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铅酸阀控蓄电池基础知识

 tuzhanbei2010 2022-03-22

电池:通过化学反应提供直流电能的电化学装置

  • 一次电池:不可充电,如锌锰、碱性、锂电池
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  • 二次电池:可充电,如铅酸、镍氢、锂离子电池

什么是铅酸电池

什么是铅酸电池

定义:铅酸蓄电池是指正负极活性物质分别是铅和二氧化铅、由硫酸水溶液做电解液的二次电池。

铅酸蓄电池的发展史

  • 1860年 普兰特 发明了铅酸电池
  • 1881年 福莱和布鲁希 发明了涂膏极板
  • 1881年 赛隆 研制成功铅锑合金板栅骨架
  • 1898年 裴利帕特 发明管式极板
  • 1937年 霍尔 用玻璃丝管改进了管式极板
  • 20世纪50年代阀控铅酸电池诞生: 1957年   英国一家公司开发出再化合免维护式汽车电池,德国阳光制成胶体工业电池,日本发明阴极吸收式技术,制成小型密封电池
  • 20世纪70年代 美国盖茨公司把玻璃纤维隔板(AGM隔板)应用于密封铅酸电池
  • 80年代,阀控式密封铅酸蓄电池得到快速发展,为了世界程控数字通讯的需要,日本汤浅 、美国GNB  、德国的阳光都推出了大型电池。
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阀控式密封铅酸蓄电池介绍

阀控式铅酸蓄电池广泛使用的一种铅酸蓄电池,主要特点是:

  1. 电解质吸附于AGM隔板中或者变成胶体状态,内部无游离酸
  2. 每个单体有一个安全阀,大部分时间处于密封状态,内压过大时开阀排气降压
  • 1938年Dassler提出的气体复合原理是VRLA的理论基础
  • 1957年德国阳光公司的胶体(GEL)技术和1971年美国Gates公司的AGM技术是VRLA的实践基础
  • 目前主要有AGM技术和GEL技术两种

阀控式密封铅酸蓄电池的基本结构

电池由外壳、正极、负极、端子、隔板等组成图片

正负极板

  1. 正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2
  2. 负极板上的活性物质为海绵状纯铅(Pb),阀控式密封蓄电池的极板大多为涂膏式,这种极板是在板栅上敷涂由活性物质和添加剂制成的铅膏,经过固化、化成等工艺过程而制成。
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隔板

  1. 阀控式铅酸蓄电池中的隔板材料普遍采用超细玻璃纤维。
  2. 隔板与极板紧密保持接触。它的主要作用有:
  • 吸收电解液;
  • 提供正极析出的氧气向负极扩散的通道;
  • 防止正、负极短路。
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电解液

  1. 铅蓄电池的电解液是用纯净的浓硫酸与纯水配置而成。
  2. 它与正极和负极上活性物质进行反应,实现化学能和电能之间的转换。
  3. 电池中一般加入硫酸比例为1.25-13.35g/ml

安全阀

一种自动开启和关闭的排气阀,具有单向性,内有防酸雾垫。只允许电池内气压超过一定值时,释放出多余气体后自动关闭,保持电池内部压力在最佳范围内。

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壳体

  • 材料应满足耐酸腐蚀,抗氧化,机械强度好,硬度大,水气蒸发泄漏小,氧气扩散渗透小等要求。
  • 一般采用改良型塑料:如 PP、PVC、ABS 等材料。
  • 2V是1个单格,6V有3个单格,12V有6个单格。
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阀控式铅酸蓄电池的命名及术语和符号的介绍

电池命名

我国需电池产品型号,蓄电池行业命名原则由四部分组成:

  • A:蓄电池用途;
  • B:正极板结构;
  • C:蓄电池特性;
  • D:电池额定容量。

图片通常代号字母的含义如下:

  • G—固定式
  • Q—起动型
  • A—干荷式
  • M — 密封式
  • D —电力牵引,电动车用
  • T —铁路客车用

电池术语

  1. 开路电压

电池不充放电时,电池两极之间的电位差被称为开路电压。电池的开路电压,会依电池正、负极与电解液的材料而异,如果电池正、负极的材料  完全一样,那么不管电池体积有多大,几何结构如何变化,其开路电压都一样的。

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  1. 放电电流

电池在连接用电器或带载时产生的电流叫放电电流。

  1. 电池内阻

电流流过电池内部所受到的阻力称之内阻,它包括欧姆内阻和极化内阻,电池的内阻很小,一般用微欧或者毫欧为单位。在一般的测量场合,要求电池的内阻测量精度误差必须控制在正负5%以内,所以必须用专用仪器来进行测量。不同类型的电池内阻不同。相同类型的电池,由于内部化学特性的不一致,内阻也不一样。内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标。正常情况下,内阻小的电池的大电流放电能力强,内阻大的电池放电能力弱。

  1. 放电终止电压

指电池放电时,电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。根据不同的电池类型及不同的放电条件,对电池的容量和寿命的要求也不同,因此规定的电池放电的终止电压也不相同。

  1. 电池容量

电池在放电期间释放出能量,放出能量的大小用容量来标示。

电池容量是电池性能的重要性能指标之一,它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量,即电池的容量,通常以安培、小时为单位(简称AH)。

  1. 恒流充电

电流维持在恒定值的充电叫做恒流充电。这是广泛采用的一种充电方法。蓄电池的初充电,运行中的蓄电池的容量检查,运行中的牵引蓄电池的充电以及蓄电池极板的化成充电,多采用恒流或分阶段恒流充电。

此法的优点是可以根据蓄电池的容量确定充电电流值,直接计算充电量并确定充电完成的时间。

  1. 恒压充电

蓄电池两极间的电压维持在恒定值的充电方式。这也是广泛采用的一种充电方法。电信装置、不间断电源(UPS)等的蓄电池的浮充电和涓流充电都是恒压充电。起动用蓄电池在车辆运行时也处于近似的恒压充电的情况。

其优点是随着蓄电池的荷电状态的变化,自动调整充电电流,如果规定的电压恒定值适宜,就既能保证蓄电池的完全充电,又能尽量减少析气和失水。

  1. 浮充电

将蓄电池和充电装置并联,负荷由充电装置供给,同时以较小的电流向蓄电池充电,使蓄电池经常处于满充电状态。一种连续、长时间的恒电压充电方法。补偿蓄电池自放电损失,并能够在电池放电后较快地使蓄电池恢复到接近完全充电状态,又称连续充电。这种充电方式主要用于电话交换站、不间断电源(UPS)及各种备用电源。浮充就是恒压小电流充电,目的是防止蓄电池自放电, 浮充电就是指将充足电的蓄电池组,与充电设备列运行,浮充电主要由充电设备供给恒定负荷,蓄电池平时不供电,充电设备以不大的电流来补充蓄电池的自放电。

  1. 均衡充电

为确保蓄电池组中所有单体电池的电压、电解液比重达到均匀一致,而采用恒压充电方式,进行的一种延续充电。所谓均衡充电,就是均衡电池特性的充电,是指在电池的使用过程中,因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡,为了避免这种不平衡趋势的恶化,需要提高电池组的充电电压,对电池进行活化充电。均充就是均衡充电,均充电压一般为2.35V(2V单体电池提高到2.35V左右)。一般是在下列情况下蓄电池需要均衡充电。

  • 市电停电后电池释放的能量超过总容量的15%。- 蓄电池长期处于浮充状态(电网稳定,长期不停电)。
  • 电池组中,出现了落后电池,在浮充状态下单体电压低于2.2V,更换新电池后。

符号介绍

C10—10h率额定容量(Ah),数值为1.00C10

C3—3h率额定容量(Ah),数值为0.75C10

C1—1h率额定容量(Ah),数值为0.55C10

Ca—10h率额定容量(Ah)

I10—10h率额定容量(A),数值为0.1C10

I3—10h率额定容量(A),数值为0.25C10

I1—10h率额定容量(A),数值为0.55C10

六、阀控式铅酸蓄电池的特点、工作原理和技术指标

阀控式铅酸蓄电池的特点:

优点:

  • A、电池荷电出厂,安装时不需要辅助设备,安装后即可使用;
  • B、在电池整个使用寿命期间,无需添加水,调整酸比重等维护工作,具有“免维护”   功能;
  • C、不漏液、无酸雾、不腐蚀设备,可以和通信设备安装在同一房间,节省了建筑面积 和人力;
  • D、采用具有高吸附电解液能力的隔板,化学稳定性好,加上密封阀的配置,可使蓄电 池在不同方位安置;
  • E、电池寿命长,25℃下浮充状态使用可达 10 年以上;
  • F、与同容量防酸式蓄电池相比,阀控式密封蓄电池体积小、重量轻、自放电低。
  • G、 具备大电流放电性能

缺点:

  • A:充电制度严格,
  • B:热管理极其严格,最大充电电压差距较大,温度变化需要对充电电压进行调整
  • C:深循环寿命低下,
  • D:容易造成电池早期容量失损

工作原理

  • A、正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2 ),负极板上的活性物质为纯铅(Pb)。
  • B、电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定的比例配制而成。
  • C、正负极板上活性物质的性质不同,当两种极板放置在同一硫酸溶液中时,各自发生不同的化学 反应而产生不同的电极电位。
  • D、玻璃纤维隔板具有高孔率
  • E、化学反应原理图:如下

放电过程

负极:Pb - 2e- = PbSO4

正极:PbO2 + 2e-  + 4H+ = PbSO4 + 2H2O

总反应:Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4  + 2H2O

充电过程
阴极:PbSO4 + 2e- = Pb + 

阳极:PbSO4 - 2e- + 2H2O = PbO2 + 4H+

总反应:2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 +  2H2SO4

氧气循环原理

充电时部分电量用于电解水;充电容量到80%后,该反应加剧氧的复合反应:正极生成的氧气通过AGM隔板的孔隙扩散到负极,与铅反应生成氧化铅,氧化铅和硫酸反应生成硫酸铅和水,硫酸铅经充电变成负极活性物质铅,水则进入电解液。

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蓄电池在放电过程的特点

  • 正、负极板上的活性物质都不断转变为硫酸铅(PbSO4 )。
  • 蓄电池的内阻增加。
  • 电解液的比重逐渐下降,电动势逐渐降低。

蓄电池在充电过程的特点

  • 正极板上的硫酸铅(PbSO4 )逐渐变为二氧化铅(PbO2 )。负极板上的硫酸铅逐渐变为海绵状铅(Pb)。
  • 蓄电池的内阻降低。
  • 电解液的比重逐渐增加,蓄电池的电动势也逐渐增加。

电池的主要性能指标

  • 气密性:蓄电池应能承受50KP正压或负压而不破裂,不开胶,漏气,压力释放后壳体无残余变形。
  • 容量 电池在充满电下,静置1-24小时,在25℃环境下,进行放电,10H(10小时)率,容量应达到C10 ,3H率容量应该达到0.75C10 ,1H率容量应该达到0.55C10。放电终止电压如下表:
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  • 大电流放电性能 以30/10(3倍1C)电流放电3秒,极柱不熔断,内部汇流排不熔断,外观无出现异常,局部无严重发热。此项性能可看出电池的连接好坏或出现开路,防止电池在使用过程中出现爆炸发生火灾。

  • 容量保存率 蓄电池在25℃环境下充满电后,静置28天后,其容量保存率应不低于96%。电池在存放的条件下可看出电池的自放电情况,主要表现在开路电压低,放一段时间带载能力低下,电池在静置状态下,有自放电,电存放在一定周期时需对电池进行补充电,以防止电池存放老化。

  • 密封反应效率 在25℃(±5℃)环境下蓄电池密封反应效率应不低于95%。密封发应效率,电池在充电时产生的氧气复合成水的效率, 此项指标可看出电池失水状况,失水会造成电池容量失损。

  • 防酸雾性能 在正常浮充工作过程中无酸雾逸出酸雾的逸出,会导致大气的污染,和造成设备的腐蚀。

  • 安全阀 安全阀应具有自动开启和自动关闭的功能,其开阀压力应在10kpa-35kpa范围内,  闭阀压力应在3kpa-30kpa范围内,范围越小越好。开阀压力的均匀一性可影响电池浮充电的均匀性。

  • 耐过充电能力 在完全充电的情况下,在25℃±5℃环境中,以0.03C10电流在充电160小时,无漏 液破裂变形,电池在恶劣充电环境的承受能力。

  • 电池一致性 若干单体组组成一体的组成的一体的组合蓄电池,应具备:

    • A、开路电压
      电池间电压最高和最低差值应小于2V(20mv) 、6V(50mv) 、12V(100mv)
    • B、浮充状态电压
      浮充状态下24小时后,电压最高和最低的差值应小于2V(90mv) 、6V(240mv) 、    12V(480mv)
    • C、内阻
      同组蓄电池内阻偏差应不找过15%
    • D、容量一致性
      同组蓄电池10H率容量检测,最大实际容量与最小实际容量应不大于5%。

电池的一致性是电池组的重要参数,如在浮充状态下,有电压偏高的电池,可以看出电池 处于过充电状态,过充电会造成电池内部压力增大,开启安全阀,造成电池失水,同时加速极板的腐蚀,或铅膏的脱落,是电池完全损坏。电压偏低的电池,会长期处于欠充状态,当电池处于欠充电池时,电池在一次放电时,会出现不可转换的PbSO4 ,时间长了在极板的表面形成阻挡层,影响电池的放电性能。主要表现电池组容量低下。电池在成组使用时,电池的一致性相当重要,特别是多组使用时。通讯行业电池标准图片

  • 电池寿命 电池寿命一般称循环寿命,电池在充电后,进行一次放电,形成一次循环。循环寿命一次来表现。
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阀控式铅酸蓄电池寿命的影响因素

放电深度影响

放电深度:放电时,一定条件下电池放出容量的多少,电池放出的容量多,放电深度约大,电池放出的容量小放电深度就越小。放电深度对电池寿命影响主要表现在,放电深度越大相对使用寿命越短,放电深度过大充电后易造成正极板活性物质脱落。

放电DOD循环次数
30%1200
50%500
100%200

充电电压影响

充电电压:通常是设备的设定值,如浮充电压、均充电压。电池组在充电过程中,由于本身存在的差异性,也会出现偏高或偏低现象,当电池充电电压偏低时,电池在充电状态下,会处于欠充电,欠充电是导致负极板硫酸盐化失效的重要原因;当电池充电电压偏高时,电池充饱电后会处于过充电。

过充电电池内部电解液水解,造成电池内部失水,正极板栅腐蚀,缩短寿命,当长时间处于过充电,内部失水严重时,会出现热失控,造成电池鼓胀变形,损坏,铅酸电池在适当条件下,进行过充电有利于延长寿命,均充电是过充电一种方式,均充电必须有时间上的要求。

终止电压影响

指电池放电时,电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值称为终止电压。终止电压的高低直接影响到,铅酸蓄电池的放电深度,在同等条件下电池终止电压越高,电池放深度越小,越低放电深度越深。

环境温度影响

环境温度不仅影响阀控式铅酸蓄电池的容量,而且在浮充状态下影响电池的寿命和存放寿命。当电池在温度偏高时,电池放电容量会高于实际容量,同时放电的深度也会增加,反之,低温是时放电性能会变弱,容量会减少。在存放条件下,温度高自放电大,存储寿命短,温度低,自放电小,存储寿命长。在浮充电状态下环境温度尤其重要,浮充电流随温度的增高而增大,环境温度每增高10℃,浮充电流会增加一倍,寿命会降低一半。

充电电流

电池充电电流大小,范围0.05C-0.3C,电池小电流充电时(小于0.05C)会导致电池充电时间过长或者充不饱和电,电池很容易造成负极板硫酸盐,电池放电后,在没有特殊充电方法的情况下,最好在15小时内完全补电,最适合0.1C充电。当电流用至0.2C-0.25C时,属于对电池快速充电,电池快速充电很容易造成正极板铅粉脱落,和板栅损坏,不建议经常性使用。

电池放电电流大小,直接影响电池的放电深度,电流小时间长电池放电深度就大,电流大放电深度小,电池放电电流超过3C,很容易造成电池损坏,如需大电流放电特殊电池,需在选型时考虑。

电池后备时间计算

电池运输保持

  • 由于有的电池重量较重,必需注意运输工具的选用,严禁翻滚和摔掷
  • 避免蓄电池倒置。
  • 搬运电池时不要触动极柱和安全阀。
  • 蓄电池为带液荷电出厂,运输中应防止电池短路。
  • 电池可在-30~40℃的环境下存放,电池在存放时会产生自放电,对储存期的电池,应定期充电维护。
  • 电池在贮存和运输过程中温度偏高或通风不良会导致自放电增大,因此应保持电池通风良好,并使电池远离明火、火花、热源等。
  • 存放电池时,电池应该处于完全充电状态,存放地干净,防潮防雨防高温,通风干燥环境下保存。

蓄电池使用环境

  • 使用环境温度范围:

    AGM电池:可使用在-15~+40℃ 胶体电池:可使用在-20~+40℃ 在此范围外使用,会促进电池劣化、电池放电能力低下、异常发热、破损及变形。(推荐在温度20-25℃之间使用,电池寿命最长)

  • 附近无明火、火花、热源等;

  • 避开热源和阳光直射的场所;

  • 避开潮湿、可能浸水场所,

  • 避开完全密闭场所。

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