閥控式鉛酸蓄電池的特性、應用及維護

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1、閥控式鉛酸蓄電池的特性、應用及維護 摘 要 ： 介 紹 了 閥控 式 鉛 酸 蓄 電 池 的 工 作 原 理 、 特 性 、 應 用 及 維 護 時應注意的問題，并結合例子說明如何選擇蓄電池為UPS及電力系統(tǒng) 配套。 關鍵詞：蓄電池；浮充；電池容量 蓄電池 自 1859年由 法國 人 發(fā)明使用 至 今已有 143年 歷史 。 1957年 英 國 首 先發(fā)明了 再化合 免 維護汽車 蓄 電池 ，德 國陽 光公 司發(fā) 明 了觸 變性 凝膠工業(yè)用鉛電池，1983年美國GNB公司發(fā)明并生產了 I型陰極吸收式 密封鉛酸蓄電池，1985年日本YUASA公司開始生產MSE系列大型陰極吸 收式密封鉛酸蓄

2、電池。 隨之英國制訂出標準BS6290第四部分（1987）鉛酸固定型單體蓄電 池和蓄電池組（閥控密封規(guī)范）；IEC制訂出IEC896— 2（ 1991）固定型 鉛 蓄電池 一 般要求 和 試驗方式 ， 第二 部分： 閥控式 ；日 本制訂 出了 JISC8707— 1992 密封式 固 定型 陰極吸 收式 鉛蓄電 池 ；中國郵 電 部制訂出 YD/T799— 1996通 信用閥 控式 密封 鉛酸蓄 電 池技 術要 求和檢 驗方 法 ；中 國 電力部 制 訂出 DL/T637— 1997閥 控式密 封 鉛酸蓄 電 池訂貨 技術 條 件。 以 上標準 成 為產品 質 量考核的 技 術標 準。 上

3、世紀 80年 代起 ，國外 生 產類似產 品 的企業(yè) 大 量發(fā) 展， 1988年深 圳華達電源系統(tǒng)有限公司引進了美國GNB公司的技術，在消化吸收后 開 始生產 閥 控式鉛 酸 蓄電池， 通 過并 聯(lián)組合 最大容量可 達 12 960 Ah。 20世 紀 90年 代我 國生 產類似 產品 的廠家 遍及 全國 。 1閥控式鉛酸電池的工作原理 閥控式 鉛 酸蓄電 池 的設 計原理 是把 所需份 量 的電解 液 注入 極板 和 隔板中 ， 沒有游 離 的電解液， 通過負 極板 潮濕 來提 高 吸收氧 的能 力 ，為防 止 電解液 減 少把蓄電 池 密封 ，故閥 控式鉛酸 蓄電池又 稱“ 貧 液電池

4、 ” 。 閥控式 鉛 酸蓄電 池 的極 柵主要 采用 鉛鈣合 金 ，以提 高 其正 負極 析氣（H2和02）過電位，達到減少其充電過程中析氣量的目的。正極 板 在充電 達 到 70％ 時 ，氧氣就 開 始發(fā) 生，而 負極板達到 90％ 時才開 始 發(fā)生氧 氣 。在生 產 工藝上， 一 般情 況下正 負極板的 厚 度之比 =6： 4，根據這一正、負極活性物質量比的變化，當負極上絨狀Pb達到90% 時，正極上的PbO2接近90 %，再經少許的充電，正、負極上的活性 物 質分別 氧 化還原 達 95% ，接近完 全充 電 ，這 樣可使 H2、 02氣 體析出 減 少。采 用 超細玻 璃 纖維 （

5、或硅 膠） 來吸儲 電 解液， 并 同時 為正 極 上析出 的 氧氣向負 極擴散 提供 通道。這樣，氧一旦擴 散 到負極 上， 立 即為負 極 吸收，從 而抑制 了 負極上 氧氣的 產生，導致 浮充 電過 程 中 產生的 氣 體 90% 以 上被消除 （ 少量 氣體通 過安全閥 排 放出去 ）。 2閥控式鉛酸蓄電池的特性 2.1浮充電壓 浮充電 壓 =開 路電 壓＋極 化電 壓 =（電解液比重 + 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，美國圣帝公司的電池電

6、解液比重為1.240 g/cm3,所以它的浮 充電壓為2.19 V。日本YUASA公司的浮充電壓為2.23 V。 2.2浮充電流 固定型 防 酸隔爆 蓄 電池 的浮充 電流 有兩個 作 用： 1） 補充 蓄電 池自 放電的 損失 ； 2) 向日常性負載提供電流。 閥控式鉛酸蓄電池的浮充電流有三個作用： 1) 補充 蓄電 池自 放電的 損失 ； 2) 向日 常性 負載 提供電 流； 3) 浮充 電流 足以 維持電 池內 氧循環(huán) 。 2.3端電壓的偏差(靜態(tài)偏差與動態(tài)偏差) 動態(tài)偏 差 在浮充 運 行初 期較大 。實 際上， 剛 出廠的 蓄 電池 可能 是 因為部 分 電池中 處

7、 于電解液飽 和狀態(tài) 而影 響了 氧復 合 反應的 進行 ，從 而 使浮充 電壓 過高，電解 液飽 和 的電池 會 因不斷 的充電 使水分 解 而“ 自動 調整” 至 非飽和狀 態(tài) ， 6個 月 后端電 壓 偏差 逐漸 減 小。 但 偏差較 大 也不排 除 與有的制 造 商制 造質量 有關。 我國GB13337.1— Q1及德國DJN43539— 84規(guī)定固定型電池靜態(tài)偏差范圍 為電壓平均值的+ 0.1?0.05 V。 郵電部 YD/T799— 1996規(guī) 定 ，靜 態(tài)時，最 高電 壓與 最低電 壓 值偏差 為 20 mV ,動態(tài)時，最高電壓值與最低電壓值偏差不超過50 mV。 電力部

8、DL/T637— 1997規(guī)定 ，靜 態(tài) 時，最 高電 壓與 最低電 壓 值偏 差為 30 mV ,動態(tài)時，最高電壓值與最低電壓值偏差不超過50 mV。 2.4氣體的復合 在正常浮充電電壓下，電流在0.02C以下時，氣體100%復合，正極 析 出的氧 擴 散到負 極 表面。 100％在負 極還 原，負 極周圍 無盈 余的 氧 氣 ，負 極 析出的 氫氣 是微量 的 。若提 升 浮充 電壓 ，或環(huán) 境 溫度 升高， 使 充入電 流 徒升， 氣 體再 化合效 率隨 充電電 流 增大而 變 小， 在 0.05 C時復合率為90%，當電流在0.1C時，氣體再化合效率近似為零。如 圖 1所 示，這時

9、聚 集 在負極 的氧 氣和負 極表 面 析出的 氫氣 很多，電 池 內 壓徒升 ， 排氣閥 開 啟， 造成蓄 電池 嚴重缺 水 。 2.5溫度的影響 電池充 電 時其內 部 氣體 復合本 身就 是放熱 反 應 ,使電 池溫度 升高 ，浮充電 流 增大，析氣 量增 大，促使 電池溫 度升得更 高 ，電池 本身 是“ 貧液 ” ，裝 配緊 密，內 部散熱困 難 ，如不 及 時將熱 量排 除，將 造成熱 失控 。浮 充末 期電壓 太高 ，電池 周圍 環(huán)境 溫度 升 高，都 會使 電 池熱失 控 加劇。 溫度每升高1 ￡，電池電壓下降約3 mV/單電池，致使浮充電流升高 ，使溫度進一步升高。溫度

10、高于50 °C會使電池槽變形。 溫度低 于 —40 ￡ 時，閥 控式鉛 酸蓄 電池還 能 正常工 作 ，但 蓄電 池容量會減小。 閥控式 鉛 酸蓄電 池 由于 結構問 題對 溫度要 求 很高， 這 一點 大家 都 注意到 了 ，為此 ， 在設計充電 設備時 都考 慮了 溫度 補 償措施 ，但 溫 度采樣 點 的選取 至 關重要， 它 直接 關系著 補償的效 果。溫度 采樣 點 有三處 ，即 蓄 電池 附近的 空 氣溫度、蓄電池 外 殼的表 面溫 度及 蓄 電 池內部 電 解液溫度 。第一 處最 容易， 目前 基本 都采 用 此法， 但這 種 方法很 不 準確， 因 為由于某 種 原因 使

11、蓄電 池溫度 升高 ，但蓄 電池 溫 度的升 高 很難引 起 蓄電池附 近 的空 氣溫度 的升高， 因 此這種 補償 措 施基本 無 用；第三 處最能 反 應蓄電 池的 實 際情況 ，但 較難 實現 ； 第 二處最 實 際，也 較 容易實 現， 目前已 有企 業(yè)根 據第 二 處的采 樣設 計溫度補償單元。 2.6種類 閥控式 鉛 酸蓄電 池 分為 三類， 即大 型、中 性 、小型 。 單體 在 200 Ah及以上為大型，20?200 Ah為中型，20 Ah以下為小型。 電力系統(tǒng)在設計上一般均選用大型鉛酸蓄電池，而UPS電源在設計 上 則選用 中 型鉛酸 蓄 電池 。 2.7電池容

12、量 鉛酸蓄 電 池的極 板 在制 造過程 中， 對生極 板 進行充 電 化成 ，使 閥控式鉛酸蓄電池的特性、應用及維護 正極板上的鉛變成二氧化鉛，負極板上 的鉛變成海綿狀鉛。但由于 在制造廠對極板進行化成的時間有限， 不可能將所有的物質均轉化 成 活性物 質 ，為 此，國家 標準 規(guī)定新 電 池達 到 90 ％容量 為合 格，只 有在今后的日常使用中，容量逐漸達到正常值，安裝 2年后要求達到 100％。 我國、日本、德國工業(yè)用電池采用 10小時率，美國的工業(yè)用電池 標 準為 8小時 率。 我國電 力 、郵電 標 準規(guī) 定， 10小時 率 電池， 1小時 率 時容量 為 0.5 5C10

13、。 日本工 業(yè) 標準規(guī) 定 2 V， 10小時 率電 池， 1小時 率 時容 量為 0.65C10； 6V、 12V， 10小時率 電 池， 1小時率 時 容量 為 0.6C10。 20小時率 電 池， 10小 時 率時容 量 為 0.93C20， 1小 時率時 容量 為 0.56C20。 電力系統(tǒng)一般在設計上均選用10小時率鉛酸蓄電池，而UPS電源在 設 計上則 選 用 20小 時率鉛 酸蓄電 池。 2.8壽命 工業(yè)電池可分為兩類：一類為深循環(huán)使用的電池， 另一類為浮 充使用的“ 備用電源” 電池。循環(huán)使用的電池以深循環(huán)次數來表示 其使用壽命，以0.8C10深度充放電循環(huán)使用的電池，

14、其壽命達到1200次 以上；而浮充使用的電池，年限可達到10?12年，有的可達到15?2 0年。 蓄電池只有 80％容量時認為壽命終止。 3閥控式鉛酸蓄電池的應用 3.1 UPS電池的選擇 例如：某UPS的功率輸出為50kVA,其 直流電壓范圍 330? 480 V； 放電時間 30 min； 單體終止電壓 1.67 V； UPS 效率 0.90； 功率因 數 0.95。 計算與選擇 1) 將UPS的kVA數轉換為kW數 50/ ( 0.9X 0.95) =58.48 kW 2) 決定 所需 電池 個數 n n=330V/1.67V=198 3) 確定 電池 電壓 不

15、超過 直流 電壓范 圍 198X 2.27=449.46 V< 480 V 4) 決定 每單 元所 承受的 功率 58 480 W/198=295.35 W 由于蓄電池使用壽命終止的條件為電池放電容量的 80％，因此應 使用此時的容量作為初次選擇的條件， 則 295.35 W /0.8=369.19 W 5) 從YUASA說明書的功率資料找出適當的終止電壓(1.67 V)放電 時 間( 30min)。 從表1找出型號UXL220— 2可承受387 W >369.19 W的功率，設計壽命15年 。 3.2電力系統(tǒng)蓄電池的選擇 例 如 ： 某 220 kV變電所220 V

16、直流負荷為 經 常 負 荷 16.0 A; 事 故 照 八、、 明 18.2 A; 通 信 電 源 9.1 A; 遠 動 電 源 4.5 A; 電 流 統(tǒng) 計 47.8 A; 1小時容量統(tǒng)計 47.8 Ah。 計算與選擇 1) 根據最 高 電壓確 定 蓄電 池個數 n n=1.05X額定電壓/浮充電壓 =1.05X 220/2.25 =102.67 取 n=102 個 2) 蓄電 池放 電終 止電壓 UZ UZ三0.85X額定電壓/n =0.85X 220/102 = 1.83 V 3) 蓄電 池容 量選 擇 CC CC

17、=KKX CS/KCC =可靠系數X放電容量/容量系數 =1.4X 47.8/0.656 =102Ah (容量 系 數可從 表 2查 出 )。 選擇蓄 電 池的標 稱 容量 C10=200 Ah。 注：可 靠 系數取 1.4, 其中已考 慮低 溫對蓄 電池的影 響 、電池 的參 數 不一致 的 影響及 當 電池容量 低 80％時 為壽 命終 止。 4使用注意事項 閥控式密封鉛酸蓄電池也有人稱之為“ 免維護電池” ，由于使 用 方便， 近 幾年來 在 電力及郵 電 通信 部門得 到廣泛 的應 用，但 由于 不 了解閥 控 式密封 鉛 酸蓄電池 的 特性，往 往幾年 就 報廢 了，給企

18、業(yè) 造 成極大的 損失 。 首先將 “ 免維護 電 池” 當作不 用維 護就錯 了 ，“ 免維 護電 池” 只 是制造 商 的廣告 用 語。閥控 式 密封 鉛酸蓄 電池在使 用中應注 意觀 察 電池的 溫 度情況 ，隨時 注 意觀察浮 充 電壓，若 充電設 備 沒有補 償 溫度的功能，就應按溫度每上升1 °C ,每單體電池浮充電壓下降3 mV 進行修正。 由 于觀察 不 到閥控 式 密封鉛酸 蓄 電池 內部的 情況，因 此 在使用中應 定 期對其 進 行放電 試 驗，以 檢測蓄電 池 容量，避 免因其 容 量下降 而 起 不到備 用 電源的 作用。需要注意 的是 蓄電 池 在放電時 不 要過放 電 放電后必須在12 h內補充電，否則將造成蓄電池的永久損壞。 注意選 用 閥控式 密 封鉛 酸蓄電 池的 容量與 電 池的類 型 ，同 樣兩組 100 Ah 220 V日本湯淺電池，實際情況是：一組100 Ah, 36節(jié)電池，10小 時 率 100 Ah， 1小時率 時 60 Ah， 15年 壽命 ；另一 組 100 Ah， 18節(jié)電 池 ， 20 小 時率 100 Ah， 1小 時 率時 56 Ah， 3年壽 命?？?見在容 量上 有 差別 ，在 壽命上亦有差別，在價格上的差別竟是4?5倍。