VRLA電池及其應(yīng)用

VRLA電池及其應(yīng)用??

1蓄電池容量的定義

通常電源設(shè)備的容量用kVA或kW來(lái)表示。然而，作為電源的VRLA電池，選用安時(shí)（Ah）表示其容量則更為準(zhǔn)確。蓄電池容量定義為：Q=idt（1）

理論上，t可以趨于無(wú)窮，但實(shí)際上，當(dāng)電池放電低于終止電壓時(shí)仍繼續(xù)放電，這可能損壞電池，故t值有限制。

電池行業(yè)中，以小時(shí)（h)表示電池的可持續(xù)放電時(shí)間，常見(jiàn)的有：C240,C20,C10,C8、C3,C1等標(biāo)稱容量值。

小電池的標(biāo)稱容量以毫安時(shí)（mAh)計(jì)，大電池的標(biāo)稱容量則以安時(shí)(Ah)、千安時(shí)(kAh)計(jì)等。電信工業(yè)常取C10、C8等標(biāo)稱容量值。

例如，常見(jiàn)的Deka電池12AVR100?SH為12V單體，100Ah容量，即可持續(xù)放電10h，電流為10A，共放出Ah數(shù)為10×10=100Ah（實(shí)際測(cè)試中，為使電流值保持恒穩(wěn)，當(dāng)電壓變化時(shí)，應(yīng)調(diào)整外電路負(fù)載，以便計(jì)量）。

2蓄電池的理論容量、實(shí)際容量、標(biāo)稱容量

理論容量也稱計(jì)算容量由電池極板所含活性物質(zhì)的量決定。鉛酸蓄電池的電化當(dāng)量對(duì)于Pb,4價(jià)為0.517Ah/g,2價(jià)為0.259Ah/g;對(duì)于PbO2,4價(jià)為0.488Ah/g,2價(jià)為0.224Ah/g;根據(jù)電化當(dāng)量與活性物質(zhì)的量計(jì)算出來(lái)的容量叫蓄電池的理論容量。

實(shí)際容量是指蓄電池放電時(shí)所測(cè)得的容量，取決于活性物質(zhì)的量及利用率。活性物質(zhì)與鉛板相關(guān)，但并不等同于鉛重量。利用率與蓄電池極板的結(jié)構(gòu)型式、放電電流的大小、溫度、終止電壓、原材料質(zhì)量及制造工藝、技術(shù)和使用方法有關(guān)，而且是變化的。當(dāng)今，已知單塊極板最大容量為100Ah/2V。

額定容量又稱標(biāo)稱容量，即在制造廠規(guī)定的條件下，蓄電池能放出的最低工作容量，例如，97Ah電池標(biāo)稱100Ah，有些廠家的電池則是在使用幾個(gè)循環(huán)之后，實(shí)際容量達(dá)到或超出標(biāo)稱容量。

3VRLA電池容量及有關(guān)問(wèn)題

3?1容量與溫度

當(dāng)蓄電池放電工作溫度不是基準(zhǔn)溫度25℃時(shí)，則實(shí)際容量應(yīng)按公式（2）換算成25℃時(shí)的容量。即測(cè)試環(huán)境溫度不是25℃時(shí)，容量需校正。

Ce=Ct/[1＋KT(T－25℃)]（2）

式中：Ct為實(shí)測(cè)容量，Ce為25℃實(shí)際容量（看作標(biāo)稱容量），KT為溫度系數(shù),T為實(shí)際溫度。

對(duì)于10h率放電，KT=0.006/℃；3h率放電，KT=0.008/℃,1h率放電，KT=0.01/℃.

3?2容量與極板重量

VRLA電池所用鉛板與汽車電池基本材料相近，重量、外型稍有差異，例如12V/100AhVRLA電池與同一廠家制造的汽車電池極板，僅在外型與重量上有差別，后者稍微小些，這是因?yàn)槠囯姵貥O板稍薄，但標(biāo)稱容量均一致。

3.3容量與使用壽命

相同容量的VRLA電池可有不同的設(shè)計(jì)使用壽命，這主要取決于板極的制造、重量及閥的密封方式，即使是同一廠家的電池由于閥的密封方式不同，極板制造大小不同，可以有6年、10年、20年設(shè)計(jì)壽命的差異。一般，20年壽命電池的極板重量應(yīng)是10年壽命極板的兩倍左右，這也可以從法拉弟電化學(xué)定律得到解釋。200Ah電池的重量應(yīng)是100Ah電池的兩倍左右，各個(gè)廠家相同容量VRLA電池，重量相近。

此外，實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)使用壽命有很大差別，這主要取決于VRLA電池中水的損失情況。在設(shè)計(jì)條件下使用可達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，而當(dāng)外部條件如溫度、電壓、放電深度等變化超出設(shè)計(jì)要求時(shí)，實(shí)際使用壽命將會(huì)大大低于設(shè)計(jì)壽命，容量也會(huì)發(fā)生變化，趨于降低。

3?4容量與電解液

VRLA電池的電解液是稀硫酸，其比重與傳統(tǒng)的開(kāi)口滿液式電池有差異，為1.296～1.321（傳統(tǒng)電池電解液為1.185～1.220），此時(shí)約含40％的硫酸（重量比）,體積比約為29％，冰點(diǎn)約為－70℃，而傳統(tǒng)電池電解液約在－25℃時(shí)結(jié)冰，故VRLA電池可用于較低溫度條件下，但用于低溫時(shí)實(shí)際容量要降低，可根據(jù)廠方提供的容量—溫度曲線求出。

另外，還有堿性電解液閥控電池及膠體酸性閥控電池。膠體（Gel）電池（如DEKASolar）在低溫條件下使用更好，據(jù)廠方資料，南極考察時(shí)，－56℃以下溫度，電池仍可使用（一般電池可能早已凍裂）。

現(xiàn)在一些VRLA電池已經(jīng)用于汽車上，這是因?yàn)榫S護(hù)簡(jiǎn)單，且冰點(diǎn)更低，在嚴(yán)寒條件下，汽車起動(dòng)打火可以方便一些。

4VRLA電池的安裝與對(duì)充電器的要求

4?1對(duì)充電器的要求

傳統(tǒng)電池充電選用一般整流電源即可，而VRLA電池與傳統(tǒng)電池相比，最苛刻的要求在于對(duì)充電器的選擇上。VRLA電池的充電器一般選擇技術(shù)上成熟的高頻開(kāi)關(guān)電源，如華為公司、中興公司等均有該系列產(chǎn)品，其技術(shù)性能如下：

交流輸入：380V±20％，45～66Hz三相五線制

或220V±20％，45～66Hz單相三線制

直流輸出：額定電壓－48V（－43.2V～57.6V）

穩(wěn)壓精度<±0.5％

紋波系數(shù)<2.5％

限流、恒壓充電可調(diào)0.2C10～0.1C10

帶溫度補(bǔ)償按48V蓄電池組溫度變化72

～80mV/℃調(diào)整

均充轉(zhuǎn)浮充可調(diào)整設(shè)定(48V系統(tǒng)電池組)

保護(hù)功能輸入欠壓保護(hù)，整定值304V

輸入過(guò)壓保護(hù)，整定值456V

直流輸出過(guò)壓保護(hù)

直流輸出欠壓保護(hù)（可設(shè)定）

整流模塊過(guò)熱保護(hù)

三遙功能、智能化接口到遠(yuǎn)方控制中心

環(huán)境的溫度－20℃～45℃

濕度適應(yīng)為40％～90％

海拔高度在3000m以下

可連接電池組數(shù)（至少2組以上）

4?2VRLA電池的安裝

（1）VRLA電池連接至充電器（電信使用一般為

兩組電池，當(dāng)交流斷電時(shí)，一組放電，一組備用），兩組連線在按廠家要求配線選截面后，連接長(zhǎng)度應(yīng)一致，且盡可能短，減少壓降與能耗；

（2）保險(xiǎn)、斷路器一般應(yīng)安裝在電池負(fù)極與負(fù)載

之間；

（3）不應(yīng)在一組電池中混聯(lián)不同型號(hào)或不同廠家

的電池，以免引起電池組浮充不正常，導(dǎo)致電池?fù)p壞。高于220V系統(tǒng)一般選用12V單體電池串聯(lián)，同容量型號(hào)電池并聯(lián)一般不超過(guò)4組；

（4）盡管VRLA電池是吸液式設(shè)計(jì)，可安放任何

位置，但最好按照廠方圖紙，臥式設(shè)計(jì)的應(yīng)臥式安裝，立式設(shè)計(jì)的應(yīng)立式安裝，這有助于電池安全使用；

（5）VRLA電池一般應(yīng)安裝于室內(nèi)，有空調(diào)通風(fēng)

裝置，溫度在25℃左右，濕度在40％～90％之間，通風(fēng)必不可少。在高山機(jī)站霧大、濕度大，海拔高的地方，也可裝在室外（電池柜內(nèi)）。在地震頻繁地區(qū)，則考慮選用安裝抗震結(jié)構(gòu)的電池。在低溫地區(qū)常年使用，則容量選擇應(yīng)大幾號(hào)，考慮到抗凍裂問(wèn)題，最好選用膠體電池。

5VRLA電池容量的監(jiān)測(cè)

VRLA電池由于其密封及吸液式結(jié)構(gòu)，造成對(duì)電池容量及性能監(jiān)測(cè)的困難，與傳統(tǒng)開(kāi)口式電池相比，它不能看到液面及極板，也不能嗅到酸味，更不能測(cè)量比重及內(nèi)壓等，而電池失效或電池容量降低主要是因?yàn)槊撍皹O板硫化造成的，僅靠外部測(cè)量VRLA電池開(kāi)路電壓又不能作為判定電池容量[下降至標(biāo)稱容量的80％的電池，則判定其為失效]的充分依據(jù)。

目前有如下幾種容量監(jiān)測(cè)方法：

（1）在線電導(dǎo)測(cè)試

在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家對(duì)VRLA電池一般采用電導(dǎo)技術(shù)檢測(cè)其容量，這種方法無(wú)需放電，也不用檢查VRLA電池內(nèi)部。例如美國(guó)Midtronics公司的專利電導(dǎo)儀就屬于在線測(cè)量方式。

其原理是對(duì)一組VRLA電池兩端加一低頻率交流測(cè)量信號(hào)電壓，通過(guò)電池的信號(hào)電流與信號(hào)電壓的比值即為電導(dǎo)（僅考慮導(dǎo)納的實(shí)部值）單位為姆歐（或西門子），反映了此時(shí)電池在線時(shí)的傳導(dǎo)電流能力。為此在安裝時(shí)應(yīng)建立電導(dǎo)值測(cè)量曲線檔案，這樣在周期檢測(cè)時(shí)，如發(fā)現(xiàn)此時(shí)電導(dǎo)值低于80％初始測(cè)量值，則電池容量已低于80％標(biāo)稱容量，具體操作方式可見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。

（2）假負(fù)載放電

如同測(cè)量傳統(tǒng)開(kāi)口式電池的容量一樣，假負(fù)載放電測(cè)試也是目前仍較實(shí)用的一種方式。

當(dāng)備用電池有兩組時(shí)，可選一組退出系統(tǒng)，再用假負(fù)載對(duì)其作放電試驗(yàn)，這可以100％地實(shí)際檢測(cè)VRLA電池的容量，需要注意的是有的廠家規(guī)定的某電池的放電終止電壓是1.75V/單體，而有的廠家規(guī)定的是1.80V/單體。

一般在放電開(kāi)始時(shí)，有一個(gè)從端電勢(shì)到閉路電壓的陡降（例如從2.20V降至2.05V左右,以后在2.0～1.8V電壓之間為一直線，而在放電至終止電壓后，電池端電壓會(huì)急降趨于0V,顯陡降跳水曲線）。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),對(duì)電池以10小時(shí)率放電,測(cè)得出C10標(biāo)稱容量值Ce，放電電流為0.1IC10A。若以3小時(shí)率放電，則放電電流應(yīng)為0.25IC10A,即容量為75％Ce;若以1小時(shí)率放電，則放電電流應(yīng)為0.55IC10A,即容量為55％Ce。

（3）目測(cè)方法

檢查外觀是否有電池外殼膨脹、凹陷、連接條打火變色，電纜頭及連接螺絲變色等，有無(wú)酸霧逸出及其它異味，觸摸電纜過(guò)熱，外殼過(guò)熱等。

另外，也可用電壓表檢測(cè)，組與組之間的電壓是否一致，組內(nèi)各個(gè)電池電壓是否一致（一般電池容量下降是因?yàn)閮?nèi)阻增大，內(nèi)阻大的電池電壓也較高），以及電池電壓是否低于12V（如充電電池?cái)嚅_(kāi)浮充電源后仍有個(gè)別電池電壓低于12V以下，則可能已經(jīng)損壞）。

還可以打開(kāi)閥蓋（一般禁止打開(kāi)，但電池有嚴(yán)重疑問(wèn)者可迅速打開(kāi)閥蓋再行關(guān)閉,關(guān)閉時(shí)注意旋緊），檢查極板是否硫化，以及是否吸液玻璃纖維內(nèi)部已干涸等。

6VRLA電池應(yīng)用計(jì)算實(shí)例

6?1配套程控交換機(jī)電池安裝容量

C8＆C08等1000門程控交換機(jī)常見(jiàn)負(fù)載電流為4A～8A/48V（已考慮電話同時(shí)使用率約60％）。

通常選配二組100Ah/48V電池，每組可以支持24h左右，兩組可支持48h左右。

6?2電池配套UPS容量計(jì)算

蓄電池的最大放電電流可由下式得出：

I=[Pcosφ]/[Eiη]=P/Ei（3）

式中：P為UPS標(biāo)稱功率,cosφ為功率因數(shù)取0.8,η為效率取0.8,Ei為電池放電終止電壓。

也有一經(jīng)驗(yàn)公式如下：

如UPS容量為30kVA，cosφ取0.8,則功率為24kW，若需放電2h，則總能耗為48kWh，而輸入電壓通常已由UPS決定，設(shè)為220V，那么應(yīng)配備電池容量為：

48000Wh/220V≈210Ah

而在選用電池時(shí)，其放電Ah數(shù)對(duì)應(yīng)于對(duì)UPS的時(shí)間要求，在考慮到電池的內(nèi)部損耗后，Ah數(shù)要選稍大一些。

如果電池是作電動(dòng)車等設(shè)備的電源使用，則要根據(jù)放電深度對(duì)電池容量進(jìn)行選擇（一般VRLA電池閥的開(kāi)關(guān)壽命及水的損失率已不成問(wèn)題，可以不予考慮），如德克電池容量100～4200Ah在25％的深度放電工作時(shí)可達(dá)3000次循環(huán)壽命，在50％的深度放電工作時(shí)達(dá)1500次循環(huán)壽命，當(dāng)對(duì)循環(huán)次數(shù)要求高時(shí)，則可使放電深度下降。例如，電池容量選大一倍，則同型號(hào)工作設(shè)備的電池循環(huán)工作次數(shù)可以增大一倍（通過(guò)三年實(shí)測(cè)，德克電池80％深度放電可達(dá)1200次循環(huán)）。

6?3電池地面承重力計(jì)算（經(jīng)驗(yàn)公式）

設(shè)計(jì)安裝當(dāng)中，常要求機(jī)房的地面承載強(qiáng)度足以承受電池重量，地面荷載公式如下：

〔電池總重量(kg)/電池占地總面積(m2)〕×面積系數(shù)=承重力（kg/m2)(4)

式中電池總重量為廠家提供數(shù)據(jù)，電池占地面積為實(shí)際安裝占地面積，面積系數(shù)≤0.6（因?yàn)殡姵胤棵娣e遠(yuǎn)大于實(shí)際電池占地面積，而且電池兩邊至少要留有0.5m以上的人行通道，供維護(hù)檢查使用，一般電池安裝深度在0.6m左右）。

此公式由廠方提出，長(zhǎng)期使用至今未出現(xiàn)任何安全問(wèn)題。

6?4VRLA電池產(chǎn)生氣體計(jì)算

VRLA電池為全密封電池，通常情況下，安全可靠，但必須有通風(fēng)良好的環(huán)境，因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)，內(nèi)部產(chǎn)生氣體，一般復(fù)合率達(dá)98％以上，但仍有少量氣體不能復(fù)合，尤其在過(guò)充電情況下，問(wèn)題更顯重要。

通常氣體由電解水產(chǎn)生，氣體逸出電池外部，造成水損失，氣體量由電池的失水量決定，10年壽命的電池其失水率每年是電解液中水的總重量的1％，20年壽命的電池失水率每年是電解液中水的總重量0.5％。

例如，100Ah/2V，DekaUnigyII電池，AVR85－23，電解液總重14.76kg，水重約10kg，20年失水10％約1kg，每年失水50g，相當(dāng)于約44.4g氧氣及5.5g多氫氣，或者說(shuō)約1.4個(gè)摩爾的氧氣，約2.8個(gè)摩爾的氫氣，常溫常壓下1摩爾氣體為22.4升，因而推出每年該電池約釋放氣體90升左右。

假如運(yùn)行條件惡劣，長(zhǎng)期過(guò)充電，充電電壓升高，則產(chǎn)生氣體會(huì)增加。當(dāng)用AVR85－23，220V系統(tǒng)時(shí)，可串聯(lián)108個(gè)2V單體電池，釋放氣體量也增至100倍以上。由于氫氣的易爆性，通風(fēng)是必要的。

此外水損的另一途徑是水分子透過(guò)電池外殼擴(kuò)散到電池外部空間。

6?5電池剩余容量計(jì)算公式

VRLA電池的使用壽命與產(chǎn)品質(zhì)量、使用條件、環(huán)境與維護(hù)等多方面因素相關(guān)，是一個(gè)隨機(jī)變量，其一般公式為；

Qt=Qe－λt（5）

式中：Q為新裝電池所測(cè)實(shí)際容量Ah（可能大于、等于或小于標(biāo)稱容量）；

Qt為經(jīng)過(guò)時(shí)間t后該蓄電池的容量Ah，

λ為失效率，表示在蓄電池工作到時(shí)間t未失效,爾后單位時(shí)間發(fā)生失效的概率（λ<1）。

從電池的出廠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如已知t，則可以求電池失效概率，得出λ,t，進(jìn)而可推算Q值等。

6?6電池的熱損耗

VRLA電池與任何能源一樣，其電能－化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率不可能100％，充電時(shí)電能變成化學(xué)能貯存在電池內(nèi)部，放電時(shí)，化學(xué)能變成電能，主要消耗在外部電路。

根據(jù)電學(xué)公式，充電時(shí)，電池吸收能量為：

W=UIt=EIt＋I(xiàn)2R0t(6)

式中：U為充電電壓（V）,I為充電電流（A）,W為充電電能（Wh或kWh）,R0為充電電池內(nèi)阻（Ω），E為充電電池電勢(shì)（V），t為充電時(shí)間（h）。

例如，DekaUnigyII系列電池，型號(hào)為AVR85－23，1000Ah/2V單體電池R0=0.33mΩ,充電電流=200A=0.2C10,充電電壓=2.30V,充電電池電勢(shì)=2.25V,則有

EIt=2.25V×200t=450t

I2R0t=2002×0.33×10－3t=13.2t

另外考慮到放電過(guò)程的損耗，總的電池內(nèi)部損耗應(yīng)為6％左右。

考慮到其它化學(xué)損耗，電阻的變化等因素，故各種電池的效率并不相同，一般認(rèn)為可達(dá)90％～93％。

6?7選用配套電池容量

從電力合閘的要求，選用配套電池容量（短路電流），有的廠家對(duì)VRLA電池直接給出短路電流值，如Deka電池也有廠家給出15s、5s放電電流值等，但一般均只有5、10、15、30分鐘及以上放電數(shù)據(jù)。

已知合閘沖擊電流Ich，有一選用配套電池容量Cb的經(jīng)驗(yàn)公式為：

Cb=KIch(7)

式中：K為選用配套電池系數(shù),取0.2。

至于合閘電源的電壓為110V或220V等，則可選電池串聯(lián)達(dá)到所要求的電源電壓等級(jí)。例如0.5s沖擊電流167A，選電池為容量33.4Ah，靠上一檔整數(shù)為40Ah。

6?8對(duì)直流48V、110V、220V、380V電源的電池個(gè)

數(shù)選擇

對(duì)48V系統(tǒng)2V單體取24只

6V單體取8只

12V單體取4只

對(duì)110V系統(tǒng)2V單體取54只（或53只）

6V單體取18只

12V單體取9只

對(duì)220V系統(tǒng)2V單體取108只（或106只）

6V單體取36只

12V單體取18只

對(duì)380V系統(tǒng)2V單體取180只

6V單體取60只

12V單體取30只

一般而言，需考慮具體直流負(fù)載的工作電壓水平，通常取2V單體連成直流系統(tǒng)較好，易于配置調(diào)整所需直流電壓，但2V系統(tǒng)串聯(lián)太多，如出現(xiàn)個(gè)別電池極性接反，不易從總體直流電壓查出安裝錯(cuò)誤。

6?9電解液密度對(duì)容量的影響

VRLA電池的電勢(shì)大小與蓄電池極板上活性物質(zhì)的電化性質(zhì)和電解液的密度有關(guān)，與極板的大小無(wú)關(guān)。計(jì)算電勢(shì)E的公式為：

E=0.85＋d（8）

式中：d為蓄電池極板微孔中即隔膜中的電解液密度

充電后為：E=0.85＋1.30=2.15V

放電后為：E=0.85＋1.15=2.00V（水的密度為1.00g/cm3）

應(yīng)該注意，E為電池電動(dòng)勢(shì)即電池開(kāi)路端電壓，這與電池的閉路電壓是兩個(gè)概念。當(dāng)電池內(nèi)部發(fā)生故障，內(nèi)阻增大，盡管此時(shí)電勢(shì)仍高達(dá)2V以上，但電池容量已經(jīng)不夠了，故測(cè)量開(kāi)路端電壓很難判定電池是否完好。

6?10電池內(nèi)阻R0的測(cè)量

VRLA電池內(nèi)阻是一個(gè)變量，它與極板，電解液有關(guān)，而極板在充電過(guò)程中不停變化，電解液也不斷變化（H2OH2SO4），當(dāng)電池充滿電時(shí)，電池內(nèi)阻最小，隨著放電過(guò)程的延續(xù)，電解液變成水，而兩極金屬鉛板變成硫酸鹽，均顯電阻增大狀態(tài)，放電終止時(shí)，電阻急劇增大，以致外部無(wú)壓降，電壓全部降落在內(nèi)阻上。

通常標(biāo)稱電阻為出廠時(shí)充滿電后測(cè)試之內(nèi)阻，隨著電池的使用年限增加，實(shí)際內(nèi)阻會(huì)有變化，一般趨于增大。

實(shí)際內(nèi)阻R0計(jì)算公式為：

R0=(E－U)/I（9）

式中：U為電池短路電壓,I為短路電流。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量值與出廠值比較，可以判定電池的好壞。

7結(jié)語(yǔ)

本文涉及電池安裝、承重計(jì)算、VRLA電池、VRLA電池發(fā)生氣體計(jì)算、UPS選用電池計(jì)算、VRLA電池對(duì)充電器的要求、VRLA電池的放電容量檢測(cè)方法等許多實(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式，已被長(zhǎng)期實(shí)踐證明是有效的、可行的，本文所有數(shù)據(jù)均有出處，可供相關(guān)行業(yè)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行人員參考。