池室，可与通信设备同装一室。可叠放组合或安装在机架上。

+ U/ T2 p( y( `4 H; \; `2）经常检查的项目
) i  ]& b% ]& T* @2 Fa、浮充电压，环境温度；
b、连接处有无松动、腐蚀现象；
c、电池壳体有无渗漏和变形；
d、极柱、安全阀周围是否有酸雾溢出；
0 |# k6 I# g8 P4 H2 ]; [+ {8 D
3）补充电
3 n$ m5 t6 Y1 A$ f# P4 n6 za、电池系统安装完毕，对电池组进行补充充电；
: p1 F! e& c0 ~, _) T  Y. p2 bb、电池搁置停用时间超过三个月；
蓄电池的放电
a、每年应以实际负荷做一次核对性放电试验，放出额定容量的30%-40%；
4 L/ f5 }6 F) ?- S. Ib、每三年做一次容量试验，到使用六年后应每年做一次；

& `1 S( ~& o7 ], k4）、蓄电池容量的测量

方法1：离线式测量法
% E3 E: x2 K# I( Ta、将脱离供电系统的蓄电池组充满电后静置1—24h，在环境温度为25℃±5℃的条件下开始放电；
( `* ]# Q5 G0 w" ob、放电开始前应测蓄电池的端电压，放电期间应测记蓄电池的放电电流，时间及环境温度，放电电流波动不得超过规定值的1%；
$ d$ a9 c! \$ hc、放电期间应测蓄电池端电压及室温，测量时间间隔为：10h率放电1h，3h率放电0.5h，1h率放电10min，在放电末期要随时测量，以便准确地确定达到放电终止电压的时间；
d、放电电流乘以放电时间即为蓄电池组的容量，蓄电池不按10小时率放电时或环境，温度不是25℃时，则应将实际测量的容量换算成25℃时的容量；
# E, u% B3 M6 y. N- i9 S1 Oe、放电结束后，要对蓄电池组充电，充入电量应是放电电量的1.2倍。

  O2 @$ g$ a, W方法2：在线式测量法
$ w6 h4 B1 @$ M! H7 ua、在供电系统中，关掉整流器由蓄电池组放电供给通信设备，在蓄电池组放电时找出蓄电池组中电压最低，容量最差的一只电池来作为容量试验的对象；
b、打开整流器对蓄电池组进行充电，等蓄电池组充满后稳定1小时以上；
c、对a中放电时找出的最差的那只电池进行10小时率放电试验，放电前后要测量该只电池的端电压、温度、放电时间和室温。以后每隔1h测试一次，放电快到终止电压时，应随时测试，以便准确记录放电时间。
d、放电时间乘以放电电流即为该电池的容量，当室温不是25℃时，应按式（1）换算成25℃时的容量；
e、放电试验结束后用充电机对该只电池进行充电，恢复其容量；
f、根据测量的数据绘制放电曲线；

# q! {$ }; N1 ?方法3：核对性容量试验法
9 @- }2 A: \% H) z为了能随时掌握蓄电池组的大致容量，进行核对性放电试验是必要的，其方法是：
a、在直流供电系统中，关闭开关电源，让蓄电池对通信设备供电，蓄电池组放电前后要测试每只电池的端压、温度、比重、室温和放电时间、放出额定容量的30%—40%为止；
+ O/ q: ]6 X$ \4 ]/ k, Wb、放电结束后，要对蓄电池充电；
* ^( v  v3 [7 H$ _' l0 n- Yc、根据测试的数据作出放电曲线，留作以再次测试时做比较；
注意事项：
上述3种蓄电池的容量试验方法，是日常维护中常用的方法，但无论哪种方法，在容量测试期间通信安全都会受到一定的威胁。因此在做容量试验时要防止市电中断，备用发电组应处于良好状态
( V: A* N: B- U4 B; D5 k' {# n& |
- X" V3 F# B9 T4 |( W) G# [3 s5）、周期维护项目
月度保养
2 X. }2 O* l. E1 c% a每月完成下列检查：
7 Y0 c! q% E8 f9 a- |1、保持电池房清洁卫生；
& Y2 K! Q1 T! R6 o2、测量和记录电池房内环境温度；
3、逐个检查电池的清洁度、端子的损伤及发热痕迹、外壳及盖的损坏或过热痕迹：

7 w$ m- Z9 s6 P6 q# Q9 m: ?) t2 |4、测量和记录电池系统的总电压、浮充电流；
' x4 w6 s! W4 y1 v4 k
季度保养
1、重复各项月度检查；
  e- S6 k# r# p& N8 C2、测量和记录各在线电池的浮充电压，若经过温度校正有两只以上电池电压低于2.18V，请与厂家联系。
  E3 W; E7 `3 \; o; z5 x# H
! ~0 a% m2 ~0 C5 W6 x/ v* w5 z年度保养
8 ~* {! Z; E5 e5 b) t9 S  M1、重复季度所有保养、检查；
( m% I$ w" d% H8 f4 j! s& y% u1 y2 ~0 ]2、每年检查连接部分是否有松动；
3、每年电池组以实际负荷进行一次核对性放电试验，放出额定容量的30%—40%；

三年保养
+ n+ ~( v7 a/ R9 V$ ]8 C: K- x8 a! h每三年进行一次容量试验，到使用六年后每年做一次，若该组电池实放容量低于额定容量的80%，则认为该电池组寿命终止。