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
6 w/ R5 s2 g" e5 b: G
      1、后备电源，包括直流供电系统和UPS系统
* G% q# c1 h  M* z, S; g      2、滤波
      3、调节系统电压
      4、动力设备启动电源
, \' X, q9 ~6 i( T3 M" E

                               
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* r+ y# Z$ R! T/ @) @                               
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image002.jpg (10.98 K)
2008-9-19 0:44:32


7 _; A% ?4 b2 S

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。
(2) 不漏液，无酸雾，无环境污染。
(3) 自放电小。
0 @6 ]% T) Z, y0 w' ~(4) 结构紧凑，密封良好，抗震，比能量高。
3 k9 q3 q! H# o! j) Z(5) 不存在记忆效应。
(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。
1 D5 p& Z; D3 v) R7 K4 o, a2 B. l(2) AGM电池内阻小，大电流放电特性优于GEL电池。
* Y$ w4 o/ F( X8 c6 l(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
$ n. K- ~! |4 o1 w+ b1．电池的充/放原理：
' J' s. Q+ T& w! o

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。
' i( d! C! G1 D% b7 y0 Z
放电过程：
7 ]# D1 I/ a+ E9 n; O负极：Pb→Pb2+正极：Pb4+→Pb2+（
6 h0 q# ~( g5 q. m! y: E（+） PbO2 + 3H+ + HSO4 －+ 2e 放<═══>充 PbSO4 + 2H2
电子得失为：
8 I  ]$ k# p  a* i' Y6 e负失正得即负氧化正还原

充电过程：
负极：Pb2+→Pb
+ t: {2 M5 ]) w正极：Pb2+→ Pb4+
（－）Pb + HSO4 － 放<═══>充 PbSO4 + H＋ + 2e
( w  p( g& z3 J8 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
# X: k8 [1 ?2 s" A. V% H3 n# N' W电池总反应：Pb + 2H+ + 2HSO4— + PbO2放<═══>充PbSO4+ 2H2O +PbSO4

1 ]9 D& e! L2 V' w) Y( D2．VRLA电池的密封原理：

$ D) [. b, e! Y- u（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
正极板栅腐蚀的同时产生H2
* f' Q- F7 D" \' F电池自放电时正极产生O2，负极产生H2
- b. i8 K& M: |2 x4 d. i
) j8 X& W# D& 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：
  ~9 \5 w! {  S: X; ?0 |（+）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。
7 E, L: D  m* W% t) I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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/ b& N, U" L" K, t. K                               
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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。
8 K, u- T! R- g
& u5 l' [% t2 t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
: w- N. d1 W8 v2) 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。
/ c7 e; c5 o' |7 k+ [' ~4 E0 L3) 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) 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。

: A1 {" R9 O1 O8 m+ ^  ~: \3．VRLA蓄电池的自放电原理：
& d1 e% m. X/ x7 _
( Z" H1 O) H1 c5 b/ D6 U0 p( g电池自放电原因：
! B2 Y, C7 w% g3 u4 V1) 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；
) j8 G. c( s( s& e8 ^  u  O. k0 q3) 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。
. ^; Y7 x! A* z. {0 R0 V& x
# G& n# H: _8 [1．AGM技术

7 q  V6 z& D0 C' p1 E      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）

* P9 B( [! @; _. d      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。
1 c; o3 H! Z0 |, {8 W3 H# J9 _2 a5 a
+ f9 V' V  _4 r- A3 y5 v# e      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

4 r! V& H3 g: y# I; A" `1、VLRA电池的选型
9 b" k  ^; G3 H" w5 H$ q; M4 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。
选型方法有两种：1)计算法２）、曲线查找法。
! W& h9 ^3 E3 v( E/ k* f) F
2、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：
' P# [2 U3 O$ x. U! `8 r      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。
4 P3 N# n5 m2 C      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。
      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。
      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。
      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。

1 w8 `2 k% v5 {! ^* l' V# y3、VRLA电池的维护
/ K; _" ^; k# J# L  I  _& t1）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。
, r- y3 @8 v* }2 S8 F
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；
5 a: C0 Z2 z! Tc、电池壳体有无渗漏和变形；
! r( z: m; D8 r/ U3 Y- V* Ed、极柱、安全阀周围是否有酸雾溢出；
) J% Q6 ?' u! }/ R
3）补充电
a、电池系统安装完毕，对电池组进行补充充电；
5 p) o. m1 H" m) kb、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%；
3 y" s* F: ]# i4 t) d  L: P( x  rb、每三年做一次容量试验，到使用六年后应每年做一次；

0 u& C4 Z$ I" l3 x4）、蓄电池容量的测量
( e& |, b8 H" ?# y& C* r
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；
& [' f8 w$ h! H) T$ S7 W1 z7 Eb、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；
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；
$ M2 W" ]- B' V2 c+ s1 }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。
4 [+ M5 u- A( X" W
方法2：在线式测量法
. \9 t3 ~3 N3 Z- G( x* Z2 na、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；
- X8 b5 S- G, z5 D  Ce、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；

$ ?* F+ ~% R& O4 }, Z  d方法3：核对性容量试验法
4 M* g; E: |3 W3 F) ~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；
7 `1 |: s* |/ i$ B3 ?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；
- P5 {* V" }' U$ [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

( ?9 O2 \1 c5 A  H3 ]5 }# [5）、周期维护项目
月度保养
每月完成下列检查：
$ W( N+ f- n6 ~" h" j  C1、保持电池房清洁卫生；
- p) l! x* o: e4 g& B/ n2 D2、测量和记录电池房内环境温度；
( I7 D( K( [7 q5 e0 N- z7 U3、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：

8 d9 X- c( J' x4、测量和记录电池系统的总电压、浮充电流；

* ~8 O' M- K8 R2 g4 b$ W1 S4 S季度保养
' h' Q* z, k$ Y1 d6 i5 Z1、重复各项月度检查；
) h2 V  S; G, \# R0 P2、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。
$ k. J! I% m( M) I
8 a: _  \# z; T) Q0 }年度保养
1、重复季度所有保养、检查；
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%；
' u( E1 k2 V  D4 x6 Y% ]9 V
三年保养
" E0 m  S4 ?% x5 G( 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。