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
$ s3 b# t  W# v' b/ X! w8 X
: [4 [- l& V2 \/ v9 i      1、后备电源，包括直流供电系统和UPS系统
      2、滤波
      3、调节系统电压
6 p- c! n0 m+ U$ p# s7 H      4、动力设备启动电源
# q$ ^  [* ?8 T0 h. w/ y

                               
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image002.jpg (10.98 K)
2008-9-19 0:44:32
, |- W2 e9 j7 t% ]
- n! P5 p2 i0 ~/ g
  c7 U' e( Q) ^' @+ q

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：
- P# r3 A( V/ s/ M, ?1 \+ j+ ?(1) 在使用过程中，不需要添加水、调整酸的比例。
5 S$ }" P0 b7 A(2) 不漏液，无酸雾，无环境污染。
(3) 自放电小。
- C/ I9 V! U" G0 g(4) 结构紧凑，密封良好，抗震，比能量高。
(5) 不存在记忆效应。
! P* C/ F1 a. f0 D! S# h; w' J- Y(6) 使用范围广。
: l4 M3 z& X2 X! Z7 K, T% G: ~2 A

                               
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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
. V/ K- f) r! n* d0 d(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。
(2) AGM电池内阻小，大电流放电特性优于GEL电池。
9 U$ }3 H) ~+ P2 B+ T' T, G7 M(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
1．电池的充/放原理：

1 S0 p/ z% V. f3 U* e- S+ c" y2 }
" I) O" }  [6 W8 q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。

放电过程：
负极：Pb→Pb2+正极：Pb4+→Pb2+（
（+） PbO2 + 3H+ + HSO4 －+ 2e 放<═══>充 PbSO4 + 2H2
8 g) x7 z! w. H0 Z# l/ F' ~电子得失为：
! o& c4 z2 K5 ~: M负失正得即负氧化正还原

充电过程：
负极：Pb2+→Pb
正极：Pb2+→ Pb4+
- B* L$ f- f3 x3 y* N+ |（－）Pb + HSO4 － 放<═══>充 PbSO4 + H＋ + 2e
电子得失为：负得正失即负还原正氧化
. I+ @4 [, h( H* T
电池的充放电反应
5 V' z; k6 M7 n电池总反应：Pb + 2H+ + 2HSO4— + PbO2放<═══>充PbSO4+ 2H2O +PbSO4

2．VRLA电池的密封原理：

1 P0 o1 e/ R9 U6 _/ F$ f（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
5 ]! B* i0 k; E1 @. \/ b4 X正极板栅腐蚀的同时产生H2
# Q- ]7 X- C( f- t0 B- v电池自放电时正极产生O2，负极产生H2

0 j3 K3 B. W3 M! K（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。
6 {1 ?) L0 D; _- T0 p7 n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：
4 X2 w. K. H( ~4 Q0 ^
6 x3 {" C) D" Y5 ~: R
0 n! P9 S2 b* P/ O) ]8 e9 V. o

                               
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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。

: E) D+ y- u0 _# N( K9 a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。
. T0 G# p! _& c  L# b3) 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。
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。
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。
7 x  A8 F# P/ ~2 x5 X+ Y7) 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。

( @$ ~! W" f3 ?, E' t3．VRLA蓄电池的自放电原理：

+ j- ^6 I" W+ |3 `电池自放电原因：
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；
9 r) K% @! n& G) t3 K3) 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
, U7 d+ I$ c4 Q5 O" h9 S8 y2 s
  w9 t1 `: S+ C+ p* W4 B      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。
) }5 `- s# n- N3 K0 R5 u. z9 f1 Z7 |
1．AGM技术

/ s4 _7 |' S: t. i* @" w      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。

' t2 L" v/ I9 D2．Gel技术（胶体技术）
* y( `& C( S7 h0 f7 z
7 i6 n- d( X4 G7 R. {0 C4 n      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。

      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
0 W9 }; q6 ^) n
, s8 {1 U2 H3 X! g7 x7 b! q! r1、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。
, J7 p3 b8 o8 w4 q选型方法有两种：1)计算法２）、曲线查找法。

" F* ?6 @+ q. h) t; A2、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。
      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。
  g( u% i2 ?$ a: E' J; e  U/ ^  i      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。
8 ]. O( ^. i7 v* e* ~4 w      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。
& D, O# N5 z8 ]( H( Y- l6 ~* i: ?      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。
& F- o3 G8 \- l- r$ z' \      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。
      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。
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3、VRLA电池的维护
1）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。
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2）经常检查的项目
a、浮充电压，环境温度；
b、连接处有无松动、腐蚀现象；
* |7 r2 S: g3 S' [3 Lc、电池壳体有无渗漏和变形；
: T) j) @& d5 Q' Od、极柱、安全阀周围是否有酸雾溢出；

" B* I0 P$ t, u  g% r; X5 Y3）补充电
a、电池系统安装完毕，对电池组进行补充充电；
b、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%；
b、每三年做一次容量试验，到使用六年后应每年做一次；
% L4 A# J8 i, n
. A& }$ d) M. |: X4 o" e* G4）、蓄电池容量的测量
; p; }/ e1 a8 s- G
方法1：离线式测量法
a、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；
+ z/ q4 r: q+ j1 cb、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%；
c、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；
, v6 v3 }3 }2 l7 W% {) N- x; }9 ~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；
. B' O4 ~$ V/ r: e* ue、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。
, O( \) |3 C1 f' J0 e+ {
方法2：在线式测量法
a、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；
# G' A8 z. B9 _4 ]- ^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；
) {4 q7 \8 y' g5 G* J/ P+ a/ q
8 R$ T* X5 _) m6 l/ X5 }5 [2 I0 p方法3：核对性容量试验法
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；
b、放电结束后，要对蓄电池充电；
c、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：
6 e/ R2 _" @- E( ^% _2 \- R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

# S! W( g7 d: W/ @7 E% J0 E5）、周期维护项目
月度保养
每月完成下列检查：
1 Z6 ]7 F9 r/ G1、保持电池房清洁卫生；
2、测量和记录电池房内环境温度；
+ A; O. d" s2 v& \7 @& X/ G. A3、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：

4、测量和记录电池系统的总电压、浮充电流；
( Y" [7 {1 M% g% F
季度保养
/ a& e) x6 n) g+ C- c1、重复各项月度检查；
9 D( M$ Y# G( w; t) ?  p  ^3 D2、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。

& a0 e! ?. T4 r5 A$ l" p1 Z% O年度保养
8 {; h- b! ]  N/ ^7 p1、重复季度所有保养、检查；
, H4 A5 V! s* N) N* `2、每年检查连接部分是否有松动；
% I# F! L1 ^6 c3 Z; B- _- V3、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%；
4 F/ L: T% H( B( A* B- O
三年保养
) Q' z3 G( G. Z) g" [7 D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。