鉛酸蓄電池的工作原理與維護方法

姜俊斐

（中國民用航空呼倫貝爾空中交通管理站，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021008）

0 前言

目前，各個領(lǐng)域的供電系統(tǒng)正在大量的采用不間斷電源UPS（Uninterruptible Power Supply）供電，防止因市電突然斷電而影響后端用電設(shè)備的正常工作。在一個不間斷電源（UPS）系統(tǒng)中，蓄電池是這個系統(tǒng)的支柱，UPS逆變器在市電異常時將蓄電池的化學能變成交流電能輸送出去，從而使后端用電設(shè)備得以連續(xù)運行下去。因此，了解鉛酸蓄電池的工作原理，正確使用與維護鉛酸蓄電池，對延長蓄電池的使用壽命，確保蓄電池的可用性和可靠性起著重要的作用。

1 鉛酸蓄電池工作原理

蓄電池是一種能提供直流電的裝置或系統(tǒng)，它可以將化學能、熱能、光能等各種形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。本文就目前使用比較普遍的閥控式密封鉛酸蓄電池進行介紹。

鉛酸蓄電池是由殼體、隔板、極板、柵格、電解液（硫酸）和不同的封閉形式構(gòu)成。當蓄電池充滿電荷時，極板呈二氧化鉛和絨狀鉛，電解液的濃度達到最高點。隨著放電結(jié)束，極板上形成硫酸鉛，而電解液的濃度下降到最低。鉛酸蓄電池在充放電過程中電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)的化學方程式是：

綜上所述，正極產(chǎn)生的氧氣可在負極形成逆反應(yīng)并還原成水，避免蓄電池內(nèi)部能量的損失，所以，為保證上述反應(yīng)的體系能夠充分發(fā)揮作用，電池被設(shè)計成為密封結(jié)構(gòu)，也就是常說的閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA蓄電池）。

2 VRLA蓄電池性能分析

2.1 容量特性

VRLA蓄電池的容量標稱值以安時數(shù)（Ah）表示，它是放電電流和電池放電到規(guī)定終止電壓的時間的乘積。其安時數(shù)越大，它的電容量也就越大。但是對每一塊使用中的蓄電池來說，它的Ah數(shù)都不是一個固定的值，因為標稱值是指定在0.1倍標稱值（放電指數(shù)0.1C）的電流強度下放電得到的容量值。例如，100Ah的蓄電池按100×0.1=10A放電到10小時終止，即10A×10h=100Ah。而當放電電流強度小于或者大于此指定電流，到放電終止那一刻的Ah數(shù)往往大于或者遠遠小于標稱值，這是由VRLA蓄電池的自身設(shè)計性能決定的。下面以某廠家提供的12V電池技術(shù)參數(shù)進行說明，由放電特性曲線可以看出同樣一塊100Ah的蓄電池用放電指數(shù)3C即300A放電，到規(guī)定的放電終止電壓僅僅6分鐘，放出的電量只有300A×0.1h=30Ah，也就是說充滿電以后的蓄電池在這種狀況下只能放出30%的容量！這種狀況是由于過大的放電電流導(dǎo)致極板迅速硫化，從而使電池內(nèi)阻猛增、電壓急劇下降造成的，如圖1所示。

圖1 12V VRLA蓄電池放電特性曲線

2.2 充放電特性及環(huán)境因素

蓄電池的充、放電也有其自身的規(guī)律，仍以某廠家提供的12V電池技術(shù)參數(shù)進行說明。25℃時，12V系列蓄電池浮充充電電壓為14.4-15.0V/只，初始充電電流為0.1CA（10A），充電24小時即可充足,電池在充電末期，充電電流值連續(xù)3h無變化，表明電池已充足電。以100%放電（上次儲存的電量完全放光）的蓄電池為例，最初的充電電流規(guī)定小于等于0.1CA，例如對于100Ah的蓄電池的充電電流為10A。此階段蓄電池電壓逐漸升高，8小時后蓄電池電壓基本達到最大。但是此時充入的電量還不到80%，想要充滿至少還要繼續(xù)小電流充電16小時！如果此后的充電電流不是足夠小，極板和電解液之間的表面就會形成高濃度硫酸層，導(dǎo)至蓄電池電壓虛高，無法充滿，如圖2所示。

圖2 12V VRLA蓄電池充電曲線

電池的充電和放電是一個化學反應(yīng)和還原的過程，這個過程不僅相對緩慢，而且還受周圍環(huán)境溫度變化的影響。溫度低，蓄電池的放電容量??；溫度高，蓄電池的放電容量大，但溫度過高會嚴重損壞蓄電池壽命，所以一般VRLA蓄電池的最佳工作溫度為20-25℃，如圖3所示。

圖3 12V VRLA蓄電池不同溫度下的放電特性曲線

2.3 使用壽命

蓄電池的使用壽命一般可簡單的定義為：蓄電池衰老到原有容量的80%即為壽命終止。電池維護規(guī)程中規(guī)定，當電池容量小于額定容量的80%時，該電池可以申請報廢。否則當電池容量不足，且維護人員對該電池的性能沒有明確了解時，一旦交流停電就很容易造成用電系統(tǒng)供電中斷的事故。VRLA蓄電池的設(shè)計壽命一般大于5年，最長可達到20年，但是環(huán)境的變化、使用不當?shù)确N種因素都會直接影響蓄電池的效率和壽命。

3 蓄電池的使用和維護

由前文所述，影響蓄電池使用壽命的因素除生產(chǎn)工藝外，電池的合理使用和維護對電池的效率和壽命也有直接影響，筆者就工作中一點淺薄的經(jīng)驗和看法作以闡述，供同行參考。

3.1 保持機房環(huán)境溫度的適宜性

影響蓄電池使用壽命的重要因素是環(huán)境溫度，一般電池生產(chǎn)廠家要求的最佳環(huán)境溫度是20－25℃。雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高，但付出的代價卻是電池的壽命大大縮短。環(huán)境溫度一旦超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。這是由于環(huán)境溫度的提高，會導(dǎo)致電池內(nèi)部化學活性增強，產(chǎn)生大量的熱能，從而又會促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，會加速縮短電池的壽命。低溫下鉛酸電池內(nèi)阻值明顯增加，嚴重降低放電容量，特別是大電流放電性能嚴重縮短，因此為獲得蓄電池的最佳容量和較長的使用壽命，應(yīng)盡可能的保持機房溫度在20-25℃。

3.2 建立健全蓄電池使用與維護措施

UPS電源中的浮充電壓和放電電壓，在出廠時均已調(diào)試到額定值，而放電電流的大小是隨著負載的增大而增加的，一般要求不大于2C，如100Ah的電池放電電流應(yīng)不大于20A，故使用中應(yīng)合理調(diào)節(jié)負載。一般情況下，負載不宜超過UPS額定負載的60%，在這個范圍內(nèi)，電池的放電電流就不會出現(xiàn)過度放電；UPS因長期與市電相連，在供電質(zhì)量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中，蓄電池會長期處于浮充電狀態(tài)，日久就會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的硫酸鉛，并吸附到蓄電池陰極上，形成所謂的陰極“硫酸鹽化”，結(jié)果造成了電池內(nèi)阻增大，電池化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的活性降低，加速老化而縮短使用壽命。因此建議每季度或半年放電一次，放出額定容量的30%-40%，放電過程中記錄電池單體電壓和電池組總電壓變化情況，并及時處理故障單體電池。

3.3 定期對電池組性能進行評估

整組蓄電池中若有個別電池失效，那么恒電流充電時可能會導(dǎo)致以下兩種結(jié)果：一是電壓會迅速升高，即在整組電池尚未充足電時失效電池已處于過充電狀態(tài)，并導(dǎo)致整組電池充電電壓升高；二是會引起整組電池充電電流下降，延長充電時間。若個別電池出現(xiàn)內(nèi)部短路時，其充電電壓就低于其他電池，當整組電池已充足電時，該落后電池卻尚未充好。長此下去就會出現(xiàn)惡性循環(huán)，影響整組電池性能。因此，在日常維護中，要做好整組電池合單體電池的性能分析。

4 結(jié)束語

綜上所述，蓄電池的容量和使用壽命除設(shè)計因素外，主要還與充放電和溫度控制等因素有關(guān)，不合理的充放電和不適宜的環(huán)境溫度，易造成部分電池出現(xiàn)故障，在市電中斷時不能及時為后端用電設(shè)備提供供電保證。因此，蓄電池使用和保養(yǎng)中，要做好蓄電池的日常運行維護，定期進行活化充放電，嚴格控制好蓄電池運行溫度，做好蓄電池故障分析以及發(fā)現(xiàn)問題及時處理等，保證供電系統(tǒng)的安全運行。

［1］李理.閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理及使用維護[J].武警工程學報,2005(5).

［2］毛玉生.鉛酸蓄電池使用保養(yǎng)與維護[J].經(jīng)濟研究導(dǎo)刊，2011(12).

［3］陳達明.閥控式密封鉛酸蓄電池的應(yīng)用與維護[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2000(6).