阀控式铅酸蓄电池的特性、应用及维护

阀控式铅酸蓄电池的特性、应用及维护

摘 要 ： 介 绍 了 阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 的 工 作 原 理 、 特 性 、 应 用 及 维 护

时 应 注 意 的 问 题 ，并 结 合 例 子 说 明 如 何 选 择 蓄 电 池 为 UPS及 电 力 系 统 配 套 。

关 键 词 ： 蓄 电 池 ； 浮 充 ； 电 池 容 量

蓄电 池 自 1859年 由 法 国 人 发 明 使 用 至 今 已 有 143年 历 史 。 1957年 英 国 首 先 发明 了 再 化 合 免 维 护 汽 车 蓄 电 池 ， 德 国 阳 光 公 司 发 明 了 触 变 性 凝 胶 工 业 用 铅 电 池 ， 1983年 美 国 GNB公 司 发 明 并 生 产 了 I型 阴 极 吸 收 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 ， 1985年 日 本 YUASA公 司 开 始 生 产 MSE系列 大 型 阴 极 吸 收 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 。

随 之 英 国 制 订 出 标 准 BS6290第 四 部 分 （ 1987） 铅 酸 固 定 型 单 体 蓄 电 池 和 蓄 电 池 组 （ 阀 控 密 封规 范 ） ； IEC制 订 出 IEC896— 2（ 1991） 固 定 型 铅 蓄 电 池 一 般 要 求 和 试 验 方 式 ， 第 二 部 分： 阀 控 式 ； 日 本 制 订 出 了 JISC8707— 1992 密 封 式 固 定 型 阴 极 吸 收 式 铅 蓄 电 池 ； 中 国 邮 电 部 制 订出 YD/T799— 1996通 信 用 阀 控 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 技 术 要 求 和 检 验 方 法 ； 中 国 电 力 部 制 订 出 DL/T637— 1997阀 控式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 订 货 技 术 条 件 。 以 上 标 准 成 为 产 品 质 量 考 核 的 技 术 标 准 。

上 世 纪 80年 代 起 ， 国 外 生 产 类 似 产 品 的 企 业 大 量 发 展 ， 1988年 深 圳 华 达 电 源 系 统 有 限 公 司 引进 了 美 国 GNB公 司 的 技 术 ， 在 消 化 吸 收 后 开 始 生 产 阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 ， 通 过 并 联 组 合 最 大 容 量可 达 12 960 Ah。 20世 纪 90年 代 我 国 生 产 类 似 产 品 的 厂 家 遍 及 全 国 。

1 阀 控 式 铅 酸 电 池 的 工 作 原 理

阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 的 设 计 原 理 是 把 所 需 份 量 的 电 解 液 注 入 极 板 和 隔 板 中 ， 没 有 游 离 的 电 解 液， 通 过 负 极 板 潮 湿 来 提 高 吸 收 氧 的 能 力 ， 为 防 止 电 解 液 减 少 把 蓄 电 池 密 封 ， 故 阀 控 式 铅 酸 蓄电 池 又 称 “ 贫 液 电 池 ” 。

阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 的 极 栅 主 要 采 用 铅 钙 合 金 ， 以 提 高 其 正 负 极 析 气 （ H2和 O2） 过 电 位 ， 达 到减 少 其 充 电 过 程 中 析 气 量 的 目 的 。 正 极 板 在 充 电 达 到 70％ 时 ， 氧 气 就 开 始 发 生 ， 而 负 极 板 达到 90％ 时 才 开 始 发 生 氧 气 。 在 生 产 工 艺 上 ， 一 般 情 况 下 正 负 极 板 的 厚 度 之 比 =6： 4， 根 据 这 一正 、 负 极 活 性 物 质 量 比 的 变 化 ， 当 负 极 上 绒 状 Pb达 到 90％ 时 ， 正 极 上 的 PbO2接 近 90 ％ ， 再 经少 许 的 充 电 ， 正 、 负 极 上 的 活 性 物 质 分 别 氧 化 还 原 达 95％ ， 接 近 完 全 充 电 ， 这 样 可 使 H2、 O2气 体 析 出 减 少 。 采 用 超 细 玻 璃 纤 维 （ 或 硅 胶 ） 来 吸 储 电 解 液 ， 并 同 时 为 正 极 上 析 出 的 氧 气向 负 极 扩 散 提 供 通 道 。 这 样 ， 氧 一 旦 扩 散 到 负 极 上 ， 立 即 为 负 极 吸 收 ， 从 而 抑 制 了 负 极 上 氧气 的 产 生 ， 导 致 浮 充 电 过 程 中 产 生 的 气 体 90 ％ 以 上 被 消 除 （ 少 量 气 体 通 过 安 全 阀 排 放 出 去 ）。 2 阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 的 特 性 2.1 浮 充 电 压

浮 充 电 压 =开 路 电 压 ＋ 极 化 电 压

=（ 电 解 液 比 重 ＋ 0.85） ＋ (0.10～ 0.18) V =（ 1.30＋ 0.85） ＋ (0.10～ 0.18) V = 2.15 V ＋ 0.10 V = 2.25 V

例 如 ， 美 国 圣 帝 公 司 的 电 池 电 解 液 比 重 为 1.240 g/cm3, 所 以 它 的 浮 充 电 压 为 2.19 V。 日 本 YUASA公 司 的 浮 充 电 压 为 2.23 V。 2.2 浮 充 电 流

固 定 型 防 酸 隔 爆 蓄 电 池 的 浮 充 电 流 有 两 个 作 用 ： 1） 补 充 蓄 电 池 自 放 电 的 损 失 ；

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2） 向 日 常 性 负 载 提 供 电 流 。

阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 的 浮 充 电 流 有 三 个 作 用 ： 1） 补 充 蓄 电 池 自 放 电 的 损 失 ； 2） 向 日 常 性 负 载 提 供 电 流 ；

3） 浮 充 电 流 足 以 维 持 电 池 内 氧 循 环 。 2.3 端 电 压 的 偏 差 （ 静 态 偏 差 与 动 态 偏 差 ）

动 态 偏 差 在 浮 充 运 行 初 期 较 大 。 实 际 上 ， 刚 出 厂 的 蓄 电 池 可 能 是 因 为 部 分 电 池 中 处 于 电 解 液饱 和 状 态 而 影 响 了 氧 复 合 反 应 的 进 行 ， 从 而 使 浮 充 电 压 过 高 ， 电 解 液 饱 和 的 电 池 会 因 不 断 的充 电 使 水 分 解 而 “ 自 动 调 整 ” 至 非 饱 和 状 态 ， 6个 月 后 端 电 压 偏 差 逐 渐 减 小 。 但 偏 差 较 大 也 不 排 除 与 有 的 制 造 商 制 造 质 量 有关 。

我 国 GB13337.1－ Q1及 德 国 DJN43539－ 84规 定 固 定 型 电 池 静 态 偏 差 范 围 为 电 压 平 均 值 的 ＋ 0.1～ 0.05 V。

邮 电 部 YD/T799－ 1996规 定 ， 静 态 时 ， 最 高 电 压 与 最 低 电 压 值 偏 差 为 20 mV ， 动 态 时 ， 最 高 电压 值 与 最 低 电 压 值 偏 差 不 超 过 50 mV。

电 力 部 DL/T637－ 1997规 定 ， 静 态 时 ， 最 高 电 压 与 最 低 电 压 值 偏 差 为 30 mV ， 动 态 时 ， 最 高 电压 值 与 最 低 电 压 值 偏 差 不 超 过 50 mV。 2.4 气 体 的 复 合

在 正 常 浮 充 电 电 压 下 ， 电 流 在 0.02C以 下 时 ， 气 体 100％ 复 合 ， 正 极 析 出 的 氧 扩 散 到 负 极 表 面。 100％ 在 负 极 还 原 ， 负 极 周 围 无 盈 余 的 氧 气 ， 负 极 析 出 的 氢 气 是 微 量 的 。 若 提 升 浮 充 电 压 ，或 环 境 温 度 升 高 ， 使 充 入 电 流 徒 升 ， 气 体 再 化 合 效 率 随 充 电 电 流 增 大 而 变 小 ， 在 0.05C时 复 合率 为 90％ ， 当 电 流 在 0.1C时 ， 气 体 再 化 合 效 率 近 似 为 零 。 如 图 1所 示 ， 这 时 聚 集 在 负 极 的 氧 气和 负 极 表 面 析 出 的 氢 气 很 多 ， 电 池 内 压 徒 升 ， 排 气 阀 开 启 ， 造 成 蓄 电 池 严 重 缺 水 。

2.5 温 度 的 影 响

电 池 充 电 时 其 内 部 气 体 复 合 本 身 就 是 放 热 反 应 ,使 电 池 温 度 升 高 ， 浮 充 电 流 增 大 ， 析 气 量 增 大， 促 使 电 池 温 度 升 得 更 高 ， 电 池 本 身 是 “ 贫 液 ” ， 装 配 紧 密 ， 内 部 散 热 困 难 ， 如 不 及 时 将 热 量 排 除 ， 将 造成 热 失 控 。 浮 充 末 期 电 压 太 高 ， 电 池 周 围 环 境 温 度 升 高 ， 都 会 使 电 池 热 失 控 加 剧 。

温 度 每 升 高 1 ℃ ,电 池 电 压 下 降 约 3 mV/单 电 池 ， 致 使 浮 充 电 流 升 高 ， 使 温 度 进 一 步 升 高 。 温 度 高 于 50 ℃ 会 使 电 池槽 变 形 。

温 度 低 于 － 40 ℃ 时 ， 阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 还 能 正 常 工 作 ， 但 蓄 电 池 容 量 会 减 小 。

阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 由 于 结 构 问 题 对 温 度 要 求 很 高 ， 这 一 点 大 家 都 注 意 到 了 ， 为 此 ， 在 设 计 充电 设 备 时 都 考 虑 了 温 度 补 偿 措 施 ， 但 温 度 采 样 点 的 选 取 至 关 重 要 ， 它 直 接 关 系 着 补 偿 的 效 果。 温 度 采 样 点 有 三 处 ， 即 蓄 电 池 附 近 的 空 气 温 度 、 蓄 电 池 外 壳 的 表 面 温 度 及 蓄 电 池 内 部 电 解液 温 度 。 第 一 处 最 容 易 ， 目 前 基 本 都 采 用 此 法 ， 但 这 种 方 法 很 不 准 确 ， 因 为 由 于 某 种 原 因 使蓄 电 池 温 度 升 高 ， 但 蓄 电 池 温 度 的 升 高 很 难 引 起 蓄 电 池 附 近 的 空 气 温 度 的 升 高 ， 因 此 这 种 补偿 措 施 基 本 无 用 ； 第 三 处 最 能 反 应 蓄 电 池 的 实 际 情 况 ， 但 较 难 实 现 ； 第 二 处 最 实 际 ， 也 较 容易 实 现 ， 目 前 已 有 企 业 根 据 第 二 处 的 采 样 设 计 温 度 补 偿 单 元 。 2.6 种 类

阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 分 为 三 类 ， 即 大 型 、 中 性 、 小 型 。 单 体 在 200 Ah及 以 上 为 大 型 ， 20～ 200 Ah为 中 型 ， 20 Ah以 下 为 小 型 。

电 力 系 统 在 设 计 上 一 般 均 选 用 大 型 铅 酸 蓄 电 池 , 而 UPS电 源 在 设 计 上 则 选 用 中 型 铅 酸 蓄 电 池 。 2.7 电 池 容 量

铅 酸 蓄 电 池 的 极 板 在 制 造 过 程 中 ， 对 生 极 板 进 行 充 电 化 成 ， 使

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正 极 板 上 的 铅 变 成 二 氧 化 铅 ，负 极 板 上 的 铅 变 成 海 绵 状 铅 。 但 由 于 在 制 造 厂 对 极 板 进 行 化成 的 时 间 有 限 ， 不 可 能 将 所 有 的 物质 均 转 化 成 活 性 物 质 ， 为 此 ， 国 家 标 准 规 定 新 电 池 达 到 90 ％ 容 量 为 合 格 ， 只 有 在 今 后 的 日 常使 用 中 ， 容 量 逐 渐 达 到 正 常 值 ， 安 装 2年 后 要 求 达 到 100％ 。

我 国 、 日 本 、 德 国 工 业 用 电 池 采 用 10小 时 率 ， 美 国 的 工 业 用 电 池 标 准 为 8小 时 率 。

我 国 电 力 、 邮 电 标 准 规 定 ， 10小 时 率 电 池 ， 1小 时 率 时 容 量 为 0.55C10。

日 本 工 业 标 准 规 定 2 V， 10小 时 率 电 池 ， 1小 时 率 时 容 量 为 0.65C10； 6V、 12V， 10小 时 率 电 池， 1小 时 率 时 容 量 为 0.6C10。 20小 时 率 电 池 ， 10小 时 率 时 容 量 为 0.93C20， 1小 时 率 时 容 量 为 0.56C20。

电 力 系 统 一 般 在 设 计 上 均 选 用 10小 时 率 铅 酸 蓄 电 池 , 而 UPS电 源 在 设 计 上 则 选 用 20小 时 率 铅 酸蓄 电 池 。 2.8 寿 命

工 业 电 池 可 分 为 两 类 ： 一 类 为 深 循 环 使 用 的 电 池 ， 另 一 类 为 浮 充 使 用 的 “ 备 用 电 源 ” 电 池 。 循 环 使 用 的 电 池 以 深 循 环 次 数 来 表 示 其 使 用 寿 命 ， 以 0.8C10深 度 充 放 电 循 环 使 用 的 电池 ， 其 寿 命 达 到 1200次 以 上 ； 而 浮 充 使 用 的 电 池 ， 年 限 可 达 到 10～ 12年 ， 有 的 可 达 到 15～ 20年 。 蓄 电 池 只 有 80％ 容 量 时 认 为 寿 命 终 止 。 3 阀 控 式 铅 酸 蓄 电 池 的 应 用 3.1 UPS电 池 的 选 择

例 如 ： 某 UPS的 功 率 输 出 为 50kVA， 其 直 流 电 压 范 围 330～ 480 V； 放 电 时 间 30 min；

单 体 终 止 电 压 1.67 V ； UPS效 率 0.90； 功 率 因 数 0.95。 计 算 与 选 择

1） 将 UPS的 kVA数 转 换 为 kW 数 50/（ 0.9× 0.95） =58.48 kW 2） 决 定 所 需 电 池 个 数 n n=330V/1.67V=198

3） 确 定 电 池 电 压 不 超 过 直 流 电 压 范 围 198× 2.27=449.46 V< 480 V

4） 决 定 每 单 元 所 承 受 的 功 率 58 480 W/198=295.35 W

由 于 蓄 电 池 使 用 寿 命 终 止 的 条 件 为 电 池 放 电 容 量 的 80％ ， 因 此 应 使 用 此 时 的 容 量 作 为 初 次 选择 的 条 件 ， 则 295.35 W /0.8=369.19 W

5） 从 YUASA说 明 书 的 功 率 资 料 找 出 适 当 的 终 止 电 压 （ 1.67 V） 放 电 时 间 （ 30min） 。

从 表 1找 出 型 号 UXL220— 2可 承 受 387 W >369.19 W的 功 率 ， 设 计 寿 命 15年 。

3.2 电 力 系 统 蓄 电 池 的 选 择

例 如 ： 某 220 kV变 电 所 220 V直 流 负 荷 为 经 常 负 荷 16.0 A; 事 故 照 明 18.2 A; 通 信 电 源 9.1 A; 远 动 电 源 4.5 A; 电 流 统 计 47.8 A;

1小 时 容 量 统 计 47.8 Ah。

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计 算 与 选 择

1） 根 据 最 高 电 压 确 定 蓄 电 池 个 数 n n=1.05× 额 定 电 压 /浮 充 电 压 =1.05× 220/2.25 =102.67 取 n=102个

2） 蓄 电 池 放 电 终 止 电 压 UZ UZ≥ 0.85× 额 定 电 压 /n =0.85× 220/102 = 1.83 V

3） 蓄 电 池 容 量 选 择 CC CC=KK× CS/KCC

=可 靠 系 数 × 放 电 容 量 /容 量 系 数

=1.4× 47.8/0.656 =102Ah

（ 容 量 系 数 可 从 表 2查 出 ） 。

选 择 蓄 电 池 的 标 称 容 量 C10=200 Ah。

注 ： 可 靠 系 数 取 1.4, 其 中 已 考 虑 低 温 对 蓄 电 池 的 影 响 、 电 池 的参 数 不 一 致 的 影 响 及 当 电 池 容 量 低 80％ 时 为 寿 命 终 止 。 4 使 用 注 意 事 项

阀 控 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 也 有 人 称 之 为 “ 免 维 护 电 池 ” ， 由 于 使 用 方 便 ， 近 几 年 来 在 电 力 及 邮 电 通 信 部 门 得 到广 泛 的 应 用 ， 但 由 于 不 了 解 阀 控 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 的 特 性 ， 往 往 几 年 就 报 废 了 ， 给 企 业 造 成极 大 的 损 失 。

首 先 将 “ 免 维 护 电 池 ” 当 作 不 用 维 护 就 错 了 ， “ 免 维 护 电 池 ” 只 是 制 造 商 的 广 告 用 语 。 阀 控 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 在 使 用中 应 注 意 观 察 电 池 的 温 度 情 况 ， 随 时 注 意 观 察 浮 充 电 压 ， 若 充 电 设 备 没 有 补 偿 温 度 的 功 能 ，就 应 按 温 度 每 上 升 1 ℃ ， 每 单 体 电 池 浮 充 电 压 下降 3 mV进 行 修 正 。

由 于 观 察 不 到 阀 控 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 内 部 的 情 况 ， 因 此 在 使 用中 应 定 期 对 其 进 行 放 电 试 验 ， 以 检 测 蓄 电 池 容 量 ， 避 免 因 其 容 量 下 降 而 起 不 到 备 用 电 源 的 作用 。 需 要 注 意 的 是 蓄 电 池 在 放 电 时 不 要 过 放 电 ， 放 电 后 必 须 在 12 h内 补 充 电 ， 否 则 将 造 成 蓄电 池 的 永 久 损 坏 。 注 意 选 用 阀 控 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池 的 容 量 与 电 池 的 类 型 ， 同 样 两组 100 Ah 220 V日 本 汤 浅 电 池 ， 实 际 情 况 是 ： 一 组 100 Ah， 36节 电 池 ， 10小 时 率 100 Ah， 1小时 率 时 60 Ah ， 15年 寿 命 ； 另 一 组 100 Ah， 18节 电 池 ， 20小 时 率 100 Ah， 1小 时 率 时 56 Ah ， 3年 寿 命 。 可 见 在 容 量 上 有 差 别 ， 在 寿 命 上 亦 有 差 别 ， 在 价 格 上 的 差 别 竟 是 4～ 5倍 。

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