通信用VRLA電池的工作特點
2019-11-03 09:57:29
供稿：網(wǎng)友
1.前言
近年來，隨著通信、能源以及電子技術的高速發(fā)展，要求提供質量更好，使用更方便，維護更簡單的備用電源。VRLA電池因其價格低廉、電壓穩(wěn)定、無污染、無需維護等優(yōu)點，深得通信、電力等領域用戶的青睞。但是，大量用戶由于不能科學掌握蓄電池工作特點，造成了對蓄電池不合理的使用，進而產生了蓄電池的早期容量損失、不可逆硫酸鹽化、熱失控、電解液干涸等問題。這些問題的出現(xiàn)不僅給用戶增添了麻煩，更對蓄電池廠家的產品形象造成了不良的影響。為了用戶能夠更好地使用和維護蓄電池，本文結合YD/T799-1996標準談一下VRLA電池在通信領域的工作特點。
2.VRLA電池工作原理
2.1電池的電化學反應
蓄電池在開路狀態(tài)下，正負極活性物質PbO2和海綿狀金屬鉛與電解液稀硫酸的反應都趨于穩(wěn)定，即電極的氧化速率和還原速率相等，此時的電極電勢為平衡電極電勢。當有充放電反應進行時，正負極活性物質PbO2和海綿狀金屬鉛分別通過電解液與其放電態(tài)物質硫酸鉛來回轉化。最基本的電極反應式為Pb+2H++2HSO4-+PbO2 PbSO4+2H2O+PbSO4(-) (+) (-) (+)
放電過程：蓄電池將化學能轉變?yōu)殡娔茌敵觥ω摌O而言是失去電子被氧化，形成硫酸鉛；對正極而言，則是得到電子被還原，同樣是形成硫酸鉛。反應的凈結果是外電路中出現(xiàn)了定向移動的負電荷。由于放電后兩極活性物質均轉化為硫酸鉛，所以叫“雙極硫酸鹽化”理論。
充電過程：蓄電池將外電路過來的電能轉化為化學能儲存起來。此時，負極上，硫酸鉛被還原為金屬鉛的速度大于硫酸鉛的形成速度，導致硫酸鉛轉變?yōu)榻饘巽U；同樣，正極上，硫酸鉛被氧化為PbO2的速度也增大，正極轉變?yōu)镻bO2。
眾所周知，蓄電池在充放電過程中，電池的電壓會有很大的變化，這是因為正負極的電極電勢離開了其平衡狀態(tài)的電極電勢發(fā)生了極化。鉛酸蓄電池的極化是由濃差極化、電化學極化和歐姆極化三種因素造成的，由于這三種極化的存在，才出現(xiàn)了鉛酸蓄電池使用過程中各種充放電電流和充放電電壓的嚴格設置，以免使用不當，對蓄電池的性能造成較大的影響。
2.2氧循環(huán)原理
普通開口式蓄電池在充電時，電池會生成大量的氣體而導致失水，因而普通開口式蓄電池維護要求中最重要的一條就是定期補加去離子水。而VRLA電池在使用過程中基本上是免維護的，這就要求其在使用過程中不能有水的損失，即不能有氫氧氣體的析出。
對于VRLA電池，板柵材料為高析氫過電位Pb-Ca系列多元合金，電池的負極活性物質相對正極有余，隔膜透氣性好，且能吸附電解液，電池蓋上有自動開閉的限壓析氣閥，基于這些條件，保證由蓄電池在使用過程中，基本上不產生氫氣，并且正極產生的氧氣，能以電池內循環(huán)的方式被陰極吸收，稱為陰極吸收機理。
閥控電池正負極充電接近至完全充電時，電池內部有少許水被電解。氧氣從正極上析出，電極反應式為：4H2O=4H++4OH-4OH-=2H2O+4e+O22H2O=4H++4e+O2(正極析氧總反應)
正極產生的氧氣透過吸液隔膜擴散至負極海面狀金屬鉛的表面與其化合，最終復合成水。其反應歷程為：
(1)從正極析出的氧氣通過隔膜擴散到負極活性物質表面；
(2)氧分子達到負極周圍界面；
(3)氧分子放電而被陰極吸收，其反應的機理和類型有：
a.平行反應2Pb+O2+4H++2SO42-=2PbSO4+2H2O2Pb+O2+2H++SO42-=PbO·PbSO4+H2Ob.4Pb+2O2+SO42-+2H+=3PbO·PbSO4+H2Oc.控制反應
2Pb+O2=2PbO2Pb+O2+2H++2HSO4-=2PbSO4+2H2O上述反應中產物PbSO4再還原金屬鉛：PbSO4+H++2e=Pb+HSO4-若反應的兩個控制步驟具有很大的反應速率，就可以使負極表面在析氫之前，完成氧的復合反應，實現(xiàn)蓄電池密封性和免維護性。
a-b-c反應步驟表明了正極周圍析出的氧氣，理想狀態(tài)可順利擴散到負極變?yōu)楣滔嗟难趸铮笥肿優(yōu)橐合嗨?jīng)歷了一次循環(huán)，之后周而復始的進行氧循環(huán)。結果負極周圍無贏余的氧氣，且由于氧氣在負極的復合又抑制了氫氣的發(fā)生。但是蓄電池在使用過程中，各種反應不可能完全工作在理想條件下，這就要求VRLA電池必須達到一定的密封性。相應地，YD/T799-1996標準中規(guī)定了蓄電池的氧循環(huán)效率不低于95%，并給出了密封反應效率的測量方法和計算公式。
3.充電特性
蓄電池的充電方式有，浮充充電，均衡充電，補充電和循環(huán)充電等多種方式。但通信用蓄電池的充電方式主要是浮充充電和均衡充電兩種方式。為了延長閥控電池的使用壽命，必須了解不同充電方式的充電特點和充電要求，嚴格按照要求對蓄電池進行充電。
3.1浮充充電
通信電源系統(tǒng)采用整流設備和蓄電池組并聯(lián)冗余供電方式。蓄電池組既為備用電源，又可吸收開關整流設備的紋波電流。浮充電流的選擇除維持電池的自放電以外，還應維持電池內的氧循環(huán)。不過浮充電流的數(shù)值除與電池的本身特征有關外，主要受運行時的浮充電壓所決定。
為了使浮充電運行的蓄電池即不欠充電，也不過充電，蓄電池投入運行之前，必須為其設計浮充狀態(tài)下充電電壓和充電電流。依據(jù)YD/T799-1996標準要求：在環(huán)境溫度為時，標準型閥控鉛酸蓄電池的浮充電壓應設置在2.25V，允許變化范圍為2.23-2.27V。實際運行時，還需要根據(jù)環(huán)境溫度的變化來調整浮充電壓，通常的調節(jié)系數(shù)為μ3mV/℃。但絕不是說有了浮充電壓的調節(jié)系數(shù)，電池就可以任意環(huán)境溫度下使用。要知道，溫度低時，由于浮充電壓增大，同樣會引起浮充電流增大，板柵腐蝕加速，壽命提前終止等一系列的問題；而溫度高時，浮充電壓減小，也會形成電池欠充電的一系列問題。
由此可知，閥控鉛酸蓄電池安裝使用時，最好要安裝在裝有空調的、通風條件良好的房間內，同時還要遠里開關整流器等熱源，并且電池多層安裝時，也最好不要安裝在電池柜內，以免影響散熱。
3.2均衡充電
《電信電源維護規(guī)程》規(guī)定，閥控鉛酸蓄電池遇到下列情況之一時，應進行均衡充電：①兩只以上單體電池的浮充電壓低于2.18V；②放電深度超過20%；③閑置不用的時間超過三個月；④全浮充時間超過三個月。YD/T799-1996標準規(guī)定，均衡充電時，通常采用恒壓限流的方式。充電電壓的設置也要根據(jù)電池的結構特點和環(huán)境溫度來確定，環(huán)境溫度為25℃時，單體閥控鉛酸蓄電池的均衡充電電壓應設置在，充電電流應小于0.25C10A，C10為蓄電池10小時率的放電容量。通常，環(huán)境溫度每升高1℃，單體電池的均衡充電電壓應下降。為了延長蓄電池的使用壽命，當均衡充電的電流減小至連續(xù)三小時不變時，必須立即轉入浮充電狀態(tài)，否則，將會嚴重過充電而影響電池的使用壽命。
4.放電特性
蓄電池在出廠之前，都會進行容量試驗，依據(jù)YD/T799-1996標準，進行容量試驗有下列步驟：①先將被試驗電池完全充電；②試驗電池靜置1-24h，使電池表面溫度達到25±5℃；③固定型閥控密封鉛酸蓄電池采用0.1C10電流，連續(xù)對負載恒流放電，放電過程中定期測試電池端電壓；電池端電壓到達1.80V/Cell時為放電終止。最后累積放電量達到100%即為合格。但是蓄電池在通信電源系統(tǒng)中是作為備用電源使用的，這就要求蓄電池在市電中斷后，能立即轉入放電狀態(tài)，以保證直流電源不間斷，因而蓄電池的事故性放電使用更為重要。對于蓄電池來說，放電終止的依據(jù)是電池的端電壓，而在通信電源系統(tǒng)中，開關整流器通常都將蓄電池組的放電終止電壓設置在43V，單體電池的終止電壓約為1.80V。但是蓄電池的端電壓是與電池正負極的三種極化密切相關的，終止1.80V/Cell的設置是針對大約0.1C10左右的放電速率而定的。由于極化的存在，隨著放電速率的減小，伴隨著放電電流的減小，放電終止電壓也應該越來越高，否則極有可能導致蓄電池的過放電。在通信領域中，蓄電池的放電速率大都在0.02-0.05C10這個范圍內，這就要求開關整流器將放電的終止電壓設置在單體電壓1.90V左右，否則蓄電池將會出現(xiàn)不可逆硫酸鹽化，壽命提前終止等災難性事故。
5.結束語
在對VRLA電池的使用過程中，壽命達不到設計壽命的原因是多方面的，為避免不必要的損失，了解蓄電池的工作特點，保證通信用蓄電池在使用過程中的使用條件是必要的，也是必須的。
摘自《國際電源商情》
