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蓄电池 本章内容 通信蓄电池发展阀控蓄电池构成 分类阀控蓄电池工作原理阀控蓄电池技术指标阀控蓄电池的维护使用与注意事项 本章重点 难点 本章重点阀控蓄电池的组成与工作原理阀控蓄电池的维护与使用本章难点阀控蓄电池的使用容量因素阀控蓄电池维护中的失效原因分析 本章的目的和要求 掌握阀控蓄电池的工作原理 理解阀控蓄电池的特点 掌握阀控铅蓄电池的基本结构及各组成部分的作用 了解阀控蓄电池的分类 掌握阀控铅蓄电池容量的概念 理解使用因素对实际容量的影响 理解阀控铅蓄电池的失效原因 了解阀控铅蓄电池故障判断与维护时的注意事项 了解阀控蓄电池的发展历史及趋势 蓄电池的基本结构 蓄电池的内容提要 1 蓄电池的工作原理 2 阀控铅蓄电池的容量 3 蓄电池组常规技术指标的测量 5 阀控蓄电池维护与使用 4 讨论题 6 蓄电池 通信电源蓄电池电池放电电流小 容量大 寿命长 每节单体2V 一般2 23V左右 一组48V电池由24节单体串联组成 UPS蓄电池电池能大电流放电 容量小 寿命较短 常见的UPS蓄电池每个单体电压为12V 如果配置32节电池 则电池组端电压可达384V 启动电池由于油机启动时间十分短促 仅为5 8秒 因此要求蓄电池满足高速率大电流放电的要求 油机启动电池多采用24V电池组 6 1通信蓄电池发展概述 铅酸蓄电池的发明距今已有140余年的历史 以往的铅酸蓄电池均为开口式或防酸隔爆式 充放电时析出的酸雾污染及腐蚀环境 又需经常维护既补加酸和水 自50年代起 科学技术发达国家先后解决了防酸式铅酸电池的致命缺点 而可以把铅蓄电池密封起来 进入80年代 随着分散式供电方案启用 需求基础电源设备与通信设备同装一室 激励了密封固定型铅酸电池的生产 进入90年代后 阀控密封铅酸蓄电池生产技术有了很大进展 进入了成熟期 阀控式密封铅酸蓄电池的特点 1 电池荷电出厂 安装时不需要辅助设备 安装后即可使用 2 在电池整个使用寿命期间 无需添加水 调整酸比重等维护工作 具有 免维护 功能 3 不漏液 无酸雾 不腐蚀设备 可以和通信设备安装在同一房间 节省了建筑面积和人力 4 采用具有高吸附电解液能力的隔板 化学稳定性好 加上密封阀的配置 可使蓄电池在不同方位安置 5 电池寿命长 25 下浮充状态使用可达10年以上 6 与同容量防酸式蓄电池相比 阀控式密封蓄电池体积小 重量轻 自放电低 6 2阀控蓄电池构成与分类 阀控式铅酸蓄电池的英文名称为ValveRegulatedLeadBattery 简称VRLA 作用有 荷电备用 当市电异常或在整流器不工作的情况下 由蓄电池单独供电 担负起对全部负载供电的任务 起到备用作用 平滑滤波 在市电正常时 虽然蓄电池不担负向通信设备供电的主要任务 但它与供电主要设备 整流器并联运行 能改善整流器的供电质量 6 2 1阀控式铅酸蓄电池的基本结构 1 正负极板组2 隔板3 电解液4 安全阀5 壳体 结构框图 1 正负极板组 正极板上的活性物质是二氧化铅 PbO2 负极板上的活性物质为海绵状纯铅 Pb VRLA的极板大多为涂膏式 这种极板是在板栅上敷涂由活性物质和添加剂制成的铅膏 经过固化 化成等工艺过程而制成 2 隔板 阀控式铅酸蓄电池中的隔板材料普遍采用超细玻璃纤维 隔板与极板紧密保持接触 它的主要作用有 1 吸收电解液 2 提供正极析出的氧气向负极扩散的通道 3 防止正 负极短路 3 电解液 铅蓄电池的电解液是用纯净的浓硫酸与纯水配置而成 它与正极和负极上活性物质进行反应 实现化学能和电能之间的转换 4 安全阀 一种自动开启和关闭的排气阀 具有单向性 内有防酸雾垫 只允许电池内气压超过一定值时 释放出多余气体后自动关闭 保持电池内部压力在最佳范围内 5 壳体 材料应满足耐酸腐蚀 抗氧化 机械强度好 硬度大 水气蒸发泄漏小 氧气扩散渗透小等要求 一般采用改良型塑料 如PP PVC ABS等材料 6 2 1蓄电池的分类 1 按不同用途和外形结构 分有固定式和移动式两大类 2 按极板结构分为 涂膏式 化成式 半化成式 玻璃丝管式等 3 按电解液的不同分为 酸性和碱性 4 按电解液数量分为 贫液式和富液式 型号 型号 2 100A型号代表每块正极板的电流容量 8小时率至终了电压1 75V 25 例如 100A21型号单体含10片正极及11片负极 因此100A21型号的容量是1000安时 6 3阀控式铅酸蓄电池的工作原理和技术指标 6 3 1阀控蓄电池的工作原理6 3 2阀控铅蓄电池的容量6 3 3阀控式铅酸蓄电池维护的技术指标 6 3 1蓄电池的工作原理 正极板上的活性物质是二氧化铅 PbO2 负极板上的活性物质为纯铅 Pb 电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定的比例配制而成 正负极板上活性物质的性质不同 当两种极板放置在同一硫酸溶液中时 各自发生不同的化学反应而产生不同的电极电位 1 蓄电池的化学反应原理 蓄电池在放电过程的特点 正 负极板上的活性物质都不断转变为硫酸铅 PbSO4 蓄电池的内阻增加 电解液的比重逐渐下降 电动势逐渐降低 至放电终了时 蓄电池的端电压下降到1 8V左右 蓄电池在充电过程的特点 正极板上的硫酸铅 PbSO4 逐渐变为二氧化铅 PbO2 负极板上的硫酸铅逐渐变为海绵状铅 Pb 蓄电池的内阻增加 电解液的比重逐渐增加 蓄电池的电动势也逐渐增加 2 蓄电池的氧循环原理 阀控蓄电池的氧循环原理就是 从正极周围析出的氧气 通过电池内循环 扩散到负极被吸收 变为固体氧化铅之后 又化合为液态的水 经历了一次大循环 VRLA的结构特点 阀控式铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计 正极在充电后期产生的氧气通过隔板 超细玻璃纤维 空隙扩散到负极 与负极海绵状铅发生反应变成水 使负极处于去极化状态或充电不足状态 达不到析氢过电位 所以负极不会由于充电而析出氢气 电池失水量很小 故使用期间不需加酸加水维护 克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点 氧循环原理图 1 密封原理示意图 氧循环原理图 2 6 3 2阀控铅蓄电池的容量 电池容量是电池贮存电量多少的标志 有理论容量 额定容量 实际容量之分 1 理论容量 理论容量是假设活性物质全部反应放出的电量 2 额定容量 规定在25 环境下 以10小时率电流放电至终了电压所能达到的容量 用符号C10表示 I10 C10 10 3 实际容量又称为使用容量 它表示在预定的放电条件下 电池实际所放出的电量 不是恒定的常数 2 使用因素对容量的影响 1 放电率的影响 2 电解液温度的影响 3 电解液浓度的影响 4 终止电压的影响 5 电池的新旧程度 局部放电等因素影响 1 放电率的影响 放电至终了电压的快慢叫做放电率 分为时间率和电流率 对于一给定电池 在不同时率下放电 将有不同容量 下表为一GFM1000电池在常温下不同放电率放电时的容量 2 电解液温度的影响 在一定环境温度范围内放电时 使用容量随温度升高而增加 随温度降低而减小 阀控式密封铅蓄电池放电时 若温度不是标准温度 25 则需将实测电量Ct换算成标准温度的实际容量Ce 即CtCe 1 k t 25 公式中 Ct 非标准温度下电池放电量t 放电时的环境温度k 温度系数10小时率容量试验时k 0 006 3 电解液浓度的影响 在实用范围内 电池容量随电解液浓度的增大而提高 但也不可浓度过大 因浓度高则粘度增加 反而影响电液扩散 降低输出容量 4 终止电压的影响 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 终止电压是按实际需要确定的 小电流放电时 终止电压要定得高些 大电流放电 终止电压要定得低些 6 4阀控蓄电池维护使用 6 4 1蓄电池的失效原因分析6 4 2阀控铅酸蓄电池的使用6 4 3蓄电池组的测量6 4 4维护过程中的注意事项 6 4 1蓄电池的失效原因分析 蓄电池失效系指电池性能逐渐退化 直至不能使用 造成VRLA电池的失效模式主要有失水 早期容量损失 PCL 热失控 负极不可逆硫酸盐化 板栅腐蚀与伸长 隔板质量下降等 1 失水 从阀控铅酸蓄电池中排出氢气 氧气 水蒸气 酸雾 都是电池失水的方式和干涸的原因 失水的原因有 气体再化合的效率低 从电池壳体中渗出水 板栅腐蚀消耗水 自放电损失水 安全阀失效或频繁开启 2 早期容量损失 PCL VLRA电池的早期容量损失 PCL 是指电池初期进行容量循环时 每经过一次充放电循环 容量下降明显 早期容量损失常容易在如下条件发生 1 不适宜的循环条件 诸如连续高速率放电 深放电 充电开始时低的电流密度 2 缺乏特殊添加剂如Sb Sn等 3 低速率放电时高的活性物质利用率 电解液高度过剩 极板过薄等 4 活性物质密度过低 装配压力过低等 3 热失控 热失控是指蓄电池在恒压充电时 充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用 并逐渐损坏蓄电池 热失控使电池迅速失水 隔膜内电解液很快干涸 最终使电池失效 措施 1 充电设备应有温度补偿功能或限流 2 严格控制安全阀质量 以使电池内部气体正常排出 3 蓄电池要设置在通风良好的位置 并控制电池温度 4 负极不可逆硫酸盐化 铅蓄电池在正常工作中 负极板上PbSO4颗粒小 充电时很容易恢复为绒状铅 但有的电池生成了难以还原的大颗粒硫酸铅 称为硫酸盐化 负极板硫酸盐化原因很多 主要由下几个原因造成 产生极板硫酸化的原因 经常使蓄电池过量放电长期充电不足 例浮充电压设置过低 放电后 不及时充电长期搁置在高温下长期放电缺少应有的定期过充电电解液浓度过高 5 板栅腐蚀与伸长 浮充电压过高 除引起水损失加速外 也引起正极板栅腐蚀加速 当合金板栅发生腐蚀时 产生应力 致使极板变形 伸长 从而使极板边缘间或极板与汇流排顶部短路 措施 1 增加正极板栅的厚度 2 采用更耐腐蚀的板栅合金材料 3 在电池设计上采用隔板紧密装配 6 隔板质量下降 目前世界通信界选用的阀控式铅酸电池普遍为AGM 吸附式玻璃纤维棉 型电池 由于VRLA电池为紧密装配 电池中的AGM使用一定时期之后 产生弹性疲劳 使电池极群失去压缩或压缩减小 结果在AGM隔板与极板间产生裂纹 电池内阻增大 电池性能下降 6 4 2蓄电池的使用 1 容量的选择2 蓄电池的安装3 蓄电池的充电特性4 蓄电池的放电特性 1 容量的选择 电池放电电流过大 则达不到额定容量 因此 应根据设备负载 电压大小 后备时间 电流大小等因素来选择合适容量的电池及满足应用要求的电池 计算如下 式中 Q 蓄电池容量 Ah K 安全系数 取1 25左右 I 负荷电流 A T 放电小时数 h 放电容量系数 t 放电时的环境温度 电池温度系数 1 当放电小时率 10时 取 0 006 当10 放电小时率 1时 取 0 008 当放电小时率 1时 取 0 01 2 蓄电池的安装 电池为荷电出厂 必须小心操作 忌短路 连接螺丝必须拧紧 但也不要拧紧力过大而使极柱嵌铜件损坏 安装末端连接件和整个电源系统导通前 应认真检查正负极性及测量系统电压 不能将容量 性能和新旧程度不同的电池连在一起使用 3 蓄电池的充电特性 补充充电浮充充电 54V补偿电池自放电损耗 平时 均衡充电 56 4V迫使各单体电池的特性均衡快速充电 1 补充充电 初始充电 阀控铅酸蓄电池是荷电出厂 由于自放电等原因 投入运行前要做初始均充充电和一次容量实验 补充充电应采用低压恒压充电方法 充电电压应按厂家使用说明书进行 浮充充电 浮充电压 2 23伏 2 27伏 单体 25 浮充电压需依照环境温度的变化 而作相应调整 为使浮充电流保持不变 需按温度系数进行补偿 即调整浮充电压 环境温度自25 升或降1 每个电池端压随之减或增3 4mV方可保持浮充电流不变 2 浮充工作特性 全浮充工作方式 浮充电流的选择 浮充电压的选择 浮充电压的温度补偿 全浮充工作方式 在邮电通信局 站 直流电源系统中 蓄电池采用全浮充工作方式 在市电正常时 蓄电池与整流器并联运行 蓄电池自放电引起的容量损失便在全浮充过程被补足 这时 蓄电池组起平滑滤波作用 因为电池组对交流成分有旁路作用 从而保证了负载设备对电压的要求 在市电中断或整流器发生故障时 由蓄电池单独向负荷供电 以确保通讯不中断 浮充电流的选择 浮充电流设定的依据 浮充电流应足以补偿每昼夜自放电损失的电量 对于VRLA电池而言 应确保维护氧循环所需的电流 当蓄电池单独放电后 能依靠浮充 很快地补足容量 以备下一次放电 浮充电压的选择 各种类型的VRLA电池的浮充电压不尽相同 在理论上要求浮充电压产生的电流足以达到补偿电池的自放电损失及电池单独放电用量 和维持氧循环需要 实际工作还应考虑下列因素 选择在该充电电压下 电池极板生成的PbO2较为致密 以保护板栅不致于很快腐蚀 尽量减少O2与H2析出 并减少负极硫酸盐化 电解液浓度对浮充电压的影响 板栅合金对浮充电压的影响 通信设备对浮充系统基础电压的要求 浮充电压的温度补偿 浮充充电与环境温度有密切关系 通常浮充电压是指环境25 而言 所以当环境温度变化时 为使浮充电流保持不变 需按温度系数进行补偿 即调整浮充电压 在同一浮充电压下 浮充电流随温度升高而增大 若进行温度换算可得出 环境温度自25 升或降1 每个电池端压随之减或增3 4mV方可保持浮充电流不变 3 均衡充电 蓄电池在使用过程中 有时会产生比重 端电压等不均衡情况 为防止这种不均衡扩展成为故障电池 所以要定期履行均衡充电 凡遇下列情况需进行均衡充电 浮充电压有两只以上低于2 18V 只 搁置不用时间超过三个月 全浮充运行达六个月 放电深度超过额定容量的20 4 铅酸蓄电池的放电特性 铅蓄电池投入运行 是对实际负荷的放电 其放电速率随负荷的需要而定 各种放电小时率下的放电方法一般有标准小时率 10小时率 下的放电 高放电率下的放电 冲击放电和核对性放电等几种 放电速率不同 放电终止电压也不相同 放电速率越高 放电终止电压越低 温度对电池放出的容量也有较大影响 通常 环境温度越低 放电速率越大 电池放出的容量就小 5 蓄电池组常规技术指标的测量 电池外观的检查电池端电压及偏差标示电池电池极柱压降电池室环境对电池的影响 电池外观的检查 用目测法检查蓄电池的外观有无漏液 变形 裂纹 污迹 极柱和连接条有无腐蚀及螺母是否松动等现象 电池端电压及偏差 电压的均匀性有二个指标 一个为静态 另一个为动态 各单体电池开路电压最高与最低的差值应不大于20mV 2V电池 50mV 6V电池 100mV 12V电池 蓄电池处于浮充状态时 各单体电池电压之差应不大于90mV 2V电池 240mV 6V电池 480mV 12V电池 标示电池 标示电池的选定应在电池放电的终了时刻查找单体端电压最低的电池一至二只为代表 但标示电池不一定是固定不变的 相隔一定时间后应重新确认 电池极柱压降 电池间的连接条和极柱的连接处有接触电阻存在 在电池充电和放电过程中连接条上将会产生极柱压降 接触电阻越大 充放电时产生的压降越大 结果造成受电端电压下降而影响通信 其次造成连接条发热 产生能耗 严重时甚至使连接条发红 电池壳体熔化等严重的安全隐患 电池室环境对电池的影响 即温度越高 浮充电流越大 电池室温度一般要求控制在25 浮充电压为2 25V 浮充电流在45mA 100Ah左右 为了能控制这一电流值 在不同温度时要求开关电源具有输出电压的自动温度补偿功能 使用地区气压较低时 蓄电池组应降低容量来使用 6 4 3维护过程中的注意事项 1 为保证蓄电池的使用寿命 最好不要使蓄电池有过放电 2 一些整流器 开关电源 的参数设置 如浮充电压 均充电压 均充的频率和时间 转均充判据 转浮充判据 环境温度 温度补偿系数 直流输出过压告警 欠压告警 充电限流值等 要跟各蓄电池厂家沟通后再具体确定 3 每个机房的蓄电池配置容量最好在8 10小时率比较合适 频繁的大电流放电会使蓄电池使用寿命缩短 6 4 3维护过程中的注意事项 4 每月应检查的项目如下 单体和电池组浮充电压 电池的外壳和极柱温度 电池的壳盖有无变形和渗液 极柱 安全阀周围是否渗液和酸雾溢出 5 每半年做一次连接条的拧紧工作 以保证蓄电池安全运行 6 要定期考察电池的储备容量 讨论题 1 1 蓄电池组在通信工作中起什么作用 2 简述蓄电池的基本结构 3 蓄电池充放电时的化学反应方程式 4 什么叫阀控蓄电池的额定容量 5 浮充和均充的电压各是多少 6 实际容量受哪些因素的影响 7 什么是阀控蓄电池的氧循环原理 讨论题 2 8 阀控铅蓄电池失水的主要原因是什么 9 热失控会对蓄电池造成什么危害 10 引起阀控蓄电池硫酸化的主要原因是什么 11 阀控铅蓄电池浮充电压为何要进行温度补偿 12 阀控铅蓄电池为何应定期进行均衡充电 使用维护的常见问题及解答 对实际维护使用中常见的问题进行解答 阀控密封电池是如何实现密封的 1 负极板栅采用无锑铅钙合金 提高负极析氢过电位 比低梯合金高200mv 也就是抑制了氢气的析出 保持一定的内压 并且有很强的耐腐蚀性 2 负极容量高于正极容量 充电时防止负极析出氢气 并使O2在负极复合 3 采用特制单向安全阀 使电池内压保持一定的平衡 并且抑制外界气体 O2 进入电池内部腐蚀负极板栅 开阀压力为18 23KPa 闭阀压力不小于8KPa 并且有滤酸片保持电解液浓度一定 4 采用孔率为90 以上的超细玻璃纤维隔板 吸附一定量的电解液 达到贫液式设计 并且留有足够的气体通道 能使气体在内部复合 电池表面为什么会爬酸或极柱漏夜 1 制造工艺方面 极柱的漏酸爬酸 这是柱和盖相结合的工艺问题 密封胶质量达不到标准所致 2 使用因素 如果电池