淺談內(nèi)燃機(jī)車用閥控式密封鉛酸蓄電池

1、淺談內(nèi)燃機(jī)車用閥控式密封鉛酸蓄電池使用壽命及可靠性 (廣東省廣梅汕鐵路有限責(zé)任公司龍川機(jī)務(wù)段技術(shù)科 黃水泉）摘要：對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池的制造工藝與使用方面進(jìn)行了分析與探討，提出了閥控鉛酸蓄電池壽命與安全可靠性的一些問題焦點(diǎn)，提出了新的充電器的設(shè)計(jì)原理。關(guān)鍵詞：蓄電池 充放電 壽命 可靠性 新型充電器課題來源：閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLAB）伴隨進(jìn)口的國外電信設(shè)備一起進(jìn)入中國市場(chǎng)已有約十年歷史了，在鐵路系統(tǒng)使用也有七八年歷史，而今中國大陸及世界各地遍布閥控式密封鉛酸蓄電池的生產(chǎn)廠家。然而，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，閥控式密封鉛酸蓄電池不斷出現(xiàn)新的問題，特別是閥控式密封鉛酸蓄電池的使用壽命及安全可靠性始

2、終是用戶和廠家關(guān)注的焦點(diǎn)。筆者段內(nèi)有深圳華達(dá)、長沙豐日、蘇州華源、武漢七一二所等廠家閥控式密封鉛酸蓄電池，使用壽命達(dá)6年很少，使用壽命大部分在4年左右，使用壽命區(qū)區(qū)只有2年多的也有相當(dāng)一部分。筆者從事蓄電池的技術(shù)管理工作，現(xiàn)提出幾點(diǎn)不成熟的想法，僅供與蓄電池相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員參考。 1.閥控式密封鉛酸蓄電池發(fā)展歷史1982年，閥控式密封鉛酸蓄電池誕生（其實(shí)最初的堿性可充電電池等，早已具有閥控式功能）；1985年，美國GNB公司開發(fā)、研制出大容量閥控式密封鉛酸蓄電池，由于其免維護(hù)（不加電池水）、安全性好（無外逸氣體）及緊湊設(shè)計(jì)（相對(duì)傳統(tǒng)滿液式開口電池，占地空間少），立刻受到電信

3、行業(yè)的歡迎（電信行業(yè)的現(xiàn)代化電子設(shè)備對(duì)環(huán)境要求較高，而閥控式密封鉛酸蓄電池可與電信設(shè)備同處一室）。1995年，美國“費(fèi)城科技”（PhiladephiaScientific）發(fā)表研究報(bào)告，建立了以電池水損失為閥控式密封鉛酸蓄電池壽命的判定依據(jù)，即當(dāng)閥控式密封鉛酸蓄電池內(nèi)10的水分散失后，使電池實(shí)際容量降至額定容量的80以下時(shí)，稱電池的使用壽命已到期。許多廠家接受了此標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)制造電池，加酸、加水及密封，以期達(dá)到20年設(shè)計(jì)壽命。然而19951996年，歐美各國最先使用閥控式密封鉛酸蓄電池的電信用戶開始投訴閥控式密封鉛酸蓄電池的可靠性不穩(wěn)定，主要問題有浮充電流增大、極板腐蝕、容量下降、充電熱

4、失控及電池干涸等。1997年在布達(dá)佩斯（Budpest）電聯(lián)會(huì)議上（TelesconConference）才發(fā)現(xiàn)閥控式密封鉛酸蓄電池的電化學(xué)設(shè)計(jì)上有缺陷。電池失效問題很多是由于負(fù)極板自放電效應(yīng)造成的。同樣，雖然氧氣的循環(huán)復(fù)合可不必加電池水，但會(huì)引起自放電效應(yīng)及容量下降，早期的閥控式密封鉛酸蓄電池容量甚至降到65Ce以下。1998年之后，針對(duì)上述設(shè)計(jì)缺陷，許多廠家開發(fā)出了閥蓋上加鈀催化劑的新型閥控式密封鉛酸蓄電池。2000年，新型的添加催化劑金屬鈀的閥控式密封鉛酸蓄電池大量問世，它改進(jìn)了密封工藝，強(qiáng)化了殼蓋設(shè)計(jì)，力圖解決閥控式密封鉛酸蓄電池負(fù)極板自放電，這一縮短電池壽命的根本缺陷。2.國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)

5、車用閥控式密封鉛酸蓄電池使用壽命情況閥控式密封鉛酸蓄電池失效或電池壽命提前終止（不到6年或機(jī)車一個(gè)大修期設(shè)計(jì)壽命）有多種原因。相對(duì)開口電池而言，閥控式密封鉛酸蓄電池的理論要點(diǎn)主要有：1）陰極吸收式電池（因此負(fù)極板比正極板多一塊，易于吸收氧氣）；2）閥控式電池（內(nèi)部壓力由特制安全閥控制，易于氣體復(fù)合）；3）密封式電池（特殊材料外殼，特別密封，因而水分不會(huì)逸出）；4）H抑制式電池（特制負(fù)極板，使得H離子不會(huì)析出或少析出，不會(huì)變成H2逸出）。現(xiàn)在看來，上述要點(diǎn)均有局限性，導(dǎo)致制造上差異大，產(chǎn)品質(zhì)量存在問題，使電池的設(shè)計(jì)壽命及可靠性指標(biāo)令人難以信服。換個(gè)角度來思考：1）負(fù)極板比正極板大多少，可使吸收氧

6、氣最佳？2）安全閥控制的電池內(nèi)部壓力值為多少，最易于氣體復(fù)合？3）如何特別密封，可使水分不會(huì)逸出？4）如何特制負(fù)極板，使得H離子不會(huì)析出或少析出？對(duì)以上問題，生產(chǎn)廠家各有不同的看法和作法。目前，各種閥控式密封鉛酸蓄電池現(xiàn)場(chǎng)使用的結(jié)果表明，好的閥控式密封鉛酸蓄電池運(yùn)行已超過6年以上（華達(dá)及豐日早期電池在龍川機(jī)務(wù)段），但許多電池都在4年左右開始出現(xiàn)容量下降失效，有的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上有缺陷，使用只有區(qū)區(qū)2年不到，甚至才幾個(gè)月，頻繁出現(xiàn)各種各樣故障。事實(shí)上，從第一只閥控式密封鉛酸蓄電池開發(fā)出來至今，也不到9年時(shí)間，質(zhì)量承保期也只是理想概念，并不是實(shí)踐數(shù)據(jù)。盡管今天閥控式密封鉛酸蓄電池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與使用原材料

7、方面比過去有了很大的改進(jìn)，性能有了相當(dāng)大的提高，許多設(shè)計(jì)和用料精良的內(nèi)燃機(jī)車用免維護(hù)閥控式密封鉛酸蓄電池浮充使用的理論壽命為6年以上，但真正能在使用中達(dá)到如此壽命的電池是少之又少。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很少能達(dá)到以上水平，大部份二至四年就夭折了，究其原因，筆者認(rèn)為除以上電池設(shè)計(jì)不完善外還有以下幾點(diǎn)：1）充電設(shè)備的設(shè)計(jì)不夠完善。2）閥控式密封鉛酸蓄電池放電后得不到及時(shí)的補(bǔ)充電，特別是過放電對(duì)電池造成致命之傷。3）少數(shù)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量低劣，以次充好。以上原因，筆者認(rèn)為2）、3）從技術(shù)上講是比較容易預(yù)防和做好的，唯1）牽涉比較難以解決的技術(shù)問題，下面著重談?wù)勥@方面存在的問題。3. 閥控式密封鉛酸蓄電池的充電技

8、術(shù)要求廠家提供的閥控式密封鉛酸蓄電池保證使用壽命的技術(shù)指標(biāo)是在環(huán)境溫度為25下給出的。由于單體閥控式密封鉛酸蓄電池電壓具有溫度每上升1下降約4mV的特性，那么一個(gè)由48個(gè)單體電池串聯(lián)組成的96V蓄電池，25時(shí)的浮充電壓為108V；當(dāng)環(huán)境溫度降為0時(shí)，浮充電壓應(yīng)為112.8V；當(dāng)環(huán)境溫度升至40時(shí)，浮充電壓應(yīng)為105.12V；當(dāng)環(huán)境溫度升至60時(shí)，浮充電壓應(yīng)為101.28V。同時(shí)閥控式密封鉛酸蓄電池還有一個(gè)特性，當(dāng)環(huán)境溫度一定，充電電壓比要求的電壓高100mV，充電電流將增大數(shù)倍，因此，將導(dǎo)致電池的熱失控和過充損壞。當(dāng)充電電壓比要求電壓低100mV時(shí)，又將使電池充電不足，也會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞。另外閥

9、控式密封鉛酸蓄電池的容量也和溫度有關(guān)，大約是溫度每降低1，容量將下降1，所以廠家要求閥控式密封鉛酸蓄電池的使用者在夏天電池放出額定容量的50后，冬天放出25后就應(yīng)及時(shí)充電。顯然，日常使用中的閥控式密封鉛酸蓄電池不可能長期處在25的環(huán)境中，一日中尚有早、中、晚的溫差變化，更何況一年中還有春、夏、秋、冬四季更大的溫差，機(jī)車上的溫度變化更不用說了，因此目前市面上普遍使用的各種晶閘管整流型、變壓器降壓整流型、以及一般的開關(guān)穩(wěn)壓電源型的閥控式密封鉛酸蓄電池充電器，以恒壓或恒流方式對(duì)電池進(jìn)行的充電，是無法達(dá)到閥控式密封鉛酸蓄電池補(bǔ)充充電所需要滿足的嚴(yán)格技術(shù)要求；機(jī)車上也只是粗略的恒壓充電方式，更加無法達(dá)到

10、閥控式密封鉛酸蓄電池補(bǔ)充充電所需要滿足的嚴(yán)格技術(shù)要求。縱觀過去所采用的這些對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池充電的方法，以及根據(jù)這些方法開發(fā)的閥控式密封鉛酸蓄電池充電器，我們不難看出，其技術(shù)是不夠完善的，用這些產(chǎn)品給閥控式密封鉛酸蓄電池充電，勢(shì)必直接影響閥控式密封鉛酸蓄電池的使用壽命，同時(shí)這些充電器還存在著工作電壓適應(yīng)范圍窄、體積大、效率低、安全系數(shù)差等問題。4. 啟示與思考1）科學(xué)技術(shù)是不斷向前發(fā)展的，閥控式密封鉛酸蓄電池必將有新的發(fā)展，理論與實(shí)際使用壽命差距將會(huì)縮短。2）電池生產(chǎn)廠家應(yīng)及時(shí)了解行業(yè)最新動(dòng)態(tài)，切忌盲目跟風(fēng)，一窩蜂做同類產(chǎn)品（例如，極板生產(chǎn)廠家同一類型極板被數(shù)十家電池組裝廠通用，何有質(zhì)量高

11、下？）估計(jì)閥控式密封鉛酸蓄電池廠家會(huì)面臨新的一輪淘汰，如同開口電池廠的淘汰一樣。3）電池的壽命不宜盲目宣傳長達(dá)6年或機(jī)車一個(gè)大修期，甚至更長，并無實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。其實(shí)影響壽命的原因有閥蓋的制作、閥壓的設(shè)定、極板的制造等廠家原因，也有過充電、欠充電、高溫等使用原因，還有負(fù)極板去極化的閥控式密封鉛酸蓄電池理論局限性。4）電池的安全可靠性，任何電池在不適當(dāng)條件下貯存、運(yùn)輸、使用過程中均可能發(fā)生危險(xiǎn)，包括逸出有毒氣體（事實(shí)如此）爆炸、漏酸液等。5.對(duì)策自然平衡充電器現(xiàn)在簡(jiǎn)要介紹一下蓄電池充電新法自然平衡充電法。何為蓄電池充電的自然平衡法？請(qǐng)看圖1所示蓄電池充電的連接簡(jiǎn)圖。 EAEB+-+-圖1 自然平衡

12、充電原理簡(jiǎn)示圖圖1中有二個(gè)電源EA、EB，當(dāng)電源EA與電源EB處在同一環(huán)境溫度下，正極和正極相連接，負(fù)極與負(fù)極相連接，在它們所形成的閉合電路中，存在著如下的關(guān)系，如果EA高出EB，EA將向EB提供EAEB=E的電壓，同時(shí)將按E的大小，提供一i電流向電源EB流通和灌注，當(dāng)EB吸收EA提供的i電流，使EB上升到完全等于EA時(shí)（在蓄電池中表現(xiàn)為，蓄電池端電壓的上升和電荷存儲(chǔ)量的增加），電源EA將停止向電源EB提供電流，也就是EA=EB，E=0，i=0。在上面描述中，我們把EB換成被充電的蓄電池，算出在不同放電深度與環(huán)境溫度下，蓄電池對(duì)應(yīng)的電壓。將EA精心設(shè)計(jì)成不同環(huán)境溫度下，能按蓄電池充電平衡需要，

13、自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的電源，與之對(duì)應(yīng)連接。完全理想化的情況下，電源EA能根據(jù)蓄電池在任一環(huán)境溫度下，能夠接受的電流，對(duì)電池進(jìn)行充電，電池充足電后，E=0，i=0，EA電源將不再消耗功率，此后，EA只隨環(huán)境溫度的變化，對(duì)被充蓄電池提供跟蹤平衡補(bǔ)償，由于蓄電池充電的整個(gè)過程完全是自動(dòng)完成的，所以我們稱之為自然平衡法。此方法完全理想化的情況是：蓄電池在充足電后，EA與被充電的蓄電池EB之間的電壓差E=0，自然也就i=0，由于EA無功率供給蓄電池（EB），所以蓄電池電解液不可能產(chǎn)生沸騰，也不可能使蓄電池內(nèi)電解液中的水分解，更不可能使蓄電池內(nèi)的壓力和溫度升高，產(chǎn)生安全隱患。因此，該方法提供給蓄電池的是

14、既不會(huì)使蓄電池過充電，也不會(huì)使蓄電池充電不足，而是更方便，更安全，更可靠的充電。從上面的分析中，我們不難看出，該方法特別適合免維護(hù)與少維護(hù)閥控式密封鉛酸蓄電池的維護(hù)性充電，更能適應(yīng)那些間歇性放電使用的蓄電池日常維護(hù)充電，有利于提高蓄電池日常使用中的可靠性，提高蓄電池的使用壽命。6.結(jié)語1）閥控式密封鉛酸蓄電池在環(huán)境溫度變化時(shí)對(duì)其充電設(shè)備有苛刻要求。由于目前的充電設(shè)備在設(shè)計(jì)上的缺陷，因此影響了蓄電池的正常使用壽命。2）對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池內(nèi)部設(shè)計(jì)如何去進(jìn)行改進(jìn)，從原材料到各部件制造工藝，都直接影響蓄電池的正常使用壽命。3）由于閥控式鉛酸蓄電池是新型的產(chǎn)物，在設(shè)計(jì)、維護(hù)、使用等方面存在改進(jìn)空間，延長使用壽命和提高可靠性有廣泛的前景，筆者就現(xiàn)階段生產(chǎn)的閥控工密封鉛酸蓄電池充電設(shè)備方面提出自己的見解，和同行一起共同探討和交