这篇文章写的很好,对于制造厂家及用户单位都值得一读,尤其是正确使用及合理维护阀控式密封铅酸蓄电池的方法更为重要。
阀控式密封铅酸蓄电池的应用与维护
摘要:阐述了阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理、应用领域及市场前景。并根据生产和应用实践,介绍阀控式密封铅酸蓄电池的维护方法。
关键词:阀控式密封铅酸蓄电池应用维护
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
自法国普兰特1859年发明铅酸蓄电池以来,至今已有一百多年的历史。它与其它所有化学电源一样,是一个电能与化学能互相转换的装置。由于它具有电动势高、充放电可逆性好、使用温度范围广、电化学原理清楚、生产工艺易于掌握和原材料丰富而且价格低廉等优点,获得了广泛的应用。随着科学技术的发展,自50年代起,不断对传统的铅酸蓄电池进行技术改造。特别是阀控式密封铅酸蓄电池(VRLAB)的问世,由于它克服了酸液易于外溢令人头痛的弊病,能与电子设备放在一起,符合用户使用方便的要求,从而使它的应用领域更加广阔。诚然,作为一种新技术、新产品推向市场,需要有一个不断完善的过程,除了制造商对产品技术和质量不断提高外,还需要用户对新产品的使用和维护有所了解,使之用得更合理、更长久。
1工作原理与优良特性
VRLAB的工作原理,基本上仍沿袭传统的铅酸蓄电池,它的正极活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质是海绵状金属铅(Pb),电解液是稀硫酸(H2SO4),其电极反应方程式如下:
正极:
PbO2+HSO-4+3H++2e?PbSO4+2H2O
负极:
Pb+HSO-4?2PbSO4+2H2O 整个电池反应方程式:
Pb+PbO2+2H++2HSO-4?2PbSO4+2H2O VRLAB在结构、材料上作了重要的改进,如图1所示,正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金,负极板采用铅钙合金,隔板采用超细玻纤隔板,并使用紧装配和贫液设计工艺技术,整个电池反应密封在塑料电池壳内,出气孔上加上单向的安全阀。这种电池结构,在规定充电电压下进行充电时,正极析出的氧(O2),可通过隔板通道传送到负极板表面,还原为水(H2O),其反应式如下:
正极上:2H2O?O2+4H++4e
负极上:O2+2Pb?2PbO
2PbO+2H2SO4?2PbSO4+2H2O
这是VRLAB特有的内部氧循环反应机理,这种充电过程,电解液中的水几乎不损失,使电池在使用过程中达到不需要加水的目的。
图1VRLAB工作原理示意图
由于作了上述重要改进,VRLAB具有体积小、重量轻、自放电小、少维护、寿命长、使用方便、对环境无腐蚀、无污染等优良特性,与传统的铅酸蓄电池相比,在使用、维护和管理上有着明显的优点。
(1)使用方便
VRLAB只需严格控制整流器的充电电压,根据浮充使用和循环使用的不同要求,采用规定的电压进行恒压充电,无需值班人员过多操心电池的充电过程,不必添加蒸馏水,也不必经常检测电池端电压、电解液比重及温度,只需定期检测电池端电压和放电容量即可。
(2)安装简便
VRLAB已进行过化成充放电处理,荷电出厂,所以用户在安装使用时,无需再进行繁琐的初充电过程,如果放置时间超过六个月,可按生产厂的规定进行补充电,在充足电之后,进行一次容量试验性放电检查,以判断电池容量是否符合标准要求,质量是否稳定可靠。
(3)安全可靠
VRLAB采用密封结构,可竖放或卧放使用,无酸雾、无毒、无有害气体溢出,由于电池采用恒压充电制,电池内部实现氧循环过程,水损失很少,即使偶尔过充,有少量的气体可通过安全阀向外排出,电池壳不致因压力过大而鼓胀甚至爆裂。
(4)节省投资
VRLAB不污染设备和环境,可与电子设备放在一起使用,无须专门用于电池放置和维护的房间,维护工作量大大减少。而且电池安装可采用叠放式电池架,占地面积小,节约电源系统的投资费用。
总之,VRLAB的优良特性,无疑对通信、电力、信息、金融等行业的科学管理创造了极为有利的条件,容易实现微机控制,可实现无人值守和微机集中监控的现代化管理方式。
2应用领域与发展前景
众所周知,从平常的玩具、手电筒到重要的通信机站、电站等领域都有电池的用武之地,作为后备电源或动力电源,在许多重要系统装置、设施的安全运行中总少不了它,随着计算机、信息、运输、电力等事业的发展,电池的需求量仍不断增长,据统计,当今世界对电池的需求量年增长率接近8%,估计到2002年,全球电池销售总额将达到550亿美元[1]。
其中,铅酸电池销售量占世界电池总销量的一半以上。本文引用世界最有权威的美国国际电池协会(BCI)提供的调查资料[2]说明铅酸电池的应用领域和发展前景。
美国电池工业,主要是指铅酸电池,它的应用领域可分为两部分:
(1)机动用电源(Motivepower)
主要用于卡车、铲车、小汽车及铁路机车等车辆用电池,1977年统计资料,这方面销售额占40%。
(2)固定用电源(Stationarypower)
主要用于电话通信、不间断电源(UPS)、安全报警、开关控制、应急灯、电子设备及医疗设备等,这方面销售额占60%。
该协会调查组收集了美国16家知名铅酸电池制造厂商的销售资料,总结和预测了各个应用领域的销售情况(见表1)
表1美国工业电池市场销售情况及预测(单位:百万美元)
类别 | 应用领域 | 1997年 | 2002年 |
---|---|---|---|
固定用电池 | 通信 | 235 | 464 |
UPS | 180 | 336 | |
其它使用* | 78 | 130 | |
控制开头 | 27 | 38 | |
应急灯 | 21 | 31 | |
安全报警 | 17 | 25 | |
电子仪器 | 11 | 19 | |
医疗仪器 | 8 | 12 | |
机动用电池 | 工业车辆** | 373 | 467 |
铁路机车 | 11 | 13 | |
小型车辆 | 9 | 9 | |
总计 | 969 | 1500 |
*指草地、花园、玩具和一些特殊的使用场合
**指铲车、卡车、自动导向车辆及机场地勤车辆
从表1可以看出,美国铅酸电池的销售前景是很好的。特别是通信、UPS方面,其销售占固定用电源总额70%。而且,这些领域中,新的设备使用电池和旧设备更换电池大都采用VRLA电池。
我国从80年代中期开始研制VRLAB,但都是小型电池,上海复华实业股份有限公司从1986年开始研制小型VRLAB,装入自行设计的UPS设备中进行试用定型,于1991年通过上海市新产品鉴定,并开始制造POWERSON牌容量从1.2~100Ah的MF全系列VRLA电池,将其推向市场,取得了较好的经济效益和社会效益,荣获1993年度上海市科技进步二等奖。90年代初,为了适应我国电信事业的发展,复华公司引进美国、德国先进的电池设备和技术,在上海嘉定复华高新技术园区内建立了现代化的电池厂,研制出POWERSON固定型GMF系列VRLAB,容量从200~3000Ah,广泛应用于通信、电力和UPS系统。POWERSON牌VRLAB已通过信息产业部、电力部、总参、国家产品质量监督机构及美国UL的检测认可,制造厂也通过了ISO-9001质量体系认证。如今,VRLAB在我国已遍地开花,市场竞争更加激烈。然而,只有制造设备,生产工艺及管理水平上档次的制造商,才能赢得用户的信赖。3使用要求与维护方法
VRLAB在我国推广应用已有十多年了,由于其不溢酸雾、少维护的特性,受到愈来愈多用户的青睐。但从用户使用情况来看,还有不少用户不甚了解VRLAB使用要求,认为是不要维护的,在更换传统铅酸电池时,也未调整充电电压,甚至仍用恒流充电制,由于电池过充过放,热失控等情况,致使电池早期失效。因此,加强对VRLAB使用要求和维护方法的宣传,正确理解“免维护”的含义,对进一步推广VRLAB应用是非常必要的。
影响VRLAB使用寿命的主要因素是热失控和失水,下面分别讨论它们的起因和预防措施[3]:
(1)热失控的产生与预防
由于充电电压和电流控制不当,在充电后期,会出现一种临界状态,即热失控。此时,蓄电池的电流及温度发生积累性的相互增强作用,使电池槽壳变形(“鼓肚子”),如有一用户,在安装2000Ah电池组时,线路接错,少接二只电池,即48V变成44V,而充电电压又按照53.7V进行浮充,这样每只电池浮充电压从2.23V变成2.44V,充电一个月后,由于电池内部热积累,排气不及,使电池“鼓肚子”,这是比较严重的故障。
应该指出,在正常浮充电压下是不可能产生热失控的,只有人为操作和设备失控使电压过高,或电池组中个别电池严重故障如短路、反极时才可能产生。因此,正确选择浮充电压和定期检查每个电池的“健康情况”是非常重要的,如果环境温度变化较大,应根据温度补偿加以校正。
(2)电池失水与预防
VRLAB是在“贫液”状态下工作的,其气体复合效率应接近100%。如果制造工艺中,电池处于“富液”状态,会使隔板中O2的通道阻塞,气体复合效率降低,电池内压力增大,特别是在安全阀性能不良情况下,失水更加严重,经过一段时期后,电池会失水而干涸。
当然,由于浮充电压过高,电解水反应加剧,析气速度加快,失水也必然增加。另外,使用环境温度过高,未调整浮充电压,也同样会产生失水现象。因此,除了制造商应严格控制电池中电解液的数量以外,用户应创造一个最佳温度(20±5℃)使用环境和严格控制浮充电压运行条件,保证电池组有较长的使用寿命。
此外,每只电池浮充电压一致性不好,也会使个别高浮充电压的电池失水,而过早失效。因此,通过维护手段使电池浮充电压比较一致,也是延长电池组使用寿命的有效方法。为了保证电源无故障运行,延长电池组使用寿命,这里提出如下运行维护方案:
(1)充电要求
铅酸电池放电产物是硫酸铅,若不及时转化掉,会使电池处于充电不足状态,从而降低电池放电容量和缩短电池使用寿命。因此,必须使电池组处于充足电状态。一般采用“恒压充电制”,对不同情况,可分浮充和均充。
①浮充充电
在线式电池组是长期并联在充电器和负载线路上,作为后备电源的工作方式。一般情况下,都采用浮充充电,单体电池电压控制在2.25V,并定期观察、记录浮充电压变化。如果单体电池电压偏低,说明电池充电不足,容量不够,应注意跟踪。
②均充充电
如果电池组在浮充过程中存在落后电池(单体电池电压低于2.20V),或浮充三个月后,宜进行均充过程,其单体电池电压控制在2.35V,充6~8小时(注意一次均充时间不宜太长),然后调回到浮充电压值,再观察落后电池电压变化,如电压仍未到位,相隔二周后再均充一次,一般情况下,经过3~6个月浮充,均充后,新电池组的浮充电压会逐步趋于一致。
③温度补偿
虽然电池的工作温度范围很宽,可在-15℃~+45℃范围内运行,但是电池运行最佳环境温度为25℃左右,如果环境温度变化较大,需用温度系数进行补偿(-3mV/℃),可参考表2调整充电电压值。
表2不同环境温度的浮充电压值
环境温度(℃) | 单体电池电压(V) |
---|---|
35 | 2.21 |
30 | 2.23 |
25 | 2.25 |
20 | 2.26 |
15 | 2.28 |
10 | 2.30 |
5 | 2.32 |
(2)维护方法
如果在半年内,电池组从未放过电,应对电池组进行一次治疗性充放电维护操作。
①放电操作
放电是为了检查电池容量是否正常,一般采用10小时率放电,有条件的可用假负载放电;从用户方便考虑,也可直接用负载进行放电,即拉掉市电,用电池组供电,考虑到安全性,放电深度控制在30~50%为宜。当然,有条件可放电更深一些,容易暴露电池潜在的问题。并且每小时检测一次单体电池电压,通过计算放出电池容量,对照表3电压值,判断电池是否正常。
表3电池放出不同容量的标准电压值(10小时率)
放出容量(%) | 支持时间(小时) | 单体电池电压(V) |
---|---|---|
10 | 1 | 2.05 |
20 | 2 | 2.04 |
30 | 3 | 2.03 |
40 | 4 | 2.01 |
50 | 5 | 1.99 |
60 | 6 | 1.97 |
70 | 7 | 1.95 |
80 | 8 | 1.93 |
90 | 9 | 1.88 |
100 | 10 | 1.80 |
放出电池容量计算:
[电流(A)×时间(h)/电池额定容量(Ah)]×100%
在相应放出容量下,其单体电池电压值应等于或大于相应电压值,即电池容量正常,反之电池容量不足。
②充电操作
表4PowersonGMF48V阀控式密封蓄电池组维护记录表
电池型号:GMF2-2000负载电流:200A
浮充电压:53.4V | 放电电压 | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
日期 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 放电电流:200AV开路总电压:52V支持时间(h)端电压(V) | 放出容量50% | |||||
温度 | 16℃ | 17℃ | 22℃ | 23℃ | 27℃ | 28℃ | |||||||
总电压 | 53.11 | 53.15 | 53.20 | 53.26 | 53.28 | 53.28 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 电池容量正常与否 |
1 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.13 | 2.1 | 1.98 | 1.97 | 1.95 | 正常 |
2 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.11 | 1.98 | 1.97 | 正常 |
3 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.23 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.1 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
4 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
5 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.02 | 1.99 | 正常 |
6 | 2.20 | 2.20 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.96 | 1.94 | 偏低 |
7 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.21 | 2.17 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
8 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.12 | 2.10 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
9 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.98 | 1.95 | 正常 |
10 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
11 | 2.21 | 2.22 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
12 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
13 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.17 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
14 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.23 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
15 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
16 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.23 | 2.24 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
17 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.10 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
18 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.16 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
19 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
20 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
21 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.24 | 2.24 | 2.24 | 2.20 | 2.16 | 2.13 | 2.10 | 1.97 | 1.96 | 正常 |
22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
23 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
24 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.16 | 2.14 | 2.10 | 1.97 | 1.96 | 正常 |
记事 | 外观情况:无损坏、无漏液 |
检测日期:1999.7.26
电池组放电后,应立即转入充电,开始时可控制电流不大于0.2C(A)为宜(如200Ah电池,充电电流应不大于0.2×200=40A)。当电流变小时,可慢慢提高电池组充电电压,达到均充电压值,再充6小时,然后再调回浮充电压值。
③根据治疗性充放电过程,从放电容量和电池电压值判断每只电池的“健康情况”,因为不同放电容量过程中每只电池的电压变化,就代表了该电池的“健康”状况,如有不合格电池,应采取补救措施。
下面,提供某电信局使用POWERSON牌48V-2000Ah电池组的一种维护记录表格(见表4)。从表4中数据分析可对电池正常与否作出判断,并采取合适的维护方法:
?电池运行基本正常,但6号电池容量偏低,注意跟踪。
?整个电池组容量稍低于标准值,其原因是电池未完全充足。
?浮充电压偏低,应提高到53.7V(28℃)。
?应进行均充充电,以提高落后电池电压。
总而言之,在推广应用VRLAB的过程中,制造商应严格控制生产工艺条件,提供性能一致的高质量电池产品;用户应加强对VRLAB的了解,并做好必要的维护工作,共同发展我国VRLAB民族工业,为我国国民经济做出更大的贡献。
参考文献
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.
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