閥控式密封鉛酸蓄電池技術與維護

一、閥控式密封鉛酸蓄電池在通信電源系統中的作用

1、后備電源，包括直流供電系統和UpS系統

2、濾波

3、調節系統電壓

4、動力設備啟動電源

二、固定型鉛酸蓄電池的類型

防酸隔爆式電池（GF或GFD電池）

固定型鉛酸蓄電池

AGM—陰極吸收式（貧液式）

閥控式密封電池（VRLA電池）

GEL—膠體式

1．VRLA電池與GF電池相比較，VRLA電池具有以下特點：

（1）在使用過程中，不需要添加水、調整酸的比例。

（2）不漏液，無酸霧，無環境污染。

（3）自放電小。

（4）結構緊湊，密封良好，抗震，比能量高。

（5）不存在記憶效應。

（6）使用范圍廣。

2、陰極吸收式VRLA電池與膠體電池的比較：

（1）AGM電池使用初期無氣體逸出，GEL電池在使用初期需安裝排風裝置。

（2）AGM電池內阻小，大電流放電特性優于GEL電池。

（3）AGM電池的一致性和均一性較好，因電解液的擴散性和均勻性優于GEL電池。

（4）GEL電池，（特別是管狀電極）使用壽命較長，不易熱失控。

三、VRLA電池的工作原理

1．電池的充/放原理：

鉛酸蓄電池的基本電極反應是鉛（pb）和二價鉛（pb2+）及四價鉛（pb4+）之間的轉化。

放電過程：負極：pb→pb2+正極：pb4+→pb2+（

（+）pbO2+3H++HSO4－+2e放<═══>充pbSO4+2H2

電子得失為：負失正得即負氧化正還原

充電過程：負極：pb2+→pb正極：pb2+→pb4+

（－）pb+HSO4－放<═══>充pbSO4+H＋+2e

電子得失為：負得正失即負還原正氧化

電池的充放電反應

電池總反應：pb+2H++2HSO4—+pbO2放<═══>充pbSO4+2H2O+pbSO4

2．VRLA電池的密封原理：

（1）電池內部氣體產生的原因：

電池在過充電時電池分解水，正極產生O2，負極產生H2

正極板柵腐蝕的同時產生H2

電池自放電時正極產生O2，負極產生H2

（2）氧復合原理（氧循環原理）：

電池在充電過程中，正極除了有pbSO4轉變為pbO2以外，還有氧析出反應，特別是電池的充電后期，當電池容量達到80%時，氧的析出反應更為劇烈，兩極的氣體析出反應如下：

（+）2H2O→O2+4H++4e(--)2H++2e→H2

對于浮充使用的VRLA電池，即使是浮充電流很小，但在長期浮充狀態下，除浮充電流一部分用于電池自放電生成的pbSO4轉為正負極活性物資以外，不避免的，浮充電流另一部分則用于水的電解，使正極析出氧氣，負極析出氫氣。

氧和氫氣的產生使電池內部失水，電解液密度發生變化，也使電池難以密封。從鉛酸蓄電池誕生以來，人們都一直在尋求電池的密封，以此減少對電池的維護。VRLA電池的出現，實現了電池的密封，電池密封的關鍵技術是氧在電池內部的再復合實現氧的循環，以及采用AGM隔板吸收電解液，使電池內部沒有流動的電解液，氧的復合原理如圖3、4所示：

正極充電過程中因電解水析出的氧氣，通過AGM隔板的孔隙，迅速擴散到負極，與負極活性物質海綿狀鉛發生反應生成氧化鉛（pbO），負極表面的pbO遇到電解液H2SO4發生化學反應生成pbSO4和H2O，其中pbSO4再充電而轉變為海綿狀pb，生成的H2O又回到電解液，因氧氣的再復合，避免了水的損失，從而實現了電池的密封。

鉛酸蓄電池實現密封的措施：

1)選擇高孔隙率AGM隔板，孔隙率在93%以上，為氧的復合提供通道

2)采取定量灌酸，使玻璃棉隔板在吸收電解液以后，仍有5—10%的孔隙率未被電解液充滿，因此VRLA電池又稱為貧液式電池。

3)過量的負極活性物資，正、負極板的容量比一般為1：1.1~1：1.2，這樣在正極充足電以后，負極仍未充足電，以防止氫在負極析出，若氫氣大量析出是無法復合的。

4)電池集群的緊裝配，采取集群預壓縮技術，將裝配壓在40—60Kpa之間，以保證AGM隔板與正負極板表面能夠良好接觸，因為VRLA電池的電解液主要靠AGM隔板提供。

5)高純度pb—Ca—Sn—Al無銻板柵合金，因為pb—Ca合金比pb—Sb合金有更高的析氫過電位，從而能夠降低因板柵腐蝕而析出氫氣的可能性。

6)開閉閥壓力穩定可靠的安全閥，通信用VRLA電池的標準要求開閥壓10—35Kpa，閉閥壓3—15Kpa,開閉閥壓力較接近，可減少氣體排放和水的損失。

7)采用恒壓限流的充電方式，VRLA電池對過充電較為敏感，過充電會加速電流的損壞，恒壓限流充電可防止過充電和熱失控。

3．VRLA蓄電池的自放電原理：

電池自放電原因：

1）正極活性物質與電解液的反應；

2）正極活性物質與板柵合金之間的反應；

3）正極活性物質與負極析出氫氣的反應。

四．VRLA電池的兩大類技術

應用同樣的氧復合原理，但由于采用不同的固定電解液技術和不同的氧復合通道技術，因此可分為兩大類型的VRLA電池，即AGM技術和GEL技術（膠體），故又稱為AGM電池和膠體電池。這兩類電池各有優劣，目前在電信、電力等市場上應用的仍以AGM電池為主。

1、AGM技術

采用AGM技術的VRLA電池，AGM隔板采用U形包覆法（也可采用S形包覆法）。采用AGM技術的VRLA電池的特點：內阻小，以超細玻璃棉隔板吸取電解液，使電池內沒有電解液，AGM隔板具有93%以上的孔隙率，而其中10%左右的孔隙作為由正極析出的O2到負極再復合的通道，以實現氧的循環，達到電池密封的目的。

2、Gel技術（膠體技術）

以德國陽光公司采用Gel技術生產的OpZV膠體電池為典型代表。

膠體電池的特點：內阻較大，采用觸變性SiO2膠體吸收電解液，使電解液不流動。

以膠體的微裂紋O2的復合通道。膠體電池使用初期由于膠體未能形成大量微裂紋，氧的復合效率較低。

五、VRLA電池的失效模式

VRLA電池盡管有許多的優點，但它和所有電池一樣也存在可靠性和壽命問題。VRL電池文獻報道：其使用壽命為15年左右（25℃浮充使用）。但國內外的VRLA電池在實際使用過程中，均出現過提前失效的現象。目前造成VRLA電池的失效模式主要有板柵的腐蝕與增長、電解液干涸、負極硫酸鹽化、早期容量損失（pCL）、熱失控等。

六、VLRA電池的使用和維護

1、VLRA電池的選型

VLRA電池在使用前必須正確的選擇型號，以保證電池有足夠的放電容量，使通信設備能夠正常運行；另外選擇合理的容量能夠避免選擇容量過大而造成浪費。

選型方法有兩種：1)計算法２）、曲線查找法。

2、VLRA電池的安裝使用及注意事項

在安裝和使用電池之前，首先應仔細閱讀產品說明書，按要求進行安裝和使用。安裝時，應特別注意以下幾個方面：

１）、安裝方案應根據地點、條件制訂，如地面負荷、通風環境、陽光照射、腐蝕和有機溶劑、機房布局、維修是否方便等。

２）、安裝時新舊蓄電池一般不能混用，不同類型的電池或不同容量的電池決不可混合使用。

3）、電池均為100﹪荷電出廠，必須小心操作，忌短路，安裝時應采用絕緣工具，戴絕緣手套，防止電擊。

4）、電池在安裝使用前，在0～35℃的環境下存放，儲存期限為3個月，若超過3個月，就應按使用書給定標準對電池進行補充電。

5）、按規定的串并聯線路，連接列間、層間、面板端子的電池連接，在安裝末端連接件和整個電源系統導通前，應認真檢查正負極性及測量系統電壓。并注意：在符合設計截面積的前提下，引出線應盡可能短，以減少大電流放電時的壓降；兩組以上電池并聯時，每組電池至負載的電纜線最好等長，以利于電池充放電時各組電池電流均衡。

6）、電池連接時，螺絲必須緊固，但也要防止擰緊力過大而使極柱嵌銅間損壞。

7）、安裝結束后應再次檢查系統電壓和電池正負極方向，以確保電池安裝的正確。

8）、可用肥皂水浸濕軟布清潔電池殼、蓋、面板和連接線，不能用有機溶劑清洗，以免腐蝕電池蓋及其它部件。

3、VRLA電池的維護

1）、閥控式密封鉛酸蓄電池的安放

閥控式密封鉛酸蓄電池不必專設電池室，可與通信設備同裝一室。可疊放組合或安裝在機架上。

2）、經常檢查的項目

a、浮充電壓，環境溫度；

b、連接處有無松動、腐蝕現象；

c、電池殼體有無滲漏和變形；

d、極柱、安全閥周圍是否有酸霧溢出；

3）、補充電

a、電池系統安裝完畢，對電池組進行補充充電；

b、電池擱置停用時間超過三個月；

蓄電池的放電

a、每年應以實際負荷做一次核對性放電試驗，放出額定容量的30%-40%；

b、每三年做一次容量試驗，到使用六年后應每年做一次；

4）、蓄電池容量的測量

方法1：離線式測量法

a、將脫離供電系統的蓄電池組充滿電后靜置1—24h，在環境溫度為25℃±5℃的條件下開始放電；

b、放電開始前應測蓄電池的端電壓，放電期間應測記蓄電池的放電電流，時間及環境溫度，放電電流波動不得超過規定值的1%；

c、放電期間應測蓄電池端電壓及室溫，測量時間間隔為：10h率放電1h，3h率放電0.5h，1h率放電10min，在放電末期要隨時測量，以便準確地確定達到放電終止電壓的時間；

d、放電電流乘以放電時間即為蓄電池組的容量，蓄電池不按10小時率放電時或環境

溫度不是25℃時，則應將實際測量的容量換算成25℃時的容量；

e、放電結束后，要對蓄電池組充電，充入電量應是放電電量的1.2倍。

方法2：在線式測量法

a、在供電系統中，關掉整流器由蓄電池組放電供給通信設備，在蓄電池組放電時找出蓄電池組中電壓最低，容量最差的一只電池來作為容量試驗的對象；

b、打開整流器對蓄電池組進行充電，等蓄電池組充滿后穩定1小時以上；

c、對a中放電時找出的最差的那只電池進行10小時率放電試驗，放電前后要測量該只電池的端電壓、溫度、放電時間和室溫。以后每隔1h測試一次，放電快到終止電壓時，應隨時測試，以便準確記錄放電時間：

d、放電時間乘以放電電流即為該電池的容量，當室溫不是25℃時，應按式（1）換算成25℃時的容量；

e、放電試驗結束后用充電機對該只電池進行充電，恢復其容量；

f、根據測量的數據繪制放電曲線；

方法3：核對性容量試驗法

為了能隨時掌握蓄電池組的大致容量，進行核對性放電試驗是必要的，其方法是：

a、在直流供電系統中，關閉開關電源，讓蓄電池對通信設備供電，蓄電池組放電前后要測試每只電池的端壓、溫度、比重、室溫和放電時間、放出額定容量的30%—40%為止；

b、放電結束后，要對蓄電池充電；

c、根據測試的數據作出放電曲線，留作以再次測試時做比較；

注意事項：

上述3種蓄電池的容量試驗方法，是日常維護中常用的方法，但無論哪種方法，在容量測試期間通信安全都會受到一定的威脅。因此在做容量試驗時要防止市電中斷，備用發電組應處于良好狀態

5）、周期維護項目

月度保養

每月完成下列檢查：

1、保持電池房清潔衛生；

2、測量和記錄電池房內環境溫度；

3、逐個檢查電池的清潔度、端子的損傷及發熱痕跡、外殼及蓋的損壞或過熱痕跡：

4、測量和記錄電池系統的總電壓、浮充電流；

季度保養

1、重復各項月度檢查；

2、測量和記錄各在線電池的浮充電壓，若經過溫度校正有兩只以上電池電壓低于2.18V，請與廠家聯系。

年度保養

1、重復季度所有保養、檢查；

2、每年檢查連接部分是否有松動；

3、每年電池組以實際負荷進行一次核對性放電試驗，放出額定容量的30%—40%；

三年保養

每三年進行一次容量試驗，到使用六年后每年做一次，若該組電池實放容量低于額定容量的80%，則認為該電池組壽命終止。