閥控蓄電池的原理及其運行維護

1、閥控蓄電池的原理及其運行維護Document number-AA閥控密封式鉛酸蓄電池的原理及其運行維護 高鵬打馬江泓'，崔君瑩打白瑞雪1（1.西安供電局，西安，710032 ； 2.西北電網(wǎng)有限公司，西安，710048） 摘要：介紹了閥控密封式鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史和其現(xiàn)行的運行維護標準。結 合閥控密封式鉛酸蓄電池的基本結構和原理，討論了其失效模式以及影響壽命 的主要因素，并提出了其在運行維護中的注意事項。關鍵字：閥控密封式鉛酸蓄電池；標準；原理；維護The principle and maintenance of VRLA battetyGAO Pengl, MA Jianghong2

2、, CUI Junyingl, BAI Ruixuel（1. Xi* an Power Supply Bureau, Xi * an 710032, China: 2. Northwest China Grid Company Limited, Xi * an 7100IS,China）Abstract : This paper reviews VRLA battery technology development and the current standard for VRLA battery maintenance By reviewing the principle and struc

3、ture of VRLA battery, the failure modes and the key factors that affect battery life expectancy are discussed The matters needing attention in VRLA battery maintenance are also discussedKey words: VRLA battery; standard; principle; maintenance0引言閥控密封式鉛酸蓄電池（以下簡稱為閥控蓄電池），具有體積小、使用安 全性高、放電性能好、維護量小等特點，使其在

4、很多應用領域迅速取代了傳統(tǒng) 的防酸隔爆式蓄電池。閥控蓄電池的設計壽命一般大于5年，最長可以達到20年 以上，但是山于其結構特點，閥控蓄電池的效率和壽命比傳統(tǒng)的防酸隔爆蓄電 池更容易受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。MICHAEL R. MOORE通過對超 過7萬5千只閥控蓄電池近10年的研究表明，閥控蓄電池的實際使用壽命為4一8 年，遠低于其10-20年的設訃使用壽命：門。因此有必要從閥控蓄電池的原理出 發(fā)，論述各種影響蓄電池容量和壽命的因素，以便可以對蓄電池進行更好地維 護，延長其使用壽命，降低因蓄電池失效所帶來的安全風險。1閥控蓄電池發(fā)展MF、SLA、VRLA都是國內外對閥控蓄電池陸續(xù)使

5、用過的稱謂。N!F (Maintenance-Free)是免維護蓄電池的簡稱；SLA (Sealed Lead-Acid Battery)是密封鉛酸蓄電池的簡稱；VRLA(Valve Regulated Lead-Acid Battery)直譯應為閥控式鉛酸蓄電池，在一些文獻中也采用了其直譯名稱，國 標GBT 19638.2-2005固定型閥控密封式鉛酸蓄電池中譯為閥控密封式鉛酸蓄電 池。這是閥控蓄電池的當今的名稱。從MF、SLA到YRLA,不僅是名稱的改變， 也說明了閥控蓄電池的發(fā)展歷程o早期的“免維護蓄電池” MF,是指蓄電池所用期不需加水、補酸。蓄電池 免維護技術的應用可追溯到20世紀3

6、0年代。1933年美國為軍用的忖的，首次 將Pb-Ca合金珊應用于需要低自放電率(浮充)場合。70年代中期，美國的 Gates公司推出了現(xiàn)代MF電池。80年代，由于先進的冶金、化工新技術引入電 池行業(yè)中使MF電池更加完善，出現(xiàn)了 SLA密封鉛酸蓄電池的稱謂。SLA除了 采用電池內部氣體復合技術外，還對電池結構進行了改進，采用單向氣閥，使 電池達到密封。隨著排氣閥(安全閥)的日益完善，特別是有比較準確的開、 閉閥壓力，閥成了氣體復合與防泄漏、密封的主要部件。因而稱為VRLA(Valve Regulated Lead-Acid Battery)閥控密封式鉛酸蓄電池。2運行維護標準閥控蓄電池的運行維

7、護標準主要有IEEE標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準。IEEE (電氣和電子工程師協(xié)會)1996年發(fā)布了 IEEE標準1188-1996 IEEE推薦的 對固定使用的閥控蓄電池的維護、試驗和更換標準，2003年對該標準進行了修 訂后重新發(fā)布。修訂改動內容不多，主要對其中蓄電池核定性充放電周期、內 阻(電導)測試等部分做了調整。我國2000年發(fā)布了電力行業(yè)標準，DL/T724- 2000電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程。國家電網(wǎng)公司2004 年底發(fā)布了企業(yè)內部的直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范，其中包含了對閥控蓄電池 的運行維護的規(guī)定。3原理、結構及其特點3. 1閥控蓄電池的結構和原理閥控蓄電池由極板

8、、隔板、防爆帽、外殼等部分組成，采用全密封、貧液 式結構和陰極吸附式原理，在電池內部通過實現(xiàn)氧氣與氫氣的再化合，達到全 密封的效果。閥控蓄電池按固定硫酸電解液的方式不同而分為兩類，即采用超 細玻璃纖維隔板（AGM）來吸附電解液的吸液式電池和采用硅凝膠電解質（GEL）的膠體電池。這兩類閥控蓄電池都是利用陰極吸收原理使電池得以密封 的。所謂陰極吸收是讓電池的負極比正極有多于的容量。當蓄電池充電時， 正極會析岀氧氣，負極會析岀氫氣，正極析氧是在正極充電量達到70%時就開始 了，負極析氫則要在充電到90%時方開始，析出的氧到達負極，跟負極起下述反 應：2Pb + 0: = 2PbO； 2PbO + 2

9、H:SOs =2PbSO, + 2H:O。通過這兩個反應，達 到陰極吸收的U的。再加上氧在負極上的還原作用及負極本身氫過電位的提 高，從而避免了大量析氫反應。AGM密封鉛蓄電池使用純的硫酸水溶液作電解 液，隔膜保持有10%的孔隙不被電解液占有，正極生成的氧就是通過這部分孔隙 到達負極而被負極吸收的。Gel膠體密封鉛蓄電池內的硅凝膠的電解液是山硅溶 膠和硫酸配成的，電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進一步收縮，使凝膠 出現(xiàn)裂縫貫穿于正負極板之間，給正極析出的氧提供了到達負極的通道。兩種 閥控蓄電池遵循相同的氧循環(huán)機理，所不同的僅是為氧達到負極建立通道的方 式不同。3. 2閥控蓄電池的特點與防酸隔

10、爆式蓄電池相比，閥控蓄電池有以下特點：（1）固定的電解液，增進氧氣從正極向負極的擴散。（2）內部密封結構和自動開關的安全閥。蓄電池在內部壓力下工作，以 促進氧氣的再化合。蓄電池內部壓力增加到一定程度時，安全閥自 動打開排氣；而當氣壓將低到規(guī)定限度以下時，安全閥自動關閉。（3）改進的板柵材料。閥控蓄電池的正極板多采用高純度的鉛錘合金制 成，負極板多采用高純度的鉛鈣合金支撐，這樣的結構可減少電腐 蝕的程度。（4）較堅硬的外殼。曲于閥控蓄電池的外殼要承受一定的內部壓力，故 外殼采用高強度耐壓防爆的材料制成，使得外殼更加堅固耐用。（5）不需加水、補酸。閥控蓄電池的閥控密封結構和內部的氧循環(huán)機制 使得其

11、電解液損失小，在使用期間無需加水、補酸。（6）安裝占用空間小，可分層安裝在電池架上或電池屏內。（7）對環(huán)境污染小，運行期間酸霧和可燃氣體逸出少。（8）對使用環(huán)境要求較高，受環(huán)境溫度影響大。4失效的機制閥控蓄電池是一個復雜的電化學體系，其性能和壽命取決于制備電極的材 料、工藝、活性物質的組成和結構、電池運行狀態(tài)和條件等。它的失效因素主 要有如下兒種。4. 1正極板的腐蝕對浮充電使用的電池，板柵腐蝕是限定電池壽命的重要因素。在電池過充 電狀態(tài)下，正負極板上反應如下：正極：2 H：0 f 0 ：+ 4 H' + 4 e負極：Pb + 1/2 0 3+ 2 H + + SOf - PbSO.+

12、 H;0PbSO, + 2 e f Pb + SO.''負極凈反應為：1/2 0： + 2 H' + 2 e- - H：0可見，負極產(chǎn)生水，降低了酸度，而正極反應產(chǎn)生IT,加速了正極板柵的 腐蝕。閥控蓄電池中的電解液固定，在浮充過程中由于氧復合的作用，其浮充 電流高于流動電解液的蓄電池，同時正極的電位也比流動電解液蓄電池中高。 因此對閥控蓄電池來說其板柵腐蝕的問題尤為重要。4. 2水損失閥控蓄電池在使用期間氧復合機制的效率不是100%,山于再化合反應不完 全及板柵腐蝕引起水的損失，當每次充電時，山于產(chǎn)生氣體的速率大于氣體再 化合速率，導致一部分氣體逸出，造成水的損失。閥

13、控蓄電池因為其電解液不 可補充，所以失水也是其特有的失效原因之一。4. 3枝狀結晶生成閥控蓄電池山于電解液不流動所以不易產(chǎn)生枝狀晶體。但當閥控蓄電池處于 過放電狀態(tài)，或長期以放電狀態(tài)放置時，枝狀晶體穿透隔膜的現(xiàn)象仍會發(fā)生。 在這種情況下，負極pH值增加，極板上生成可溶性鉛顆粒，促進板狀結晶生成 穿透隔膜造成極間短路，使電池失效。這種失效電池的電壓為零。4. 4負極板硫酸鹽化負極在電池充、放電中的反應: 放電過程 Pb+ H=SO - 2 H f PbSO.4- 2 H'充電過程 Pb+ 1/2 02+ H：SOs f PbSOt+ H：0由于自化合反應的發(fā)生，無論電池處于充電或放電狀態(tài)

14、，負板總有硫酸鉛 存在，使負極長期處于非完全充電狀態(tài)，形成不可逆硫酸鉛，使電池容量減 少，導致電池失效。閥控蓄電池比防酸隔爆蓄電池更易岀現(xiàn)負極的硫酸化。這 是由于：（1）實現(xiàn)氧循環(huán)而造成的負極板較低的電位；（2）固定的電解液造 成的電解質的分層。4. 5熱失控熱失控是閥控蓄電池所特有的一種失效模式熱，它與閉合氧循環(huán)的機理有 關。水分解為氫氣和氧氣的過程會產(chǎn)生熱量，每18克水分解產(chǎn)生210.6千焦的 熱量。常規(guī)蓄電池在充電時，除了活性物質的再生外，還有電解質中的水電解 生成氫氣和氧氣。氣體從電池內析出的過程中帶走了水電解所產(chǎn)生的熱量。閥 控蓄電池在充電時內部產(chǎn)生的氧氣流向負極，氧氣在負極板使活性

15、物質海面狀 鉛氧化，并有效地補充了電解而失去的水。這樣，雖然消除了爆炸性混合氣體 排出的問題，但這種密封結構使得熱擴散減少了一種重要途徑，散熱只能通過 電池殼壁的熱傳導進行。當VRLA電池工作在浮充或完全再化合模式的過充狀態(tài)時，沒有純化學反 應，兒乎所有過充的能量都轉化成熱能。如果系統(tǒng)周圍環(huán)境能將產(chǎn)生的熱散發(fā) 并達到平衡，那么就沒有熱失控問題。當再化合反應熱量升高率超過了散熱 率，電池的溫度就會升高并且需要更大的電流來維持浮充電壓。而額外的電流 乂引起更多的化合反應和熱量產(chǎn)生，從而進一上使電流溫度升高，并如此往 復。這種純效應加速電池干涸和內部壓力的升高，嚴重時會造成電池熔化或爆 炸起火。熱失

16、控的潛在問題會山于環(huán)境溫度的升高、單體或充電系統(tǒng)的故障而 進一步惡化。因此電池安裝時良好的通風和合適的環(huán)境溫度很重要。為降低發(fā) 生熱失控的風險，充電裝置的浮充電圧應根據(jù)蓄電池的環(huán)境溫度進行溫度補 償。5影響壽命的主要因素有些用戶認為閥控蓄電池是免維護電池，廠家也有類似的誤導宣傳。閥控 蓄電池特有的氧復合機理和閥控密封的結構，雖然在一定程度上減少了它的維 護丄作量，但使得其比防酸隔爆蓄電池在可黑性和魯棒性上有所下降，更容易 受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。過充、過放、滲液、環(huán)境溫度過高、 浮充電壓過高等因素對閥控蓄電池的健康影響更大。5. 1環(huán)境溫度環(huán)境溫度過高對閥控蓄電池使用壽命的影響很大

17、，溫度升高時，蓄電池的 極板腐蝕將加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。閥控蓄電在使 用中對溫度有一定要求。典型的閥控蓄電池高于25 °C時，每升高69 °C,電 池壽命縮短一半。因此，其浮充電壓應根據(jù)溫度進行補償，一般為24 mV/°C,而現(xiàn)有很多充電機沒有此功能。為達到閥控蓄電池的最佳使用壽命，應 盡可能創(chuàng)造恒溫下的使用環(huán)境，同時保持蓄電池良好的通風和散熱條件。具體 來說，安放蓄電池的房間應有空調設備：蓄電池擺放要留有適當?shù)拈g距，改善 電池與環(huán)境媒介的熱交換，電池間保持不小于15mm的間隙，電池與上層隔板間 不小于150mm的間距的“通風道”來降低溫升

18、。5. 2過度充電提升浮充電壓，或環(huán)境溫度升高，使充入電流陡升，氣體再化合效率隨充 電電流增大而變小，如圖1所示，在0. 05C時復合率為90%,當電流在0. 1C 時，氣體再化合效率近似為零。由于過充電將使產(chǎn)生的氣體不可能完全被再 化合，從而引起電池內部壓力增加，當?shù)竭_一定壓力時，安全閥打開，氫氣和 氧氣逸出，同時帶出酸霧，消耗了有限的電解液，導致電池容量下降或早期失 效。其次，在長期過充電狀態(tài)下，IT增加，從而導致正極附近酸度增加，板柵 腐蝕加速，使板柵變薄，加速電池的腐蝕，使電池容量降低，從而影響蓄電池 的壽命。為避免產(chǎn)生多余的氣體，閥控蓄電池對充電機穩(wěn)壓、限流精度提出了 較高的要求。圖

19、一充電電壓和氣體吸收效率間的關系5. 3過度放電或小電流放電蓄電池過度放電主要發(fā)生在交流電源停電后，蓄電池長時間為負載供電。 當蓄電池被過度放電時，會在電池的陰極造成“硫酸鹽化”。因硫酸鉛是一種 絕緣體，它的形成必將對蓄電池的充、放電性能產(chǎn)生很大的負面影響。在陰極 上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內阻越大，電池的充、放電性能就越差，蓄電 池的使用壽命就越短。小電流放電條件下形成的硫酸鉛，要氧化還原是十分困 難的，若硫酸鉛晶體長期得不到清理，必然會影響蓄電池的容量和使用壽命。III 4. 4可知，過度放電或小電流放電對閥控蓄電池的影響比對常規(guī)蓄電池的影 響更大。因此在直流系統(tǒng)交流電源失去后，要嚴密監(jiān)

20、視蓄電池的電壓和電流， 防止閥控蓄電池過度放電。為避免小電流放電，閥控蓄電池不應長期退出系統(tǒng) 運行。6運行維護6. 1核對性充放電核對性充放電能最直接地反映蓄電池的健康狀態(tài)，需要定期進行。對于閥控蓄電池核對性充放電的周期，不同規(guī)程的規(guī)定也不完全相同。IEEE標準1188-2005 （IEEE推薦的對固定使用的閥控蓄電池的維護、試驗和 更換標準）規(guī)定“閥控蓄電池的核對性充放電周期不大于2年，當達到85%的 設計壽命或容量小于90%后每年進行一次容量測試曲”。DL/T724-2000 （電力 系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程）和國家電網(wǎng)公司直流電源 系統(tǒng)管理規(guī)范規(guī)定“新電池安裝后每2-3

21、年進行一次核對性試驗，運行6年 以后的，應每年進行一次”。從筆者對3000余只閥控蓄電池近8年運行數(shù)據(jù) 來看，4年以后容量不滿足要求比率較高，發(fā)生故障的蓄電池中運行4年以上 的占80. 3%o因此，建議4年內每2年進行一次核對性充放電，4年后每年進行 一次核對性充放電；容量小于90%且大于等于80%的蓄電池組應每年進行一次 核對性充放電；容量小于80%的蓄電池組應盡快更換，在更換前應將核對性充 放電周期縮短為3個月至半年。6. 2內阻測試蓄電池的內阻是反映運行中蓄電池健康狀態(tài)（S0H）的一項重要的參數(shù)，內 阻值如明顯的變化，表明單體電池的性能也發(fā)生明顯的變化。在運行中應定期 進行測試，測試周期

22、為一季度到一年。不同的內阻儀器測試的結果偏差較大， 且同一蓄電池內阻進行縱向比較才與SOH有較高的相關性。因此，蓄電池投運 6個月性能穩(wěn)定后應用內阻測試儀記錄蓄電池內阻的原始值作為基準值。在以 后的運行中定期測量蓄電池的內阻并與參考值相比較。當內阻值與基準值偏差 超過30%時就要引起注意，應采用容量測試等更精確的措施來確定蓄電池的 S0H。6. 3均衡充電頻繁進行均衡充電都對蓄電池組不利，具體應遵守制造廠的規(guī)定，還需要 結合蓄電池組的運行狀況，對其當前狀態(tài)進行評估后，確定是否應進行均衡充 電。不建議將直流系統(tǒng)的均衡充電設置為三個月自動進行。對個別落后的蓄電池，應對單電瓶進行均衡充電處理，使其恢

23、復容量，若 處理無效，應更換。不宜采用對整組蓄電池進行均衡充電的方法處理個別落后 蓄電池，防止多數(shù)正常電池被過度充電。6. 4不一致性及其改善措施蓄電池的不一致性是指同一規(guī)格型號的單體蓄電池組成電池組后，其電 壓、荷電量、容量及其衰退率、內阻及其隨時間變化率、壽命、溫度影響、自 放電率及其隨時間變化率等參數(shù)存在一定的差別，其對外表現(xiàn)為串聯(lián)使用時 的單瓶浮充電壓的差別。蓄電池即使成組前經(jīng)過篩選電池的一致性較好，經(jīng)過 一段時間的使用后也會出現(xiàn)差異，其不一致性隨著其單瓶浮充電壓的差別增加 而逐漸加重，呈現(xiàn)惡性循環(huán)，從而造成整組蓄電池壽命的下降。造成蓄電池不 一致的原因主要山電池及電池組設計引起的差異

24、、初期性能的差異、使用過程 中出現(xiàn)的差異等何。傳統(tǒng)的改善蓄電池一致性的方法是整組均衡充電，這種均衡的代價是對電 壓高的蓄電池造成損害，尤其是閥控蓄電池因其貧液結構，易產(chǎn)生失水、熱失 控等現(xiàn)象。對均衡充電的改進的方法是進行單瓶的均衡充電維護，有一定的效 果，但缺點是需要將蓄電池退出系統(tǒng)，操作費時費力且無法根本解決問題。U 前解決運行中蓄電池不一致較先進的的方法是蓄電池的主動均衡技術，其原理 是在蓄電池組加裝均衡器，通過外回路來強制將單瓶的充電電壓差控制一定范 圍內,對2V的蓄電池一般控制在10mV內叭6. 5閥控蓄電池的在線監(jiān)測山前面的討論可知閥控蓄電池的失效模式比常規(guī)電池多，因此對其進行監(jiān) 測

25、的必要性也更加迫切。監(jiān)測裝置對閥控蓄電池的溫度、電壓過高，充電電流 過大，個別電池短路、深度放電時個別電池電壓過低等重要故障應能及時檢測 并發(fā)出告警，以便及時采取措施。隨著蓄電池在線維護技術的發(fā)展，蓄電池監(jiān) 測系統(tǒng)逐漸融合了對蓄電池的維護功能，例如對蓄電池進行容量測試、在線對 蓄電池組進行單瓶的內阻測量、蓄電池的主動均衡等。7. 結論影響閥控蓄電池壽命的因素有很多，主要因素是溫度和充電方式。了解閥 控蓄電池失效的原因和影響其壽命的主要因素，便于我們根據(jù)閥控鉛酸蓄電池 的特點，針對影響閥控蓄電池使用壽命的主要因素，不斷提高維護的水平。通 過檢測和維護，早期診斷來預防閥控蓄電池可能出現(xiàn)的故障，提高變電站直流 系統(tǒng)的運行可靠性。參考文獻：11 Moore, R;Vigil, J;McElroy, S;Tsuchimoto, G Real-Time Expected life and Capacity on VRLA and Flooded Products Unraveling the Predicting CodeC2 Telecommunications Energy Conference, 2004. INTELEC 2004. 2