閥控式密封鉛酸蓄電池的應用與維護

這篇文章寫的很好，對于制造廠家及用戶單位都值得一讀，尤其是正確使用及合理維護閥控式密封鉛酸蓄電池的方法更為重要。

閥控式密封鉛酸蓄電池的應用與維護

摘要：闡述了閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理、應用領(lǐng)域及市場前景。并根據(jù)生產(chǎn)和應用實踐，介紹閥控式密封鉛酸蓄電池的維護方法。

關(guān)鍵詞：閥控式密封鉛酸蓄電池應用維護

Application and Maintenance of VRLAB

Abstract: The paper describes the fundament applications and market prospect of VRLAB. The maintenance method of VRLAB is introduced depend on the practice of manufacture and appli cation.

Keywords:VRLAB Application Maintenance

??? 自法國普蘭特1859年發(fā)明鉛酸蓄電池以來，至今已有一百多年的歷史。它與其它所有化學電源一樣，是一個電能與化學能互相轉(zhuǎn)換的裝置。由于它具有電動勢高、充放電可逆性好、使用溫度范圍廣、電化學原理清楚、生產(chǎn)工藝易于掌握和原材料豐富而且價格低廉等優(yōu)點，獲得了廣泛的應用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自50年代起，不斷對傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池進行技術(shù)改造。特別是閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLAB）的問世，由于它克服了酸液易于外溢令人頭痛的弊病，能與電子設備放在一起，符合用戶使用方便的要求，從而使它的應用領(lǐng)域更加廣闊。誠然，作為一種新技術(shù)、新產(chǎn)品推向市場，需要有一個不斷完善的過程，除了制造商對產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量不斷提高外，還需要用戶對新產(chǎn)品的使用和維護有所了解，使之用得更合理、更長久。

1工作原理與優(yōu)良特性

　　VRLAB的工作原理，基本上仍沿襲傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4），其電極反應方程式如下：

　　正極：

PbO2＋HSO－4＋3H＋＋2e?PbSO4＋2H2O

　　負極：

Pb＋HSO－4?2PbSO4＋2H2O　　整個電池反應方程式：

Pb＋PbO2＋2H＋＋2HSO－4?2PbSO4＋2H2O　　VRLAB在結(jié)構(gòu)、材料上作了重要的改進，如圖1所示，正極板采用鉛鈣合金或鉛鎘合金、低銻合金，負極板采用鉛鈣合金，隔板采用超細玻纖隔板，并使用緊裝配和貧液設計工藝技術(shù)，整個電池反應密封在塑料電池殼內(nèi)，出氣孔上加上單向的安全閥。這種電池結(jié)構(gòu)，在規(guī)定充電電壓下進行充電時，正極析出的氧（O2），可通過隔板通道傳送到負極板表面，還原為水（H2O），其反應式如下：

　　正極上：2H2O?O2＋4H＋＋4e

　　負極上：O2＋2Pb?2PbO

2PbO＋2H2SO4?2PbSO4＋2H2O

　　這是VRLAB特有的內(nèi)部氧循環(huán)反應機理，這種充電過程，電解液中的水幾乎不損失，使電池在使用過程中達到不需要加水的目的。

圖1VRLAB工作原理示意圖

　　由于作了上述重要改進，VRLAB具有體積小、重量輕、自放電小、少維護、壽命長、使用方便、對環(huán)境無腐蝕、無污染等優(yōu)良特性，與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，在使用、維護和管理上有著明顯的優(yōu)點。

　?。?）使用方便

　　VRLAB只需嚴格控制整流器的充電電壓，根據(jù)浮充使用和循環(huán)使用的不同要求，采用規(guī)定的電壓進行恒壓充電，無需值班人員過多操心電池的充電過程，不必添加蒸餾水，也不必經(jīng)常檢測電池端電壓、電解液比重及溫度，只需定期檢測電池端電壓和放電容量即可。

　?。?）安裝簡便

　　VRLAB已進行過化成充放電處理，荷電出廠，所以用戶在安裝使用時，無需再進行繁瑣的初充電過程，如果放置時間超過六個月，可按生產(chǎn)廠的規(guī)定進行補充電，在充足電之后，進行一次容量試驗性放電檢查，以判斷電池容量是否符合標準要求，質(zhì)量是否穩(wěn)定可靠。

　?。?）安全可靠

　　VRLAB采用密封結(jié)構(gòu)，可豎放或臥放使用，無酸霧、無毒、無有害氣體溢出，由于電池采用恒壓充電制，電池內(nèi)部實現(xiàn)氧循環(huán)過程，水損失很少，即使偶爾過充，有少量的氣體可通過安全閥向外排出，電池殼不致因壓力過大而鼓脹甚至爆裂。

　?。?）節(jié)省投資

　　VRLAB不污染設備和環(huán)境，可與電子設備放在一起使用，無須專門用于電池放置和維護的房間，維護工作量大大減少。而且電池安裝可采用疊放式電池架，占地面積小，節(jié)約電源系統(tǒng)的投資費用。

　　總之，VRLAB的優(yōu)良特性，無疑對通信、電力、信息、金融等行業(yè)的科學管理創(chuàng)造了極為有利的條件，容易實現(xiàn)微機控制，可實現(xiàn)無人值守和微機集中監(jiān)控的現(xiàn)代化管理方式。

2應用領(lǐng)域與發(fā)展前景

　　眾所周知，從平常的玩具、手電筒到重要的通信機站、電站等領(lǐng)域都有電池的用武之地，作為后備電源或動力電源，在許多重要系統(tǒng)裝置、設施的安全運行中總少不了它，隨著計算機、信息、運輸、電力等事業(yè)的發(fā)展，電池的需求量仍不斷增長，據(jù)統(tǒng)計，當今世界對電池的需求量年增長率接近8％，估計到2002年，全球電池銷售總額將達到550億美元[1]。

　　其中，鉛酸電池銷售量占世界電池總銷量的一半以上。本文引用世界最有權(quán)威的美國國際電池協(xié)會（BCI）提供的調(diào)查資料[2]說明鉛酸電池的應用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

　　美國電池工業(yè)，主要是指鉛酸電池，它的應用領(lǐng)域可分為兩部分：

　?。?）機動用電源（Motivepower）

　　主要用于卡車、鏟車、小汽車及鐵路機車等車輛用電池，1977年統(tǒng)計資料，這方面銷售額占40％。

　　（2）固定用電源（Stationarypower）

　　主要用于電話通信、不間斷電源（UPS）、安全報警、開關(guān)控制、應急燈、電子設備及醫(yī)療設備等，這方面銷售額占60％。

　　該協(xié)會調(diào)查組收集了美國16家知名鉛酸電池制造廠商的銷售資料，總結(jié)和預測了各個應用領(lǐng)域的銷售情況（見表1）

表1美國工業(yè)電池市場銷售情況及預測(單位：百萬美元)

＊指草地、花園、玩具和一些特殊的使用場合

＊＊指鏟車、卡車、自動導向車輛及機場地勤車輛

　　從表1可以看出，美國鉛酸電池的銷售前景是很好的。特別是通信、UPS方面，其銷售占固定用電源總額70％。而且，這些領(lǐng)域中，新的設備使用電池和舊設備更換電池大都采用VRLA電池。

　　我國從80年代中期開始研制VRLAB，但都是小型電池，上海復華實業(yè)股份有限公司從1986年開始研制小型VRLAB，裝入自行設計的UPS設備中進行試用定型，于1991年通過上海市新產(chǎn)品鑒定，并開始制造POWERSON牌容量從1.2～100Ah的MF全系列VRLA電池，將其推向市場，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，榮獲1993年度上海市科技進步二等獎。90年代初，為了適應我國電信事業(yè)的發(fā)展，復華公司引進美國、德國先進的電池設備和技術(shù)，在上海嘉定復華高新技術(shù)園區(qū)內(nèi)建立了現(xiàn)代化的電池廠，研制出POWERSON固定型GMF系列VRLAB，容量從200～3000Ah，廣泛應用于通信、電力和UPS系統(tǒng)。POWERSON牌VRLAB已通過信息產(chǎn)業(yè)部、電力部、總參、國家產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)及美國UL的檢測認可，制造廠也通過了ISO－9001質(zhì)量體系認證。如今，VRLAB在我國已遍地開花，市場競爭更加激烈。然而，只有制造設備，生產(chǎn)工藝及管理水平上檔次的制造商，才能贏得用戶的信賴。3使用要求與維護方法

　　VRLAB在我國推廣應用已有十多年了，由于其不溢酸霧、少維護的特性，受到愈來愈多用戶的青睞。但從用戶使用情況來看，還有不少用戶不甚了解VRLAB使用要求，認為是不要維護的，在更換傳統(tǒng)鉛酸電池時，也未調(diào)整充電電壓，甚至仍用恒流充電制，由于電池過充過放，熱失控等情況，致使電池早期失效。因此，加強對VRLAB使用要求和維護方法的宣傳，正確理解“免維護”的含義，對進一步推廣VRLAB應用是非常必要的。

　　影響VRLAB使用壽命的主要因素是熱失控和失水，下面分別討論它們的起因和預防措施[3]：

　　(1)熱失控的產(chǎn)生與預防

　　由于充電電壓和電流控制不當，在充電后期，會出現(xiàn)一種臨界狀態(tài)，即熱失控。此時，蓄電池的電流及溫度發(fā)生積累性的相互增強作用，使電池槽殼變形（“鼓肚子”），如有一用戶，在安裝2000Ah電池組時，線路接錯，少接二只電池，即48V變成44V，而充電電壓又按照53.7V進行浮充，這樣每只電池浮充電壓從2.23V變成2.44V，充電一個月后，由于電池內(nèi)部熱積累，排氣不及，使電池“鼓肚子”，這是比較嚴重的故障。

　　應該指出，在正常浮充電壓下是不可能產(chǎn)生熱失控的，只有人為操作和設備失控使電壓過高，或電池組中個別電池嚴重故障如短路、反極時才可能產(chǎn)生。因此，正確選擇浮充電壓和定期檢查每個電池的“健康情況”是非常重要的，如果環(huán)境溫度變化較大，應根據(jù)溫度補償加以校正。

　　(2)電池失水與預防

　　VRLAB是在“貧液”狀態(tài)下工作的，其氣體復合效率應接近100％。如果制造工藝中，電池處于“富液”狀態(tài)，會使隔板中O2的通道阻塞，氣體復合效率降低，電池內(nèi)壓力增大，特別是在安全閥性能不良情況下，失水更加嚴重，經(jīng)過一段時期后，電池會失水而干涸。

　　當然，由于浮充電壓過高，電解水反應加劇，析氣速度加快，失水也必然增加。另外，使用環(huán)境溫度過高，未調(diào)整浮充電壓，也同樣會產(chǎn)生失水現(xiàn)象。因此，除了制造商應嚴格控制電池中電解液的數(shù)量以外，用戶應創(chuàng)造一個最佳溫度（20±5℃）使用環(huán)境和嚴格控制浮充電壓運行條件，保證電池組有較長的使用壽命。

　　此外，每只電池浮充電壓一致性不好，也會使個別高浮充電壓的電池失水，而過早失效。因此，通過維護手段使電池浮充電壓比較一致，也是延長電池組使用壽命的有效方法。為了保證電源無故障運行，延長電池組使用壽命，這里提出如下運行維護方案：

　?。?）充電要求

　　鉛酸電池放電產(chǎn)物是硫酸鉛，若不及時轉(zhuǎn)化掉，會使電池處于充電不足狀態(tài)，從而降低電池放電容量和縮短電池使用壽命。因此，必須使電池組處于充足電狀態(tài)。一般采用“恒壓充電制”，對不同情況，可分浮充和均充。

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　　在線式電池組是長期并聯(lián)在充電器和負載線路上，作為后備電源的工作方式。一般情況下，都采用浮充充電，單體電池電壓控制在2.25V，并定期觀察、記錄浮充電壓變化。如果單體電池電壓偏低，說明電池充電不足，容量不夠，應注意跟蹤。

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　　如果電池組在浮充過程中存在落后電池（單體電池電壓低于2.20V），或浮充三個月后，宜進行均充過程，其單體電池電壓控制在2.35V，充6～8小時（注意一次均充時間不宜太長），然后調(diào)回到浮充電壓值，再觀察落后電池電壓變化，如電壓仍未到位，相隔二周后再均充一次，一般情況下，經(jīng)過3～6個月浮充，均充后，新電池組的浮充電壓會逐步趨于一致。

　　③溫度補償

　　雖然電池的工作溫度范圍很寬，可在－15℃～＋45℃范圍內(nèi)運行，但是電池運行最佳環(huán)境溫度為25℃左右，如果環(huán)境溫度變化較大，需用溫度系數(shù)進行補償（－3mV/℃），可參考表2調(diào)整充電電壓值。

表2不同環(huán)境溫度的浮充電壓值

　?。?）維護方法

　　如果在半年內(nèi)，電池組從未放過電，應對電池組進行一次治療性充放電維護操作。

　　①放電操作

　　放電是為了檢查電池容量是否正常，一般采用10小時率放電，有條件的可用假負載放電；從用戶方便考慮，也可直接用負載進行放電，即拉掉市電，用電池組供電，考慮到安全性，放電深度控制在30～50％為宜。當然，有條件可放電更深一些，容易暴露電池潛在的問題。并且每小時檢測一次單體電池電壓，通過計算放出電池容量，對照表3電壓值，判斷電池是否正常。

表3電池放出不同容量的標準電壓值（10小時率）

放出電池容量計算：

[電流（A）×時間（h）/電池額定容量（Ah）]×100％

　　在相應放出容量下，其單體電池電壓值應等于或大于相應電壓值，即電池容量正常，反之電池容量不足。

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表4PowersonGMF48V閥控式密封蓄電池組維護記錄表

電池型號：GMF2－2000負載電流：200A

檢測日期：1999.7.26

　　電池組放電后，應立即轉(zhuǎn)入充電，開始時可控制電流不大于0.2C（A）為宜（如200Ah電池，充電電流應不大于0.2×200=40A）。當電流變小時，可慢慢提高電池組充電電壓，達到均充電壓值，再充6小時，然后再調(diào)回浮充電壓值。

　?、鄹鶕?jù)治療性充放電過程，從放電容量和電池電壓值判斷每只電池的“健康情況”，因為不同放電容量過程中每只電池的電壓變化，就代表了該電池的“健康”狀況，如有不合格電池，應采取補救措施。

　　下面，提供某電信局使用POWERSON牌48V－2000Ah電池組的一種維護記錄表格（見表4）。從表4中數(shù)據(jù)分析可對電池正常與否作出判斷，并采取合適的維護方法：

　　?電池運行基本正常，但6號電池容量偏低，注意跟蹤。

　　?整個電池組容量稍低于標準值，其原因是電池未完全充足。

?浮充電壓偏低，應提高到53.7V（28℃）。

　　?應進行均充充電，以提高落后電池電壓。

　　總而言之，在推廣應用VRLAB的過程中，制造商應嚴格控制生產(chǎn)工藝條件，提供性能一致的高質(zhì)量電池產(chǎn)品；用戶應加強對VRLAB的了解，并做好必要的維護工作，共同發(fā)展我國VRLAB民族工業(yè)，為我國國民經(jīng)濟做出更大的貢獻。

參考文獻

1 The Freedonia Group,Inc.,“ Would Batteries Demand To Increase” The Battery Man, March, 1999.

2 Bob Cullen, “ US Industrial Battery Forecast Report ” The Battery Man, August, 1998.

3 Kalayan Jana, “ Reliability ancements of VRLA Battery” The batEnm1.battery Man, April, 1999.