阀控式密封铅酸蓄电池技术与维护

一、             阀控式密封铅酸蓄电池在通信电源系统中的作用
 
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
 
4．  动力设备启动电源
 

 
                          图1：电池作用示意图
 
 
 
二、             固定型铅酸蓄电池的类型
 
防酸隔爆式电池（GF或GFD电池）
 
固定型铅酸蓄电池
 
AGM—阴极吸收式（贫液式）
 
阀控式密封电池（VRLA电池）
 
                                                       GEL—胶体式
 
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。
 
（4）       结构紧凑，密封良好，抗震，比能量高。
 
（5）       不存在记忆效应。
 
（6）       使用范围广。
 
 
 
 
 
                                   
 
 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。
 
（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：
 
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⁺→Pb^2+（
 
（+） 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：负极：Pb²⁺→Pb正极：Pb²⁺→ Pb⁴⁺
 
（－）Pb + HSO₄ ^－ 放<═══>_充 PbSO₄ + H^＋ + 2e
 
 电子得失为：负得正失即负还原正氧化
 
电池的充放电反应
 
电池总反应：Pb + 2H⁺ + 2HSO₄^— + PbO₂^放<═══>_充PbSO₄+ 2H₂O +PbSO₄
 
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
 
         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：
 
（+）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：
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
图3：密封原理示意图
 

 
                         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
 
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。
 
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。
 
3．VRLA蓄电池的自放电原理：
 
   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；
 
3）  正极活性物质与负极析出氢气的反应。
 
 
 
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
 
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）
 
以我公司采用Gel技术生产的PKG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。
 
以胶体的微裂纹O₂的复合通道。胶体电池使用初期由于胶体未能形成大量微裂纹，氧的复合效率较低。
 
 
 
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。
 
 
 
六、VLRA电池的使用和维护
 
1、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。
 
选型方法有两种： 1)计算法   ２）、曲线查找法。
 
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：
 
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。
 
 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。
 
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。
 
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；
 
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；
 
3）、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；
 
4）、蓄电池容量的测量
 
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；
 
b、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；
 
     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。
 
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；
 
      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；
 
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：
 
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
 
5）、周期维护项目
 
月度保养
 
每月完成下列检查：
 
1、保持电池房清洁卫生；
 
2、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：
 
4、测量和记录电池系统的总电压、浮充电流；
 
季度保养
 
1、重复各项月度检查；
 
2、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。
 
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%；
 
三年保养
 
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。