铅酸蓄电池基础知识

铅酸蓄电池的发展历史与现状VRLA电池的基本定义与分类VRLA电池的基本原理VRLA电池的基本结构与设计VRLA电池的基本性能参数 基础知识 2 1859 Plante普兰特发明蓄电池 1900 开口式蓄电池开始应用 OpenCell 1960 1975 Gates公司发明 Pb Ca合金Gates公司获得 D型密封铅酸电池专利VRLA电池原型 1979 GNB发明MFX正极板栅专利合金GNB购买Gates专利GNB开始大量生产吸液式密封免维护铅酸蓄电池 1984 1996 小范围应用迅速推广VRLA正式取代免维护概念全面被认可并大规模取代传统富液式电池 铅酸电池发展里程碑事件 3 阀控式密封铅酸蓄电池的定义阀控式密封铅酸蓄电池的英文名称为ValveRegulatedLeadAcidBattery VRLA 蓄电池正常使用时保持气密和液密状态 当内部气压超过预定值时 单向安全阀自动开启释放气体 当内部气压降低后 安全阀自动闭合使其密封 防止外部空气进入蓄电池内部 蓄电池在使用寿命期间 正常使用情况下无需补加电解液 蓄电池具有防爆 防酸雾 耐过充电能力 VRLA蓄电池的分类AGM电池 AbsorbedGlassMat采用吸附式玻璃纤维作隔膜 电解液吸附于极板和隔膜 电池内无流动电解液 AGM电池可以立式或卧式安装 GEL电池 胶体电池采用SiO2作凝固剂 电解液吸附于极板和胶体内 胶体电池一般立式安装 常识备注 VRLA蓄电池一般情况下都是指AGM电池 胶体电池都需特别指明 4 阀控式密封铅酸蓄电池电化学反应原理PbO2 2H2SO4 Pb2PbSO4 2H2OVRLA电池电化学反应原理 充电时将电能转换为化学能 放电时将储存在电池内的化学能转化为电能释放给外在系统 VRLA电池能够在电池内部对氧气再复合利用 并抑制氢气析出 VRLA蓄电池又称 贫液蓄电池 蓄电池采用负极板富余容量设计 使氢气析出时电位提高 使正极出现氧气先于负极出现氢气 充电时 正极析出的氧气 通过玻璃纤维隔板传送到负极表面与氢气结合为水 从而有效控制水的电解 减少电解液的消耗 因此失水量很小 所以无需加水加酸 充电 放电 5 构成VRLA铅酸蓄电池的主要部件 正负极板 隔膜 电解液 安全阀 电池壳与电池盖端子 连接条 极柱等零件 Euroba12V系列电池剖面图 Euroba2V系列电池剖面图 6 VRLA蓄电池的设计 板栅合金的选择 板栅的功能是支撑活性物质并传输电流 它通常是铅或铅基合金制成的栅栏片状物 使活性物质固定于其中 备注 参加电池反应的活性物质Pb和PbO2是疏松的多孔性物质需要载体固定 正板栅要求具有自放电小和耐腐蚀的特点 所采用的合金各异 常用的有Pb Ca Pb Ca Sn Pb Ca Sn Al和Pb Ti Ge合金 负板栅一般采用Pb Ca合金 尽量减少析氢量 正极板图 负极板图 7 VRLA蓄电池的设计 隔膜的选择 VRLA电池采用的是AGM 玻璃纤维棉 隔膜 主要具有以下特征 优良的耐酸性能和抗氧化能力厚度均匀 无针孔 无机械杂质材料孔径小 孔率高优良的吸附性能 保留电解液能力强电阻小具有一定强度 保证工艺上的可操作度杂质少 铜铁含量低 AGM隔膜 PVC隔膜 8 VRLA蓄电池的设计 壳盖结构设计和材料的选择 强度设计 电池外壁在过盈装配和承受内气压时不应有明显气胀变形 ABS和PVC外壳厚度为8 10mm PP材料应加钢壳加固 散热设计 要求外壳散热面积大 材料导热性能好盖上极柱密封设计 关键工艺技术 不同制造商不尽相同 壳盖密封和极柱密封结构 热封 最可靠的密封方式 PP材料一般采用热封 胶封 ABS PVC材料一般采用胶封 技术关键在于选用合适的环氧树脂 ABS槽盖配合操作图 ABS槽盖配合图 9 VRLA蓄电池的设计 电解液的选择 VRLA电池电解液中H2SO4的含量按理论值1 5倍计算电解液比重一般为1 3g ml安全阀的要求 安全阀是关键部件影响电池寿命 一致性和安全性 可分为帽式 柱式和伞形安全阀 单向开阀单向密封 防止空气进入电池内部同一组电池各个安全阀间的开闭压力差不应超过平均值的20 寿命不低于15年具有虑酸功能 可防止酸与酸雾从安全阀排气口排出隔爆 当电池外部遭遇明火是电池内部不应引爆抗震 运输和使用期间 不会因为震动和多次开闭而松动失效耐酸耐高低温 10 VRLA蓄电池的性能参数 开路电压与工作电压 开路电压 电池在开路状态下的端电压 开路电压 正极电极电势 负极电极电势工作电压 也叫放电电压 指电池接通负载后放电过程中显示的电压 初始电压是指电池放电开始的工作电压 电池容量 电池在一定条件下所能给出的电量称为电池的容量 符号 C单位 Ah mAh 额定容量也叫保证容量 按有关标准保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度容量比容量是单位体积或单位质量电池所能给出的电量 其单位为Ah Kg或Ah l 可以用于比较不同系列的电池 电池内阻电池内阻包括 欧姆内阻和极化内阻 内阻的存在使电池放电时的端电压 电池的电动势和开路电压 充电时端电压高于电动势和开路电压 内阻值不是常数 欧姆内阻遵守欧姆定律 极化内阻随电流密度增加而非线性变大 11 VRLA蓄电池的性能参数 能量 电池的能量 一定放电条件下蓄电池所能给出的电能 单位 Wh瓦时比能量 电池单位质量或单位体积所能输出的电能 单位 Wh Kg比能量反映了电池活性物质的利用率 同时也反映了电池的质量水平和制造商的技术和管理水平 功率和比功率 功率是指电池在一定条件下于单位时间所能给出的能量的大小 单位 W或KW比功率是单位质量电池所能给出的功率 其单位为W Kg或KW Kg 比功率越大表示电池可以承受大电流放电 电池的使用寿命电池使用寿命 在规定条件下 电池的有效寿命期限称为电池的使用寿命 电池的使用寿命包括 使用期限和使用周期 使用期限指电池可供使用的时间 包括电池的存放时间 使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数 选型与设计 蓄电池的选型蓄电池容量的计算A 按所需容量和电流的计算蓄电池容量方法与实例B 按照所需功率计算蓄电池容量方法与实例EUROBA电池的特点与优势 13 VRLA蓄电池的选型与设计 选择蓄电池的需要考虑几个因素 电池的类型 铅酸电池 AGM或胶体电池 锂电池 镍镉电池 电池容量 根据用户实际的后备要求 负载功率和后备时间 主设备类型计算容量 电池性能参数 评估VRLA电池的重量 体积 比能量 使用温度范围的因素 综合考虑 选定蓄电池之后的设计 在确定电池组总容量的前提下 结合用户现场安装条件 负载使用情况设计 电池组的组数 并联一般不超过3组 选择使用电池箱或电池架承载电池 电池列间 层间连接电缆或铜排截面积计算 确保安全载流量和导线压降 1小时率大电流放电时 连接线压降 10mv确认安装地面最大承载能力 Kg m 确保电池安装安全可靠 14 VRLA蓄电池容量的计算 A 按所需容量和电流的计算蓄电池容量方法与实例电池容量的常用计算公式如下 Q K C I其中Q 电池额定容量I 放电电流C 电池容量计算系数 查下表 K 保险系数 取值范围1 2 l 67 放电小时数T与电池容量计算系数C的关系表上表是铅酸蓄电池的一个通用特性 不同品牌的电池性能会有差异 可以通过查阅厂家资料得到具体选型信息 15 VRLA蓄电池容量的计算 实例负载电流40A 要求电池维持供电时间4小时 需要电池容量为Q K C I 1 2 5 06 40 243AH如某项目基站电流共40A 35A的交换电流十5A传输电流 要求停电时电池先对40A的负载进行4个小时的供电 而后二次下电断掉交换设备 电池再对传输维持8小时的供电后 电池欠压保护 以德克电池为例此种电池供电方式需电池容量多少 Q K C1 I1 I2 K C2 I2 1 2 5 06 35 5 1 2 8 51 5 294AH 16 VRLA蓄电池容量的计算 B 按照所需功率计算蓄电池容量方法 按下式来计算电池所提供的总功率值W电池电池恒功率放电公式 W P C0S N 6式中 P UPS电源的标称输出功率 VA C0S 负载的功率因素0 8 UPS逆变器的效率0 92N 6 在UPS中以2伏单元电池来进行计算时所需的串联电池的个数 17 VRLA蓄电池容量的计算 B 实例 对250KVAUPS后备5分钟电池计算如下 UPS电源的标称输出功率为250kVA 单机系统 电池电压为480V 电池单体节数为40节 每节12V 要求电池后备时间为5分钟 cos 取0 8 考虑用户为综合负载 不仅仅是计算机负载 W PC 250 1000 0 8 0 93 40 6 896 1W对照电池的 恒功率放电表 选择电池单元 由表中可知 每节S12V285的2V单元可于5分钟以543W的功率放电 543W 2 1086W 896 1W 所以2组S12V285电池并联可以满足要求UPS电池配置为采用S12V285电池 2组电池并联 每组40节串联 共使用80节电池 使用与维护 蓄电池的安装蓄电池的使用与注意事项蓄电池的维护 19 VRLA蓄电池的安装 蓄电池的安装方式安装方式分立式安装或卧式安装 矮性设计的电池可以立式 也可以卧式安装 高形设计的电池建议卧式安装 蓄电池连接方式及导线VRLA电池的应用实践告诉我们 在大电流放电应用中电池的连接方式和连接导线的压降至关重要 电池连接贯彻原则 多串少并 先串后并 并联电池组控制在3组以内 连接导线的压降取决于 导线材质 电阻率 导线长度 截面积大小连接导线压价 10mv 1Hr率放电电流 蓄电池安装常规注意事项不能将容量不同 性能和新旧程度不同的电池混在一起使用 连接螺栓 螺丝必须拧紧 以免引起电池打火爆炸 连接总线和导通系统前 再次确认电池极性 总电压是否正确无误 电池组连接后电压很高 注意使用绝缘工具并防止短路 电池组不要安装在密闭的空间 要远离热源 避免阳光直射 20 VRLA蓄电池的使用 蓄电池的浮充VRLA电池主要的工作方式是浮充工作制 VRLA电池浮充工作下 电池与整流器设备并联 电池组一般不放电 实际工作中电池存在局部放电或由于负载突然增加而放电 VRLA电池浮充有两个作用 市电中断 电池立即无间断向负载供电 电池起到平滑滤波作用 滤除脉动成分 稳定负载供电质量以EUROBA电池的浮充为例 具体浮充的参数要求 充电电压 2 23 2 27V 单体 25 建议设置为2 25V 单体 最大充电电流 0 30C10温度补偿系数 3 3mV 单体 以25 为基点 充电电压变动范围为 0 02V 单体 注意事项 同一电池组各单体电池的电压值在使用初期会出现一定偏差 半年之后将趋于一致 浮充电压过高或过低对电池的影响如下 长时间过高 过充电 缩短寿命 长时间过低 充电不足 满足不了负载或使电池电压不一致 从而使电池整组容量下降 寿命缩短 21 VRLA蓄电池的使用 蓄电池的均充VRLA电池均充工作启动的原因 电池浮充电压偏低 放电后再充电 电池组容量不足 VRLA电池平时不建议均充 均充可能造成电池失水而早期失效 均充电压的选择要考虑温度因素 温度系数取 5mv C VRLA电池均充频率的设定 电池全浮充工作一年 均充一次 时间12 24小时 以EUROBA电池的均充为例 具体均充的参数要求 充电电压 2 30 2 35V 单体 25 建议设置为2 35V 单体 最大充电电流 0 30C10温度补偿系数 5mV 单体 以25 为基点 充电电压变动范围为 0 02V 单体退出均充条件 退出均充的电流参考值一般设定为0 01C10 并联时乘以蓄电池组数 注意事项 正常浮充运行可以不进行此项操作 遇到下列情况之一可考虑采用均衡充电 放电容量低于额定容量的20 以上 搁置不用时间超过3个月有单体电池浮充电压低于2 18V 单体连续浮充3 6个月或电池组内出现电压落后的电池全浮充运行一年以上蓄电池安装调试结束后投入使用前需要进行补充电 蓄电池容量检测后进行均充电 22 VRLA蓄电池的日常维护 VRLA蓄电池并非不需要管理 电池的变化是渐进和累积的过程 我们平时维护要做好运行记录 具体项目如下 电池单体和电池组的浮充电压 一月 次 电池外壳和极柱温度 一月 次 极柱 安全阀周围是否有渗液和酸雾溢出 一月 次 检查连接螺栓是否拧紧 六月 次 定期检查开关电源或UPS设备对电池均浮充电压参数是否符合电池充电要求每年以实际负载做一次核对性放电 放电容量约额定容量的30 40 每3年以假负载做一次容量实验 放电深