船用VRLA電池的失效分析與維護

宋政昌

摘 要：由于航區(qū)變化、機艙溫度高、搖晃、震動等因素，船用VRLA電池的使用壽命遠低于設(shè)計壽命。通過研究和實踐發(fā)現(xiàn)，正確的維護和使用可以大大延長其壽命。結(jié)合VRLA電池的工作原理和失效分析，提出船員在日常維護和使用中常被忽視但卻至關(guān)重要的幾個方面。

關(guān)鍵詞：熱失控 階段充電 維護 壽命

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）007-026-02

蓄電池在船舶上有極其重要的應(yīng)用，包括作為無線電的備用電源、應(yīng)急柴油機的啟動電源、為低壓設(shè)備及燈光信號設(shè)備供電等。由于閥控式鉛酸蓄電池（VRLA電池）體積小、重量輕、自放電少、維修工作少、壽命長等優(yōu)點，發(fā)明后得到各船東的親睞，并很快取代了傳統(tǒng)的防酸隔爆式蓄電池。然而在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，由于船舶環(huán)境特殊和使用方法等因素，其壽命明顯小于設(shè)計壽命。本文從VRLA電池的工作原理出發(fā)，分析其失效機理并提出日常使用與維護中應(yīng)該注意的問題，以期最大限度地延長VRLA電池的使用壽命。

1 VRLA電池的組成和工作原理

VRLA電池主要由極板、隔板、電解液、安全閥等元件組成。正極板柵架采用鉛鈣合金或底銻合金以減小腐蝕；負極板柵架用鉛鈣合金，可以提高析氫電位；隔板采用超細的玻璃纖維，可以防止活性物質(zhì)脫落及短路；安全閥有防止水分散失的作用。

與防酸隔爆式電池相似，它的充放電化學(xué)反應(yīng)方程式是

充電生成的PbSO4會沉淀在負極上，放電時負極生成海綿狀的鉛，正極生成PbO2。在充電接近終了時，會有水被電解，此時電池內(nèi)部即會產(chǎn)生氣泡。VRLA電池負極的PbSO4含量比正極的多，在充電時，正極的PbSO4全部轉(zhuǎn)化為PbO2之后才始產(chǎn)生O2，此時負極仍然可以生成鉛。它采用的貧液緊裝技術(shù)可以使正極產(chǎn)生的O2很容易到達負極，與Pb反應(yīng)生成PbO2，并進一步與H2SO4反應(yīng)，生成PbSO4。因此，理論上負極的PbSO4永遠不會消耗完，也不會產(chǎn)生H2，但實際上，由于受到環(huán)境溫度、充放電不當?shù)纫蛩氐挠绊懀_不到這種理想化的狀態(tài)。

2 船用VRLA電池的失效機理分析

VRLA電池失效的原因很多，并且船舶環(huán)境復(fù)雜多變，故而VRLA電池在船舶上的主要失效形式包括熱失控、失水、板柵腐蝕、短路、硫酸鹽化、極板腐蝕等。

2.1 熱失控

環(huán)境溫度對VRLA電池的容量影響最為明顯。由于船舶在不同的航區(qū)溫差變化較大，機艙和甲板的溫差大等特點，使得VRLA電池的工作環(huán)境惡劣，是使用壽命減短的主要原因。

電池的使用壽命與溫度的關(guān)系是，其中：T為環(huán)境溫度，E為電池的活化能，K為波茲曼常數(shù)，A為常數(shù)。據(jù)此可知，電池在22℃～25℃的環(huán)境中使用年限最長，性能也最穩(wěn)定。環(huán)境溫度過高或過低對VRLA電池的使用都不利。在低溫環(huán)境中，電解液的活性降低，粘度變大，電池內(nèi)阻升高，容量降低；環(huán)境溫度過高或者充電電流過大時，電解液的溫度升高，內(nèi)阻隨之降低，同時內(nèi)阻降低又會使充電電流變大，如此循環(huán)，電池的壽命會迅速下降。

在船舶上，作為小應(yīng)急照明用的VRLA電池一般存放在專用電池間，通風較差；而作為啟動用的VRLA電池一般存放在機艙，由于主機運行和航區(qū)變化，環(huán)境溫度有時可以高達50℃。充電時，電解液內(nèi)分子運動劇烈，會使電池發(fā)熱，溫度更高，導(dǎo)致極板的活性物質(zhì)脫落嚴重，影響使用壽命。

2.2 失水

在船舶上，蓄電池失水的原因主要有以下幾個方面：（1）電池密封不嚴，致使氧不能全部到達負極與鉛反應(yīng)，而是經(jīng)由安全閥逸出；（2）排氣閥壓力設(shè)計不當，經(jīng)常動作而失水。船舶航行時，由于船體搖晃和軸系震動等給蓄電池造成影響，使電解液溢出，嚴重時會造成極柱腐蝕和短路；（3）正極板柵腐蝕而失水；（4）維護過程中發(fā)生過充電，電解液中的H2O發(fā)生電解反應(yīng)，生成氣體逸出；（5）自放電造成的失水。

2.3硫酸鹽化

從蓄電池的化學(xué)反應(yīng)式可以看到，在放電時，正負極都生成了PbSO4。正常工作時，負極會產(chǎn)生小顆粒的PbSO4，充電時隨即轉(zhuǎn)化為海綿狀的鉛。但是，電池在長期存放、經(jīng)常過放電、長期充電不足時，會形成粗大堅硬的PbSO4顆粒，并附著在負極上，不但使活性物質(zhì)減少，而且阻礙了電解液和深層活性物質(zhì)的接觸，致使電池容量下降。

2.4 短路

VRLA電池的正負極板是由超細波纖維制成的，具有防止活性物質(zhì)脫落和短路的功能，但是如果裝配不當或者晶枝穿透，則正負極極板相連，發(fā)生短路，并且玻璃纖維也不能完全阻止活性物質(zhì)的脫落，脫落的活性物質(zhì)游離在電池內(nèi)部，在充放電過程中逐步沉淀在極群正負極板的板耳和側(cè)面之間。

2.5 板柵腐蝕

現(xiàn)在使用的VRLA電池板柵大多由鉛合金制成，雖然具有很強的抗腐蝕能力，但是長期侵在H2SO4的環(huán)境中，腐蝕任然不可忽視。失水會直接導(dǎo)致電解液的比重變大，酸性加強，使極板的環(huán)境惡化。正極板柵抗腐蝕能力的強弱與板柵合金的成分和板柵性能有很大關(guān)系，采用低銻銀系列耐腐蝕正極板柵可以大大減小腐蝕對電池的影響。

3 VRLA電池的維護保養(yǎng)

在使用過程中，注意蓄電池的維護和保養(yǎng)可以大大延長其使用壽命，提高資源的利用率，節(jié)省成本。在船舶上，除了按照規(guī)定的程序進行維護保養(yǎng)以外，還應(yīng)當注意以下幾個方面。

3.1選擇合理的充電方法

船上循環(huán)使用的VRLA電池可用的充電方式有浮充充電、恒壓充電和階段充電方法三種，此外還有恒流充電、均衡充電等。

恒流充電原理簡單，易于操作，只需要改變充電裝置的端電壓或者給蓄電池串聯(lián)一個分壓電阻，通過改變阻值大小來控制充電電壓。但是，這種充電方法也有其明顯的缺點。在蓄電池快充滿時，充電電流大部分被水電解消耗，造成電池失水，容量降低，使用壽命變短。恒壓充電即保持充電電壓不變進行充電，這種充電方式在充電開始時，充電電流不受控制，遠遠超過最佳充電電流而發(fā)熱，嚴重時會造成極板脫落。

船舶上一般采用階段充電的方法，以避免恒壓充電和恒流充電的缺點。其充電流程是先采用恒流充電，使電池電壓升高到一定值之后再換用恒壓充電。

分析曲線可以知道，充電電流先保持不變，而電壓持續(xù)升高，當電壓達到一定值之后，基本保持不變，電流開始降低。圖上電流與電壓相較于A點，在A點之前是恒流充電，A點之后是恒壓充電。分析蓄電池充電曲線可以發(fā)現(xiàn)，要保證VRLA電池充滿電，就必須保證充電電壓高于滿電電壓，一般需超過35%。以啟動用的VRLA電池為例，它的滿電電壓是24V，按35%計算，電源電壓至少需要32.4V才能保證充足，但是船上充電使用的發(fā)電機只能提供29V左右的電壓。為了防止蓄電池不至于長期在虧電狀態(tài)下工作而發(fā)生硫化，一般每個月都需要進行一次補充充電。

采用階段充電方式的優(yōu)點主要有以下幾個方面：

（1）充電初期和末期的充電流小，故氣體的產(chǎn)生量少，降低了失水對蓄電池壽命的影響。

（2）充電電流隨著電池電量的增加而降低，避免了恒壓充電在充電初期和恒流充電在充電后期電流過大對蓄電池造成不利影響。

（3）可以保證電池完全充足，充電徹底且安全。

3.2 合理的放電操作

VRLA電池的容量隨著放電倍率的增大而降低。主要原因在于高倍率放電時，生成的PbSO4晶粒較大，附著在電極上，阻隔海綿狀的鉛與H2SO4液體的接觸，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率減弱。并且高倍率放電時，生成的大顆粒PbSO4晶體在充電時不容易轉(zhuǎn)化成海綿狀的鉛，假如長期充電不徹底，極容易導(dǎo)致容量降低甚至失效。高倍率放電會使負極匯流排的溫度升高，并且溫度不均勻，極易造成局部腐蝕。因此，應(yīng)當減小放電倍率，避免長時間大電流的放電。

3.3 控制環(huán)境溫度

由2.1的分析可以知道，VRLA電池在25℃的環(huán)境下狀況最佳，超過25℃時，每升高8.3℃，電池的使用壽命就會縮短50%，但是在船上很難得到這個樣一個最佳溫度，建議采用溫度補償?shù)姆绞匠潆姟Ｔ诃h(huán)境溫度較高的情況下，可以采用“降壓充電”的方法，避免充電電流過大引起發(fā)熱或者極板斷裂；在環(huán)境溫度較低的情況下，可以采用“升壓充電”的方法，以避免由于電池內(nèi)阻增大而造成充電不足現(xiàn)象。

3.4 禁止新舊電池的混用

新舊電池混用容易使新電池提前報廢。為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，新舊電池必然以并聯(lián)的方式接入電路，但是根據(jù)Kirchoff 第二定律，在放電時，舊電池電壓下降要比新電池快，放電到一定時間后時，舊電池反而成了耗電裝置，會使新電池的放電倍率增大。并且舊電池的自放電嚴重，混用時新電池始終處于放電狀態(tài)；充電時，舊電池充足的速度要比新電池快，會提前達到滿電電壓，但是新電池尚未充足。因此，混用會使新電池長期處于虧電狀態(tài)，造成硫化故障，得不到合理使用。除了不能新舊電池混用之外，還應(yīng)當及時檢查每組電池中單節(jié)電池的電壓，以便及時發(fā)現(xiàn)提前衰退的電池并作出相應(yīng)的處理。

4 結(jié)束語

VRLA電池被稱作免維護蓄電池，但是在實際使用中逐漸發(fā)現(xiàn)，合理的維護對延長使用其壽命，保證運行的可靠性十分必要。本文討論了船用VRLA電池失效的常見模式和比較常規(guī)的維護保養(yǎng)辦法，由于蓄電池技術(shù)飛速發(fā)展，對于它的維護保養(yǎng)要求也在不斷進步。

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