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
! v! m, F' e& C+ _  o$ ?" V3 M7 q
+ b( X' ^- G% N9 _" p2 n4 s      1、后备电源，包括直流供电系统和UPS系统
      2、滤波
/ z: b. q! Y: y) P6 j; Z      3、调节系统电压
      4、动力设备启动电源
. ]  Q% D' |" d9 `+ }$ _

                               
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+ g4 j3 F8 L* }7 l: [) x                               
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9 G2 H" M$ Q/ n) _/ `% z0 _" F" F                               
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image002.jpg (10.98 K)
2008-9-19 0:44:32

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：
+ k- C8 n8 m0 d7 u(1) 在使用过程中，不需要添加水、调整酸的比例。
(2) 不漏液，无酸雾，无环境污染。
(3) 自放电小。
$ x  E3 f2 d( t" c(4) 结构紧凑，密封良好，抗震，比能量高。
(5) 不存在记忆效应。
# W: a6 ]) {4 G7 z) M! N(6) 使用范围广。

4 o- ?5 Z. f7 N) B; t! v                               
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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。
(2) AGM电池内阻小，大电流放电特性优于GEL电池。
& H) P$ G0 V8 v(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。
* R& p/ z. _5 k! R) E+ b- N(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
4 T* ]/ E5 s0 M" O1．电池的充/放原理：
" B& i! H3 [' ]# A7 O* C3 g# X

. j( n$ B( a# R$ Z: o7 \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：
3 Q  K0 W' Q- h- @负极：Pb→Pb2+正极：Pb4+→Pb2+（
7 Z: O8 i' Y7 Q  R" |（+） PbO2 + 3H+ + HSO4 －+ 2e 放<═══>充 PbSO4 + 2H2
+ [4 K4 b6 X3 E2 Y  |  _4 o电子得失为：
5 m+ [% O+ q# h4 F% }# E4 A负失正得即负氧化正还原

6 a0 ]8 K4 _0 {  `6 U+ n' X- z充电过程：
9 P7 ?7 a, Z! f( m负极：Pb2+→Pb
* T6 A- V# f- q* K8 Y! a" B正极：Pb2+→ Pb4+
（－）Pb + HSO4 － 放<═══>充 PbSO4 + H＋ + 2e
' t# R( ?" n! T) s* ~6 R* B( e电子得失为：负得正失即负还原正氧化
2 u: v$ C4 Y/ n$ }1 f# ^# M6 o
. T' K# k9 ~; f电池的充放电反应
: v: O% P" {9 Y: H- g* q* Q" O电池总反应：Pb + 2H+ + 2HSO4— + PbO2放<═══>充PbSO4+ 2H2O +PbSO4
4 ]6 \, x1 f# e5 w) d$ z7 v9 ^0 y2 o
2．VRLA电池的密封原理：

（1）电池内部气体产生的原因：
5 Z' b# r, }2 V, J" T. R. _' g电池在过充电时电池分解水，正极产生O2，负极产生H2
2 b0 e4 s9 P% |3 P正极板栅腐蚀的同时产生H2
电池自放电时正极产生O2，负极产生H2

（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：
# K$ _  Y4 b0 y（+）2H2O → O2 + 4H+ + 4e (--) 2H+ + 2e → H2
% @/ p# v3 i" n% ^3 o1 C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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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。

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
  v7 _# H5 N5 d+ T2) 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。
- g5 t, D6 x; O) \. b' X4) 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。
9 e+ l  f( A0 H$ a& G5 o' A6) 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) 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。
6 S2 O) \) i4 A: R1 v. [
. Y+ M9 O, E1 Q" Q0 X6 N/ m3．VRLA蓄电池的自放电原理：
/ O) h( u3 k. A. T$ a
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；
$ j' b' [. f8 G4 ~' h4 w3 x  f3) 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
6 @, B2 I1 t' |* O, b& s1 q
- }5 W3 k4 N9 q0 h      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 {6 p' k" _; N; c* ]9 s" D- Y# p
1．AGM技术

      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。
8 S* w; c5 y# R$ K0 C- K' J
/ g. e7 H' l* [  c6 ?2．Gel技术（胶体技术）

      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。
8 o/ H7 g: I; P: F      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
" ?; r' [5 ~! s1 H+ r
% m8 l! p  |7 _0 a$ v      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

9 w/ U2 x& F9 Q1 s; {1、VLRA电池的选型
5 n0 [' f: ]" P; g$ nVLRA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。
, o4 @. x% _( f选型方法有两种：1)计算法２）、曲线查找法。
4 |3 C4 J! |1 m9 V+ n
2、VLRA电池的安装使用及注意事项
& H* v3 J) M, H: U4 v5 k, |$ `- v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。
. _6 a$ @" R1 h* @, n# W8 ?8 T: Y      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。
1 B1 U+ x5 Z4 p5 i: o- {      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。
/ E; M- B: l1 `. P" |# x      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。
3 \$ s. [. A1 N' K) X( ?$ ~2 J      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。
5 Z; h) V$ O8 v$ S: U2 \      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。
, C& C& i* O" z' O      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。

3、VRLA电池的维护
1）阀控式密封铅酸蓄电池的安放
- n) e, K4 l, a* g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。

3 L" r5 T! t$ L/ c' C& D( c2）经常检查的项目
, i* h5 z! j) ^- U! S; da、浮充电压，环境温度；
  ^. C+ @5 N& |$ \4 F) rb、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；
, `. Y- [0 m' O) H0 w$ Z( I
" [9 f% p1 ]* X2 r3 ~3）补充电
8 l( N8 ^7 P, n0 [& Ca、电池系统安装完毕，对电池组进行补充充电；
) w$ l0 R0 F, W0 G8 l: X, @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%；
4 n  s1 d5 ^3 pb、每三年做一次容量试验，到使用六年后应每年做一次；

4）、蓄电池容量的测量
& U* A" ~* C; O* \" S/ _: y1 c
5 ~& @4 f( s$ z, Q  |方法1：离线式测量法
+ a" T- h3 t: P" J9 A  Ia、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；
5 J2 _  q1 `2 ~5 c9 B/ Q' o$ Sb、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；
" E3 G, ~! R+ m! yd、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、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。
. I- r. m5 Y2 N3 d1 \
方法2：在线式测量法
6 {2 O% O9 c/ ]( E& }- ha、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；
/ q, r. ]7 F+ _+ K" l4 x4 Y2 \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。
8 \( _  {& _( M+ T+ Y/ H& Xd、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；
2 U8 `+ R/ U( t! fe、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；
( l4 Y* e/ q4 R% Z1 |7 |
) f3 P6 u2 }# v- O( |方法3：核对性容量试验法
, t: r4 }$ Q2 z- N* L; m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：
2 J9 R/ r. u1 R/ P3 F+ L, k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
3 F& a7 F1 ]& r# g2 T2 {) j0 A0 |
4 y, a$ h- x! u5）、周期维护项目
6 {% M# V! Z3 L3 T# G" ?月度保养
4 u# x& X5 r% x& X每月完成下列检查：
3 Q; h* c' B# P4 f% m1、保持电池房清洁卫生；
2、测量和记录电池房内环境温度；
" R) Q9 _- \+ z4 r& d4 X5 \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：

4、测量和记录电池系统的总电压、浮充电流；
& G8 |* p" ]  u& T
8 ^8 Z4 x8 M6 w; E季度保养
1、重复各项月度检查；
6 h! b" L- k( ~0 C, i2、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。
4 X9 S2 K/ M1 p7 l
& S# t4 R: l; `; \8 o7 a* D年度保养
1、重复季度所有保养、检查；
5 k2 w: n1 ^/ s5 r2、每年检查连接部分是否有松动；
" E, f3 Z- C5 Q% I( s3、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%；
) a- q) ^  [* @) s8 W8 Y4 d
  O9 j* X# \. s- q0 U4 S( i6 ]三年保养
; ]3 q2 f$ I7 u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。