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1阀控式密封铅酸蓄电池技术与维护胡信国哈尔滨工业大学教授博士生导师隆源双登集团总工程师一、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．动力设备的启动电源二、通信电源系统中所用铅酸蓄电池的类型1．固定型防酸隔爆式铅酸蓄电池（GF电池）。2．固定型阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA电池）。AGM——阴极吸收式（贫液式）GEL——胶体式3．阴极吸收式VRLA电池与胶体电池的比较：2（1）使用初期无气体逸出，胶体电池在使用初期需排风装置。（2）电池内阻小，大电流放电特性优于胶体电池。（3）电池的一致性和均一性好，因电解液的扩散性和均匀性优于胶体电池。（4）制造技术要求高，如极板的均一性，灌酸精度，散热通风装置的合理性等。（5）胶体电池，（特别是管状电极）使用寿命较长，不易热失控。胶体电池：德国阳光公司的DryfitA系列意大利非凡（FLAMN）SMG系列Hawker公司的OPZV系列隆源双登集团富思特公司的GFMJ系列三、VRLA电池的工作原理1．电池的充放电反应（+）PbO2+3H++HSO4－+2e放═══充PbSO4+2H2（－）Pb+HSO4－放═══充PbSO4+H＋+2e电池总反应：Pb+2H++2HSO4—+PbO2放═══充PbSO4+2H2O+PbSO42．电池内部气体产生的原因（1）过充电（+）H2O→1/2O2↑+2H++2e(-)2H++2e→H2↑H2O=H2↑+1/2O2(2)正极板栅腐蚀：Pb+2H2O→Pb(OH)2+2H++2e2H++2e→H2↑(3)自放电：负极自放电Pb+HSO4－→PbSO4+H++2e2H++2e→H2↑正极自放电3PbO2+2H++H2SO4+2e→PbSO4+2H2OH2O→1/2O2↑+2H++2e四、VRLA电池的关键技术1．氧复合原理（氧循环原理）：电池在充电过程中，正极除了有反应（1）PbSO4转变为PbO2以外，还有氧析出反应，特别是电池的充电后期，当电池容量充电到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，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，浮充电流一部分用于水的电解，而使正极析出氧气，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2、3所示：图2：密封原理示意图4图3：氧循环原理图从图2、3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，与负极活性物质海棉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再充电而转变为海面状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。其氧的再复合过程的反应式如下：2H2O→O2↑+4H++4e(7)2Pb+O2→2PbO(8)2PbO+2H2SO4→2PbSO4+2H2O(9)2PbSO4+4e+4H+→2Pb+2H2SO4(10)总反应为：2H2O→O2→2H2O2．VRLA电池的关键技术：为了实现氧的复合（循环），电池在设计制造中，应掌握如下关键技术：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外，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，防止氢在负极析出，氢气大量析出使无法复合的。54)电池集群的紧装配，采取集群预压缩技术，装配压在40—60Kpa之间，以保证AGM隔板与正负极板表面的良好接触，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合金有较高的析氢过电位，降低了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。VRLA电池具有以下主要优点：★在电池整个使用寿命期间，无需补酸加水，调整酸比重等，具有“免维护”的功能；★不漏液、无酸雾、不腐蚀设备；★自放电小，25℃下自放电率小于3%（每月）；★电池寿命长，25℃下浮充状态使用可达10—15年；★结构紧凑，放置方便（竖放、卧放），占地面积小；★电池的高低温性能较好，可在40℃—150℃范围使用；★没有“记忆效应”（指浅循环工作时容量损失）；★比能量较高，大电流放电性能好。图4：VRLA电池与GF电池（左）的比较五、RLA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氧复合通道技术，因此分为两大类型的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。这两类电池各有优缺点，在电信、电力等市场上应用的以AGM的电池为主。61．AGM技术图5：AGM式VRLA电池图5为采用AGM技术的VRLA电池结构示意图，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，达到电池可以密封的目的。采用AGM技术，实现氧复合的原理如图6所示：2．Gel技术（胶体技术）以德国阳光公司采用Gel技术的OPZV胶体电池是典型代表。7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。图7Gel技术的氧复合示意图六、VRLA电池的电特性1．开路电压：电池在开路状态下的端电压称为开路电压。2．工作电压：指电池接通负荷后，在放电过程中显示的电压，又称负荷（载）电压或放电电压，在电池放电初始的工作电压称为工作电压。3．终止电压：指电池放电时电压下降到某个值而停止或下降到不宜再继续放电的最低工作电压，称终止电压。4．容量：电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C为计。单位安培小时，简称安时（Ah）。电池容量分理论容量、额定容量、实际容量和标称容量。理论容量：理论容量是活性物质的容量按法拉第定律计算而得的最高理论值。实际容量：是指电池的在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。额定容量：也称保证容量，是指国家或有关部门的颁布的标准，保证电池在一定的放电条件应该放出的最低限度容量。5．放电制度：是指放电时电池的放电速率，放电形成式，终止电压和环境温度等。6．倍率：是指电池放电时的电流的数值为额定容量数值的倍数。87．电池使用寿命：电池使用寿命与使用条件有关，按使用条件不同，可分为浮充使用寿命和循环使用寿命，当电池放电容量低于额定容量的80%时，视为电池寿命终止。浮充使用寿命：电信、电力等部门，将电池作为后备电源，在通信等设备正常运行情况下，电池处于浮充状态。当交流电供电中断以后，电池才放电工作，放电时间一般较长。浮充使用寿命一般以年为单位。为了检测电池的浮充寿命，通信行业标准中作出了高温加速浮充寿命的新规定。完全充电的蓄电池放在温度为55±2℃的环境中，以2.25V/单体浮充电压充电30天，然后取出蓄电池，在常温下1小时放电，为一个实验循环，一个循环折合寿命为1年。循环使用寿命：指电池使用期间，电池以放电及充电循环进行，电池放电一定深度后，再进行充电，充足电以后再放电工作。电池的循环寿命与放电深度（DOD）有关，一般可分为80%DOD与100%DOD。循环寿命以循环次数表示，电动汽车、电动自行车电池寿命以循环次数表示。目前国内动力电池的循环使用寿命一般为350次（80%DOD）。国际先进铅酸电池联合会（ALABC）的2005年研究目标为VRLA电池的比能量达到48wh/kg，循环寿命达1000次（100%DOD）。8．充电特性：VRLA电池在放电后应及时充电。充电时必须认真选择以下三个参数：恒压充电电压、初始电流、充电时间。不同蓄电池的充电电压值由制造厂家规定，充电电压和充电方法随电池用途不同可以不同。电池放电后的充电推荐恒压限流方法，即充电电压取U（厂家定），限流值取0.1C10A，充入电量为上次放电电量的1.1—1.2倍即可。充电方法有以下三种：1）浮充充电以0.1C10A的恒压限流对电池组充电，到电池单体平均电压上升到2.25V后，进入浮充状态。2）快速充电在某种情况下，要求电池尽快充足电，可采用快速充电，最大充电电流≤0.2C10A，充电电流过大会使电池鼓涨，并影响电池使用寿命。在恒电压充电情况下，充电后期的充电电流连续3小时不变，即可视为电池已充足电。图10表示采用恒压限流充电方法，限压在2.25V（25℃）进行充电的特性曲线。9图8：电池在100％放电后用0.1C10A的电流，限压2.25V（25℃）的充电特性曲线3)均衡充电电池在使用过程中，当单体电池浮充电压低于2.18V时，应进行均衡充电。均充电压设定为2.35V/单体(25℃)。充电最大电流为0.25C10A，均充时间不少于10h,如机站供电状况恶劣，停电频率高，应根据情况定期均充。9、放电特性：电池投入运行，是对实际负荷的放电，其放电速率随负荷的需要而定。为了分析长期使用后电池的损坏程度或为了估算市电停电期间电池的持续时间，需测试其容量。推断电池容量的放电的方法，应从如下几个方面考虑：1是放电量，即全部放电还是部分放电；2是放电速率，即以10小时率还是以高放电率或是低放电率放电。各种放电小时率下的放电放法如下。9.1标称小时率下的放电按我国通信用VRLA电池标准规定，将完全充电后的电池，静置1-24h使电池表面温度为25±5℃，固定型电池以0.1C10A电流放电压到1.8V/只，称为标准小时率下的放电。GFM系列的VRLA电池不同倍率放电曲线如图9所示：10图9：GFM型VRLA电池不同倍率放电特性曲线从图9可以看出，电池10小时率放电初期，电池的端电压变化很小，放电2小时以后，端电压开始明显下降。至端电压1.8V/单体放电终止，此时如果放电时间达到10小时以上说明，电池容量达到或超过厂家的标准容量。反之，说明电池容量不足。9.2高放率下的放电特性图9中同时给出了GFM系列电池5小时率（0.2C10A）2小时率（0.5C10A）和1小时（1.0C10A）的高倍率放电曲线，高倍率放电时，端电压的变化速率比10小时率放电时端电压变化大得多。因为在大电流放电时，正极和负极的浓度极化增大，放电电流越大，浓度极化越大，端电压下降越快。浓度极化是由于隔板中的电解液来不及向正负极表面，特别是正极表面扩散造成的。双登电池有较好的高倍率放电性能，不同倍率的容量如下：表１不同倍率放电容量放电率给出的容量（25℃）10小时率放电100%C10１小时率放电55%C10119.3冲击放电冲击放电是为了检测电池在某一放电终止电压下，放电初期或后期，允许有多大的放电电流，或1小时率允许的放电电量。9.4温度对容量的影响温度影响电池的容量。一般情况下，温度越高，放电容量越大。电池放电时，如果温度不是25℃，则需将实测容量按以下公式换算成25℃基准温度