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      铅酸蓄电池的结构与维护_化学_自然科学_专业资料。铅酸蓄电池的结构 与维护 伦国瑞 2010年11月 学时:6学时 主要内容: 铅酸蓄电池概述 铅酸蓄电池使用维护 供电系统中蓄电池的地位 第一章 铅酸蓄电池概述 一、蓄电池基念知识 1、基本定

      铅酸蓄电池的结构 与维护 伦国瑞 2010年11月 学时:6学时 主要内容: 铅酸蓄电池概述 铅酸蓄电池使用维护 供电系统中蓄电池的地位 第一章 铅酸蓄电池概述 一、蓄电池基念知识 1、基本定义 ?电能可由多种形式的能量变化得来,其中把化 学能转换成电能的装置叫化学电池,一般简称 为电池,电池有原电池和蓄电池之分。 ?放电后不能用充电的方式使内部活性物质再生 的叫原电池,也称一次性电池。 ?放电后可以用充电的方式使内部活性物质再生, 把电能储存为化学能,需要放电时再次把化学 能转换为电能的电池,叫蓄电池,也称二次电 池。 2、常用技术术语 ? 充电:蓄电池从其它直流电源获得电能叫做充电。 ? 放电:蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。 ? 浮充放电:蓄电池和其他直流电源并联,对外电路输 出电能叫做浮充放电。有不间断供电要求的设备,起 备用电源作用的蓄电池都处于该种放电状态。 ? 电动势:外电路断开,即没有电流通过电池时在正负 极间量得的电位差,叫电池的电动式。 ? 端电压:电路闭合后电池正负极间的电位差叫做电池 的电压或端电压 ? 安时容量:电池的容量单位为安时,即: 电池容量Q(安时)=I放×t放 I放为放电电流(安) t放为放电时间(小时) ? 电量效率(安时效率):输出电量与输入电量之间的 比叫做电池的电量效率,也叫作安时效率。 电量效率(%) =(Q放÷Q充)×100% =(I放×t放)÷(I充×I充)×100% Q放和Q充:分别是放电和充电容量(安时) ? 自由放电:由于电池的局部作用造成的电池容量的消 耗。容量损失搁置之前的容量之比,叫做蓄电池的自 由放电率 自由放电率(%)= (Q1-Q2)÷Q1×100% Q1为搁置前放电容量(安时) Q2为搁置后放电容量(安时) ? 使用寿命:蓄电池每充电、放电一次,叫做一次充放 电循环,蓄电池在保持输出一定容量的情况下所能进 行的充放电循环次数,叫做蓄电池的使用寿命。 二、铅酸蓄电池的工作原理 电池表达式: (?) Pb H2SO4 PbO2 (?) 电池的化学反应: Pb + PbO2 +2H2SO4 2PbSO4 +2H2O ? 放电时正极1mol的二氧化铅,负极1mol的海绵 状纯铅,同时有2mol的硫酸参与反应。 ? 放电时,正极二氧化铅(Pbo2)变成硫酸铅 (PbSO4),负极由海绵状纯铅(Pb) 变成硫酸铅 (PbSO4)。 ? 充电时,正极由硫酸铅(PbSO4)转化为二氧化铅 (Pbo2),负极由硫酸铅(PbSO4)转化为海绵状纯 铅(Pb)。 上式中的水被分解:2H2O=2H2 +O2 因此,这种电池有大量的氢与氧析出。 1、蓄电池的放电过程 充电 状态 溶解 电离 输出 电流 放电后 生成物 PbO2 2H2SO4 Pb4++ SO42- +SO42- +2 H2O 2e Pb2+ 2e Pb Pb2++2e PbSO4 正极板 2 H2O 电解液 PbSO4 负极板 蓄电池的放电过程说明 ?若将蓄电池与外电路的负荷接通,电动势使电路内产生电 流。电子e从负极板经过外电路负荷流向正极板。 ?正极板处: Pb4++ 2e Pb2+ Pb2++ SO42- PbSO4(沉附在正极板上) ?负极板处: Pb2++ SO42- PbSO4 (沉附在负极板上) Pb Pb2+ +2e (Pb继续溶解) ?外部电路继续流通,正负极板上的活性物质PbO2 和Pb不 断转化为PbSO4 ,电解液中的硫酸逐渐减少,水增多。 2、蓄电池的充电过程 放电 状态 溶解 电离 输入 电流 充电后 生成物 PbSO4 充电电源 2 H2O 2e PbSO4 Pb2++ SO42- SO42- +Pb2+ 2e Pb4+ 2e 2 H2O PbO2 2H2SO4 正极板 电解液 Pb 负极板 蓄电池的充电过程说明 ?若将蓄电池直流电源接通,当电源电压高于蓄电池的电动 势时,电源力使电子e从正极板经过外电路流向负极板。 ?正极板处: PbSO4 Pb2+- 2e Pb2++ SO42Pb4+ Pb4++2SO42-+2H2O PbO2 +2H2SO4 ?负极板处: PbSO4 Pb2+ + 2e SO42-+2H+ Pb2++ SO42Pb H2SO4 三、铅酸蓄电池 1、定义 铅酸蓄电池是是蓄电池的一种,主要特点是采用稀 硫酸做电解液,用二氧化铅和绒状铅分别做为电池的正 极和负极的一种酸性蓄电池。 2、分类: ?工业蓄电池分为两类: ?一类为深循环使用的蓄电池。以深循环次数表示其使 用寿命,一般可达1200次以上; ?另一类为浮充使用的“备用电源”蓄电池。其使用寿 命可达10~12年,甚至更长。一般地,蓄电池只有80% 容量时就认为寿命终止。 三、铅酸蓄电池 ?常用的蓄电池一般分为三类: ?普通铅酸蓄电池:电极板由铅和氧化铅构成,电解液 是稀硫酸。主要优点是电压稳定,价格低廉。缺点是比 能低,使用寿命短,维护频繁。 ?干式荷电畜电池:特点是负极有较高的储电能力,在 完全干燥状态下能在两年内保存所得的电能,使用时只 需加入电解液,等待20~30分钟就可使用; ?阀控密封式铅酸蓄电池:密封结构,盖子上设有单向 排气阀。当蓄电池内部气体量超过一定值时,排气阀自 动打开,排出气体,然后自动关闭,防止空气进入蓄电 池内部。 ?按我国有关标准规定主要蓄电池系列产品有: ?固定型防酸式蓄电池(GF):主要用于通讯、发电厂、 计算机系统作为保护、自动控制的备用电源。 ?牵引型蓄电池(D):主要用于各种蓄电池车、叉车、 铲车等动力电源。 ?起动型蓄电池(Q):主要用于汽车、拖拉机、柴油 机船舶等起动和照明。 ?铁路客车用蓄电池(T):主要用于铁路客车照明和 车上电器设备。 ?内燃机车用蓄电池(N):主要供内燃机车启动和照 明用。 ? 摩托车蓄电池(M):主要用于各种规格摩托车起动 和照明。 ? 航空用电池(HK):用于飞机启动、照明、通信。 ? 潜艇用电池(JC):用于潜艇水下航行的动力、照 明、电器设备。 ? 坦克用电池(TK):用于坦克的启动、用电设备、 照明。 ? 矿灯用电池(K):供井下矿工安全帽上的矿灯照明。 ? 航标用电池(B):航道夜间航标照明。 ? 其他用途电池:大小容量不一,放电率多样,如摄 像机、闪光灯、应急灯、风力发电电能储存等。 3、产品型号含义: ? 根据JB2599-85部颁标准,我国铅酸电池型号分为 三段,其安排和含义如下: 串联的单体电池数—电池的类型和特征—额定容量 ? 当电池数为1时,称为单体电池,第一段可以省略。 ? 电池的类型是根据主要用途划分,代号用汉语拼音 第一个字母,如下表: 汉语拼音字母 Q G 表 D 示 N 电 T 池 用 M 途 KS 的 JC 字 母 B TK S 含义 启动用 固定用 电池车 内燃机车 铁路客车 摩托车用 矿灯酸性 舰船用 航标灯 坦克 闪光灯 汉语拼音字母 A F 表 FM 示 W 电 J 池 特 D 征 J 的 Q 字 母 H B Y 含义 干荷电式 防酸式 阀控式 无需维护 胶体电液 带液式 激活式 气密式 湿荷式 半密闭式 液密式 例:6QA-120 表示有6个单体电池(12伏),启动 用电池,装有干式荷电击板,额定容量 为120安时。 4、铅酸蓄电池的发展历史和趋势 发展历史:涂膏式极板、铅锑板栅合金、管状电极、铅 钙板栅合金、胶体电解液及阀控式铅酸蓄电池 发展趋势: 1. 要求蓄电池是免维护型的,更便于使用; 2. 进一步提高电池的比能量; 3. 进一步提高电池的比功率; 4. 进一步提高电池的循环寿命。 5、铅酸蓄电池的优缺点: 优点: 1. 原料易得,价格相对低廉; 2. 高倍率放电性能良好; 3. 温度性能良好,可在-40~+60℃的环境下工作; 4. 适合于浮充电使用,使用寿命长,无记忆效应; 5. 废旧电池容易回收,有利于保护环境。 缺点: 1. 比能量低,一般为30~40Wh/kg; 2. 使用寿命不及Cd/Ni电池; 3. 制造过程容易污染环境,必须配备三废处理设备。 6、基本构造: (1)极板 ? 铅酸蓄电池的极板,依构造和活性物质化成方法,可 分为四类:涂膏式极板,管式极板,化成式极板,半 化成式极板。 ? 涂膏式极板(涂浆式极板)由板栅和活性物质构成的。 ? 板栅的作用为支承活性物质和传导电流、使电流分布 均匀。 ? 板栅的材料一般采用铅锑合金,免维护电池采用铅钙 合金。 ? 正极活性物质主要成份为二氧化铅(PbO2), 棕红色; 负极活性物质主要成为绒状(海绵状)纯铅,深灰色。 注意:负极板比正极板多一块。 极板组 (2)隔板 隔板是由微孔橡胶、颜料玻璃纤维等材料制成的,在 正、负极板间起绝缘作用,可使电池结构紧凑,它的主要作 用是: 防止正负极板短路。 隔板有许多微孔,让电解液畅通无阻,使电解液 中正负离子顺利通过。 阻缓正负极板活性物质的脱落,防止正负极板 因震动而损伤。隔板一面平整,一面有沟槽, 沟槽面对着正极板。当正极板上的活性物质PbO2 脱落时能迅速通过沟槽沉入容器底部。 要求隔板要有孔率高、孔径小、耐酸、不 分泌有害杂质,有一定强度,在电解液中电阻 小,具有化学稳定性的特点。 (3)电解液 ?电解液是蓄电池的重要组成部份,它的作用是 传导电流和参加电化学反应; ?电解液是由浓硫酸和净化水(去离子水)配制 而成的,电解液的纯度和密度对电池容量和寿 命有重要影响; ?比重一般在1.24~1.30g/ cm3之间。 例如:汽车用铅酸蓄电池采用电解液密度为 1.280±0.005g/cm?(25℃)稀硫酸。 (4)电池壳、盖 电池壳、盖是装正、负极板和电解液的容器,一 般由塑料和橡胶材料制成。外壳上有链条和加液孔。 (5)附件 联条:串联各单格电池 , 材料为铅。 加液孔盖:( 注意孔盖上小孔的作用) 蓄电池的每一个单格都有一个加液孔,为加注电解 液和检测电解液密度所用,孔盖上有通气孔,该小孔应 经常保持畅通,一便随时排除蓄电池化学反应放出的氢 气和氧气,防止外壳涨裂或发生事故。 (7)安全阀 安全阀是阀控蓄电池的关键部件之一,它位于阀 控铅酸蓄电池的顶部,主要作用: ? 安全作用:即当阀控铅酸蓄电池在使用过程中内部产 生气体且压力达到安全阀设定的开阀压力时,打开安 全阀,防止蓄电池变形、开裂; ? 密封作用:防止空气进入电池内部而造成不良影响; ? 保持压力:保持电池内部一定的压力,促进电池内氧 复合,减少失水; ? 防爆作用:某些安全阀装有防酸、防爆片。 三、阀控铅酸蓄电池的工作原理 1、化学原理: 阀控铅酸蓄电池的工作原理基本上仍沿袭传统的 铅酸蓄电池,它的正极是二氧化铅,负极是海绵状纯 铅,电解液是稀硫酸,其电极反应如下: 正极:PbO2 ? 2H2O PbO2 ? HSO4- ? 3H? ? 2e 极:PbSO4 ? H? ? 2e Pb ? HSO4- 整个阀控铅酸蓄电池的反应方程式如下: 2PbSO4 ? H2O Pb ? PbO2 ? 2H2SO4 阀控铅酸蓄电池的设计原理是把所需质量的电解 液注入极板和隔板中,没有游离的电解液,通过负极 潮湿来提高吸收氧的能力。为了防止电解液减少而把 蓄电池密封,故阀控铅酸蓄电池又称贫液蓄电池。 阀控铅酸蓄电池工作原理示意图 阀控密封式铅酸蓄电池在结构、材料上进 行了重要的改进,如图所示。 正极板材料采用铅钙合金或铅镉合金、低 锑合金,负极板材料采用铅钙合金,隔板采用 超细玻璃纤维,并采用紧凑装配和贫液设计工 艺技术,整个蓄电池的化学反应在密封的塑料 壳内进行,出气孔上加单向的安全阀。 对于这种蓄电池结构,在规定的充电电压 下进行充电时,正极析出的氧可通过隔板通道 传送到负极板表面还原为水。由于阀控密封式 铅酸蓄电池的负极板比正极板多出10%的容量, 氢气析出时电位提高,加上反应区域和反应速 度的不同,正极出现氧气先于负极出现氢气。 正极电解水反应式如下: 2H2O ? O2+4H++4e 氧气通过隔板通道或顶部到达负极进行化学反应。 Pb+ 1 2 O2 +H2SO4 ? PbSO4+H2O 负极被氧化成硫酸铅,经过充电又变成海绵状铅。 PbSO4 +2e+H+ ? Pb+HSO4- 电池免维护机理: 这种蓄电池在充电过程中,电解液中的水几乎不损失,从而 使阀控密封式铅酸蓄电池在使用过程中达到不需加水的目的。生 产厂家采取各种办法极力减少氢与氧两种气体的析出,使它们尽 量消化在阀控密封式铅酸蓄电池内部。 但是,绝对控制氢气与氧气的析出是不可能的。事实上,电 解液仍有少量的消耗,仍会有少量的氢气与氧气析出。从这方面 说,阀控密封式铅酸蓄电池不是免维护而是少维护。 (1)阀控密封式铅酸蓄电池的板栅主要采用铅钙合金,以 提高其正负极析气(氢气和氧气)过电位,达到减少其充电过程中 析气量的目的。 正极板在充电到70%时,氧气就开始产生,而负极板达到90 %时才开始产生氢气。在生产工艺上,一般情况下正负极板的厚 度之比为3:2,根据这一正负极活性物质量比的变化,当负极上 海绵状铅达到90%时,正极上的二氧化铅接近90%,再经少许的 充电,正负极上的活性物质分别氧化还原达95%,接近完全充电, 这样可使氢气、氧气的析出减少。 (2)采用超细玻璃纤维(或硅胶)来吸储电解液, 并同时为正极上析出的氧气向负极扩散提供通道。 这样,氧气一旦扩散到负极上就立即为负极所吸 收,从而抑制了负极上氢气的产生,导致浮充电过程 中产生的气体90%以上被消除(少量气体通过安全阀排 放出去)。 阀控密封式铅酸蓄电池在开路状态下,正负极活 性物质二氧化铅和海绵状铅与电解液稀硫酸的反应都 趋于稳定,即电极的氧化速率和还原速率相等,此时 的电极电势为平衡电极电势。当有充放电反应进行时, 正负极活性物质二氧化铅和海绵状铅分别通过电解液 与其放电态物质硫酸铅来回转化。 2、内部氧循环反应机理: 在阀控密封式铅酸蓄电池中负极起着双重 作用,即在充电末期或过充电时,一方面极板 中的海绵状铅与正极产生的氧气反应而被氧化 成一氧化铅,另一方面极板中的硫酸铅又要接 受外电路传输来的电子进行还原反应,由硫酸 铅变为海绵状铅。 在蓄电池内部,若要使氧的复合反应能够 进行,必须使氧气从正极扩散到负极。氧的移 动过程越容易,氧循环就越容易建立。 在阀控密封式铅酸蓄电池内部,氧以两种 方式传输:一是溶解在电解液中,即通过在液 相中扩散到达负极表面:二是以气相的形式扩 散到负极表面。 在传统的富液式蓄电池中,氧的传输只能 依赖于它在正极区硫酸溶液中的溶解,然后依 靠在液相中扩散到达负极。 如果氧呈气相在电极间直接通过开放的通 道移动,那么氧的迁移速率就比单靠液相中扩 散大得多。充电末期正极析出氧气,在正极附 近有轻微的过压,而负极化合了氧,产生一轻 微的真空,于是正负极间的压差将推动气相氧 经过电极间的气体通道向负极移动。 AGM采用玻璃纤维棉做隔 膜,电解液吸附在极板与隔膜中 ,贫液式设计,电池内无流动 电解液。 一度般到4寿通0度命道之5-间1,阀2,年从控价,格温而密适度使封中适阀式,用大-控铅15 密酸封蓄式电铅池酸的蓄设电计池提在供浮了充这所种 电流放要电求好,的浮电充使压用范好围。 内工作,而不损失水。 对于氧循环反应效率,AGM阀控密封式铅 酸蓄电池具有较高的密封反应效率,在贫液状 态下氧复合效率可达99%以上; GEL阀控密封式铅酸蓄电池的氧再复合效 率相对小一些,在干G裂EL(状胶态体下)采可用达二氧70化%硅~90%; 富液式蓄电做 胶池凝体几固内乎剂,,使不电用建解环境液立吸适氧附应再在性极更化板强合和。 反应, 其密封反应效率一几般乎寿为命8零-15。年,温度适用-25度 到60度之间,价格高于AGM,大电 流一般,浮充使用最好 五、酸蓄电池生产工艺流程: 铅粉制备 和膏 负极板栅浇铸 涂膏 正极板栅浇铸 淋酸、压板 表面干燥 极板固化 干燥 电池装配 极板化成 ? 电池装配 正极 隔板 负极 焊端子 焊极群 灌注封口剂 热封盖 入电池壳 装电池盖 第二章 铅酸蓄电池使用维护 一、蓄电池使用: 1、电解液的配制:应使用符合蓄电池用硫酸和纯净水配制 铅酸蓄电池电解液是用纯水和浓硫酸配制成的。例如:汽 车用起动电池电解液密度为1.280±0.005g/cm?(25℃)。 配制电解液的容器,必须是耐酸及耐温的有釉陶瓷,玻璃 缸,塑料槽或铅衬木槽,配制时,工作人员必须穿戴好防 护用具。 配制前将器皿洗刷干净,并用纯水清洗。 配制电解液时,应先将需用的纯水,放入容器内,然后将 浓硫酸缓慢注入纯水内,并不断搅拌,严禁将水注入硫酸 内,以免发生飞溅灼伤。 换算公式为:d25=dt+0.0007(t-25) d25: 25℃电解液密度 dt:温度为t时的电解液密度 0.0007:温度系数 t:实测电解液温度 电解液中纯水(或蒸溜水)与硫酸的比例如下表: (此表根据在20℃时纯硫酸比重为1.83 g/cm3推算而得) 电解液比重20℃时(g/cm3) 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 1.30 纯水(或蒸溜水)与硫酸的体积比 9.80:1 8.80:1 8.00:1 7.28:1 6.68:1 6.15:1 5.70:1 5.30:1 4.95:1 4.63:1 4.33:1 4.07:1 3.84:1 3.60:1 3.40:1 3.22:1 3.05:1 2.80:1 2.75:1 2.60:1 2.47:1 纯水(或蒸溜水)与硫酸的重量比 6.28:1 5.84:1 5.40:1 4.40:1 3.98:1 3.63:1 1.35:1 1.11:1 2.90:1 2.52:1 2.36:1 2.22:1 2.09:1 1.97:1 1.86:1 1.76:1 1.60:1 1.57:1 1.49:1 1.41:1 1.34:1 2、灌酸 ?拧下排气栓,务必将栓上的透气孔穿透,栓 下有密封垫和密封纸,灌酸后需去掉; ?电解液温度必须冷却到30℃以下,灌入电池。 ?将配制好的电解液注入每个单格内,塑壳电 池的液面与外壳标记“max”齐平,橡胶槽电池 液液面应高出隔板10~15mm。 ?将排气栓拧紧,以防止漏酸。 3、电池的充电 (1)充电前的准备 a、检测电解液或纯水是否符合规定要求。 b、打开蓄电池上的排气栓。 c、加液或补水至最高液面线)充电连接 a、充电机的正极与蓄电池正极相接,负极与蓄 电池负极相接,切勿反接。 b、对多只电池充电可根据充电机功率大小确定。 c、充电连接必须牢固。 (3)充电方式 通常充电的种类有恒流充电、恒压充电和快速充电三种。 A、恒流充电,包括:初充电、补充充电、普通充电和均 衡充电。 ? 初充电:初充电是非干荷电池使用之前的首次充电。 a、非干荷电电池注入电解液后,静止1~6小时,待 温度降至35℃以下时方可开始充电。 b、首次充电电流一般为0.07C30A,充至单格电压为 2.4V时,减半电流继续充电 ? 补充充电:针对存放时间较长,干荷电性能较差的干 荷电池或灌酸充足电后停用一个月左右时间的电池而 说的,补充充电流为0.1C30A,补充充电时间为5小时 左右,或根据存放时间长短确定充电时间。 ? 普通充电: 普通充电是指电池经初充电后使用后的充 电。 a、例如:汽车电池普通充电第一阶段釆用 0.1C20A,充电8~12小时至电压升到2.4伏/单 格以上,电流减半再充电10小时左右。 b、充入电量一般为放电量的1.5倍以上, 或者充入额定容量的1.3~1.5倍。 ?均衡充电 a﹑用普通充电的方法将电池充足, 然后用0.035C20A电流充电。 b、当电池冒出均匀气泡,温度上升 时,停止充电1小时,如此重复3~4次 c、单格电池都能产生大量气泡,, 并且电流、电压、电解液密度趋于不变 时结束。 B.恒压充电 恒压充电是始终一定不变的电压对 电池进行充电。开始时充电电流较大, 然后逐渐减小,恒压充电电压通常在 2.3~2.4伏,这种充电情况,气体产生 很少,耗水量小,因此,恒压充电常用 于免维护密封铅酸蓄电池。 C.快速充电 a、快速充电是采用大电流,脉冲充 电,并采用短时间放电的间歇式充电方 法,对电池进行充电。 b、快速充电法用1~2倍C20A大电流 充电。 c、快速充电用特制的快速充电机完 成。 (4)电池充足电判断标志。 a、电池单格内有大量气泡产生。 b、电池单体电压在2.6~2.8V,且在2小时 以上测定不变;(这是指新电池,用过 的电池要低一些。) c、电解液比重达1.280 g/cm?±0.01(25℃) 且2小时以上测定不变。 (5)充电注意事项 a、液温不得超过45℃,否则应釆取 降温措施(减少充电电流或停止充电或 放入水槽中冷却)。 b、通风性好。 c、禁止火源。 二、阀控密封式蓄电池的充电技术 充电控制主要包括主充、涓充和浮充三阶 段的自动转换,从放电状态到充电状态的自动 转换,充电程序判断及停充控制等方面。掌握 正确的控制方法,有利于提高和延长阀控密封 式铅酸蓄电池的充电效率和使用寿命。 1.主充、涓充和浮充各阶段的自动转换 目前,国内大部分充电电源仍采用主充、涓 充和浮充三阶段充电法实现对阀控密封式铅酸 蓄电池的充电。充电各阶段的自动转换方法如 下: ①时间控制,即预先设定各阶段充电时间, 由时间继电器或CPU控制转换时刻。 ②设定转换点的充电电流或阀控密封式铅酸 蓄电池端电压值,当实际电流或电压达到设定值 时即自动转换。 ③采用积分电路在线监测阀控密封式铅酸蓄 电池的容量,当容量达到一定值时,则发出信号 改变充电电流的大小。 上述方法中,时间控制比较简单,但这种方 法缺乏来自阀控密封式铅酸蓄电池的实时信息, 控制比较粗略:容量监控方法的控制电路比较复 杂,但控制精度较高。 2.充电程度判断 在对阀控密封式铅酸蓄电池进行充电时,必 须随时判断阀控密封式铅酸蓄电池的充电程度, 以便控制充电电流的大小。判断充电程度的主要 方法有以下几种: ①观察阀控密封式铅酸蓄电池去极化后的端 电压变化。 一般来说,在充电初始阶段,阀控密封式铅 酸蓄电池端电压的变化率很小;在充电的中间阶 段,阀控密封式铅酸蓄电池端电压的变化率很大; 在充电末期,端电压的变化率极小。因此,通过 观测单位时间内端电压的变化情况,就可判断阀 控密封式铅酸蓄电池所处的充电阶段。 ②检测阀控密封式铅酸蓄电池的实 际容量值,并与其额定容量进行比较, 即可判断其充电程度。 ③通过检测阀控密封式铅酸蓄电池 端电压进行判断。当阀控密封式铅酸蓄 电池端电压与其额定值相差较大时,说 明处于充电初期;当两者相差很小时, 说明已接近充满。 3.停充控制 当阀控密封式铅酸蓄电池充足电后, 必须适时切断或减小充电电流,否则阀 控密封式铅酸蓄电池将出现大量析气、 失水和温升等过充电反应,直接危及其 使用寿命。因此,必须随时监测阀控密 封式铅酸蓄电池的充电状况,保证其充 足电而又不过充电。主要的停充控制方 法有以下几种: (1)定时控制 采用恒流充电法时,所需充电时间可以很 容易地根据阀控密封式铅酸蓄电池容量和充电 电流的大小来确定,因此,只要预先设定好充 电时间,一旦时间到,定时器即可发出信号停 充或降为浮充电。 定时器可由时间继电器或单片机承担其功 能。这种方法简单,但充电时间不能根据阀控 密封式铅酸蓄电池充电前的状态自动调整,因 此,实际充电时可能会出现有时欠充有时过充 的现象。 (2)阀控密封式铅酸蓄电池的温度控制 在正常充电时,阀控密封式铅酸蓄电池的温度变 化并不明显,但是,当阀控密封式铅酸蓄电池过充电 时,其内部气体压力将迅速增大,负极板上的氧化反 应使内部发热,温度迅速上升(每分钟可升高几摄氏 度)。 因此,通过检测阀控密封式铅酸蓄电池温度的变 化,即可判断阀控密封式铅酸蓄电池是否已经充满电。 通常采用两只热敏电阻分别检测阀控密封式铅酸 蓄电池的温度和环境温度,当两者之差达到一定值时, 即发出停充信号。由于热敏电阻的动态响应速度较慢, 故不能及时准确地检测到阀控密封式铅酸蓄电池的满 充电状态。 (3)阀控密封式铅酸蓄电池端电压负增量控制 当阀控密封式铅酸蓄电池充足电后,其端电压将 呈现下降趋势,据此可将阀控密封式铅酸蓄电池端电 压出现负增长的时刻作为停充时。 与温度控制法相比,这种方法的响应速度快,此 外电压的负增量与电压的绝对值无关,因此,这种停 充控制方法可适应具有不同单格阀控密封式铅酸蓄电 池的蓄电池组充电。 此方法的缺点是一般的检测器灵敏度和可靠性不 高,而且环境温度较高时,阀控密封式铅酸蓄电池充 足电后电压的减小并不明显,因而难以控制。 (4)极化电压控制 通常情况下阀控密封式铅酸蓄电池的极化 电压出现在刚好充满电后,一般为50~100mV 数量级。采用有关专利技术来测量每个单格阀 控密封式铅酸蓄电池的极化电压,可使每个阀 控密封式铅酸蓄电池都充电到它本身所要求的 程度。 研究表明,由于每个阀控密封式铅酸蓄电 池在几何结构、化学性质及电学特性等方面至 少存在一些轻微的差别,那么根据每个单格阀 控密封式铅酸蓄电池的特性来确定它所要求的 充电水平会比把阀控密封式铅酸蓄电池组作为 一个整体来控制的方法更加合适一些。 这种方法的优点表现在以下方面: ①不需温度补偿。 ②阀控密封式铅酸蓄电池不需连续浮充电,蓄 电池间连线的腐蚀减小。 ⑨不同型号的使用情况相同的阀控密封式铅酸 蓄电池可构成一组使用。 ④可以随意添加阀控密封式铅酸蓄电池以便扩 容。 ⑤可使阀控密封式铅酸蓄电池的使用寿命接近 或达到设计寿命。 三、阀控密封式铅酸蓄电池快速充电方法 阀控密封式铅酸蓄电池充电技术的改进, 有利于缩短充电时间、提高利用效率、延长使 用寿命、降低能耗、减小环境污染,具有良好 的经济效益和社会效益。 根据阀控密封式铅酸蓄电池可接受的充电 电流曲线,只要采用适当方法对阀控密封式铅 酸蓄电池实行去极化,实现快速充电是可能的。 研究表明,脉冲充电、脉冲放电去极化充 电法是一种较好的快速充电方法,而实现这一 方法的最佳装置是高频开关充电电源。 (1)脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循阀控密封式铅酸蓄电池固有 的充电接受率,而且能够提高阀控密封式铅酸蓄电池 的充电接受率,从而打破了阀控密封式铅酸蓄电池指 数充电接受曲线的限制。这也是阀控密封式铅酸蓄电 池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对阀控密封式铅 酸蓄电池充电,然后让阀控密封式铅酸蓄电池停充一 段时间,如此循环。充电脉冲使阀控密封式铅酸蓄电 池充满电量,而间歇期使阀控密封式铅酸蓄电池经化 学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉, 使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除,从而减 轻了蓄电池的内压,使下一轮的恒流充电能够更加顺 利地进行,蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使 阀控密封式铅酸蓄电池有较充分的反应时间,减少了 析气量,提高了蓄电池的充电电流接受率。 (2)ReflexTM快速充电法 ReflexTM快速充技术是美国的一项专利技术, 它主要面对的充电对象是镍镉蓄电池。由于它 采用了新型的充电方法,消除了镍镉蓄电池的 记忆效应,因此,大大缩短了蓄电池的快速充 电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状 态的检测方法与镍镉蓄电池有很大的不同,但 它们之间可以相互借鉴。ReflexTM快速充电法 的一个工作周期包括正向充电脉冲、反向瞬间 放电脉冲和停充维持3个阶段。 (3)变电流间歇充电法 变电流间歇充电法是建立在恒流充电和脉冲充电 基础上的,其特点是将恒流充电段改为限压变电流间 歇充电段。 充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法,保 证加大充电电流,获得绝大部分充电量。 充电后期采用定电压充电段,获得过充电量,将 蓄电池恢复至完全充电状态。 通过间歇停充,铅酸蓄电池经化学反应产生的氧 气和氢气有时间重新化合而被吸收掉,浓差极化和欧 姆极化自然而然地得到消除,从而减轻了铅酸蓄电池 的内压,使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行, 使铅酸蓄电池可以吸收更多的电量。 (4)变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有 人提出了变电压间歇充电法,如图所示。 与变电流间歇充电方法不同的是其第一 阶段不是间歇恒流,而是间歇恒压。 比较两图,可以看出变电压间歇充 电法更加符合最佳充电曲线。在每个恒 压充电阶段,由于是恒压充电,充电电 流自然按照指数规律下降,符合蓄电池 电流可接受率随着充电的进行逐渐下降 的特点。 四、铅酸蓄电池的维护 铅酸蓄电池维护与保管的好坏,不仅直接影响蓄 电池质量和寿命,还影响起动设备安全用电和工作任 务的完成。因此,蓄电池的维护、保管是蓄电池使用 及销售人员的一项重要工作。 1、蓄电池的维护 铅酸蓄电池的维护分日常维护和定期维护。日常 维护是指平时日常工作中的维护,这是蓄电池维护工 作的最基本而有效的一项工作。定期维护是针对蓄电 池的不同情况,在充电站进行一定项目的维护,只有 在日常维护工作做好的基础上,结合定期维护,才能 把蓄电池的维护工作做好。 (1)日常维护 经常保持蓄电池表面的清洁。发现表面有灰尘和酸液时, 应及时擦拭,擦拭时可先可先用沾有苏打水的擦布擦拭 一遍,后用清水冲洗干净。 经常用蒸馏水清洗排气栓,保持排气栓通气良好。 按照规定进行蓄电池的充电、放电和补充电工作。 充电过程中,电解液的温度不得超过45℃,严防过量充 电。 放电过程中,严禁大电流放电和过量放电。 充放电过程中,应开动通风装置排除酸雾,使室内空气 较为新鲜,以减少酸性分子对人员和设备和侵蚀。 发现故障应及时排除。 蓄电池充电间应经常保持清洁、干燥、空气流通、光线 充足。应用带湿的拖把擦净地面,在清洁、绝缘较好的 情况下,可以在地面洒水,保持室内的湿度,以减少电 池中水分的蒸发。 做好各种充、放电记录工作。 (2)定期维护 非起动用蓄电池每月应认真地用蒸馏水擦拭一次表 面,直至表面(含外壳)不呈酸性为止。 起动蓄电池每半月应认真地检查连接条,极柱及输 出接线的接触情况和牢固程度,彻底清除金属部位 (如接线端子)的氧化物和锈蚀,更换金属部位的 凡土林油。 及时检查和排除蓄电池的故障。 对蓄电池测量用的仪表(如密度计、温度计、电压 表、电流表)进行检查和校验,以免由于仪表不准 确导致蓄电池维护工作的质量受到影响。 根据气候季节的变化,按说明书的要求,调整电解 液密度(也称换季)。 电池失水时应及时补充纯水,防止极板露出液面而 氧化和降低利用率。切勿补充电解液。 电池在使用过程中应调整好充电器的电压(13.8~ 14.4V)防止过充电。 五、蓄电池的失效模式 1、正极板板栅的腐蚀变形 目前生产上使用的合金有3类,传统铅锑 合金、低锑或超低锑合金、铅钙系列。上述 三种合金铸成的板栅,在蓄电池的充电过程 中都会被氧化成硫酸铅和二氧化铅,最后导 致丧失支撑活性物质的作用而使电池失效; 后由于二氧化铅腐蚀层的形成,使铅合金产 生应力,使板栅线性长大变形,最后使极板 整体遭到破坏,活性物质与板栅接触不良而 脱落或在汇流排除短路。 2、正极活性物质脱落、软化 除板栅长大引起活性物质脱落外, 随着充放电的反复进行,二氧化铅颗粒 之间的组合也松弛,软化,从极板上脱 落下来。 极板的制造,装配的松紧和充放电 等一系列因素,都对正极活性物质的软 化、脱落有影响。 3、不可逆硫酸盐化 电池过放电、放电后长期存储、或在放电状态下 存储下,极板上将在硫酸铅的溶解、重结晶作用下 生成一种粗大、难于接受充电的硫酸铅结晶,此现 象称为不可逆硫酸盐化。严重时电极失效,无法充 电。 负极板容易出现硫酸盐化的原因有:电池长期 充电不足、高温下放电、长期放电搁置、高型极板 中电解液浓度分层、电池失水等。在这些原因中最 普遍的和直接的原因是电池长期充电不足。 铅酸蓄电池极板硫化示意图 这是还未接触电解液的崭新电池负极极片,在电子 显微镜下放大558倍的图像, 与其它图像比较,可以看 到在表面没有任何硫酸盐晶。 这是从未使用,但搁置2年而硫化的电池负极极片,在 电子显微镜下放大 549 倍的图像, 可以看到化学反应 已发生并摧毁了电池,极片上完全覆盖了硫酸盐晶体。 4、容量过早的损失 当用低锑或铅钙为板栅合金时,在 蓄电池使用的初期(大约20个循环), 出现容量突然下降的现象,使电池失效。 5、锑在活性物质上的严重积累 正极板上的锑随着充放电循环,部 分的被氧化成离子,随电解液到达负极 并在负极活性物质上还原,由于电解液 中的氢离子在锑上比在铅上更容易还原 而生成氢气,因此锑积累后,电池充电 时大部分电流均用于水分解,电池不能 正常充电而失效。 6、热失控 由于充电电压过高、电流过大,导致电 池温度升高,最终使电池变形、开裂而失效。 7、负极汇流排的腐蚀 一般情况下,汇流排不存在腐蚀问题, 但在阀控式密封蓄电池中,当建立氧循环时, 电池上部空间基本充满氧气,隔膜中的电解 液也可能沿极耳上爬到汇流排,汇流排的合 金则会被氧化,生成硫酸铅,如果汇流排焊 条合金选择不当,有杂质和缝隙,腐蚀会沿 着这些缝隙加深,致使极耳与汇流排脱开, 负极板失效。 8、隔膜穿孔造成短路 个别品种的隔膜,孔径较大,使用 过程中可能造成大孔,活性物质可在充 放电过程中穿过大孔,造成微短路,使 电池失效。 第三章 供电系统中蓄电池的地位 ONU 电源 蓄电池 阀控式密封铅酸蓄电池(即VRLA蓄电池) 是通信供电系统的重要组成部分,也是保障电 信通信畅通的关键设备之一。 一、蓄电池容量选择 直流电源蓄电池容量选择 Cmin=W×T×1.25/(Vf×K) 或 Cmin=I×T×1.25/K Cmax≤50I C - - - - 蓄 电 池 容 量 , A h W - - - 负 载 功 率 , 瓦 特 ( 交 换 机 、 接 入 网 平 均 按 每 线 瓦 计 算 ) T - - - 设 计 备 电 时 间 , 小 时 I - - 负 载 工 作 电 流 , A V f - - - 放 电 终 止 电 压 K - - 蓄 电 池 放 电 效 率 放 电 时 间 T = 1 h ~ 3 h , K = 0 . 5 5 ~ 0 . 6 放 电 时 间 T = 3 h ~ 5 h , K = 0 . 7 5 ~ 0 . 8 放 电 时 间 T > 5 h , K = 0 . 8 5 二、蓄电池规格选择 48V200Ah电池采用 1组单体2V200Ah电池? 还是 2组单体12V100Ah电池? 安装空间 设计要求 成本 ◆ 通信应用配套蓄电池 采用12V系列蓄电池:48V300Ah及以下容量可采用12V系 列蓄电池配置方案,并联组数在3组以内。 ◎常见配置方案:48V200Ah采用两组48V100Ah电池并联。 采用2V系列蓄电池:48V300Ah以上容量一般采用2V系列 蓄电池配置方案,并联组数在6组以内。 ◆ UPS应用配套蓄电池 400Ah及以上容量一般采用2V系列电池。 400Ah以下容量一般采用6V、12V系列电池。最高允许6组 并联。 长延时备电采用电信级系列 非重点局站的电池组:容量一分为二是主流选择 三、蓄电池安装流程 到货点验 安装准备 电池架/柜安装 ● 检查电池型号、规格、数量、包装、附件、外观等 ● 安装工具准备 ● 开箱检查电池外观 ● 固定到地面 电池间连接 ● 避免短路 ● 保持电池10mm左右间距 防护措施 ● 端子、连接片加绝缘保护盖 ●接线部位涂防锈剂 ● 电池加盖防尘罩 测量单个电池开路电 压及电池组总电压 ● 以防电池接反或制造过程的反极 电池组与电源连接 ● 加载上电对电池进行充电 四、蓄电池安装注意事项 ① 将 金 属 安 装 工 具 ( 如 板 手 ) 用 绝 缘 胶 带 包 裹 , 进 行 绝 缘 处 理 ; ② 先 进 行 蓄 电 池 之 间 的 连 接 , 然 后 再 将 蓄 电 池 组 与 充 电 器 或 负 载 连 接 ; ③ 多 组 电 池 并 联 时 , 遵 循 先 串 联 后 并 联 的 接 线 方 式 ; 为 保 证 较 好 的 散 热 条 件 , 各 列 蓄 电 池 需 保 持 1 0 m m 左 右 间 距 ; ④ 连 接 前 后 , 在 蓄 电 池 极 柱 表 面 敷 涂 适 量 防 锈 剂 ; ⑤ 蓄 电 池 安 装 完 毕 , 测 量 电 池 组 总 电 压 无 误 后 , 方 可 加 载 上 电 。 五、蓄电池使用环境 ? 使用环境温度范围:-15℃~+45℃; ? 避开热源和阳光直射场所; ? 避开潮湿、可能浸水场所; ? 避开多粉尘场所; ? 避开完全密闭场所。 六、蓄电池使用条件 ◆ 并联使用:推荐为3组以内; ◆ 多层安装:层间温度差控制在3℃以内; ◆ 散热条件:电池间距保持5mm~10mm之间; ◆ 换气通风条件:保证室内氢气浓度小于0.8% ; ◆ 关于电池混用:新旧不同、厂家不同的产品不允许混合使用; ◆ 浮充使用条件:限流≤0.25C10 ,电压为2.23V/单格; ◆ 最佳环境温度:20℃~25℃ 七、温度对蓄电池使用寿命的影响 寿命百分比 % 温度与寿命关系 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 温度 八、放电容量与环境温度关系 120 100 容 80 量 C10 60 % 40 ——低倍 率放电> 1h ------高倍 率放电< 1h 20 0 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 温度(℃) 九、蓄电池维护总则 (1)阀控式密封铅酸蓄电池(即VRLA蓄电池,以下简蓄电池) 是通信供电系统的重要组成部分,也是保障电信通信畅通的关 键设备之一。 (2)建立定期巡检制度,制订月、季度、年度检查、维护项目 与任务。 (3)掌握日常维护、一般故障及严重故障处理方法,迅速准确 地排除故障,保障系统稳定、可靠运行和优质供电。 (4)维护目标:当市电停电后,保证蓄电池能够向电信设备提 供不间断供电,供电质量符合标准。 (5)通过定期的维护检查和测试,延长蓄电池使用时间,发挥 其最大效能。 (6)建立蓄电池运行维护过程文档。 十、蓄电池维护关注点 1. 浮充电压一致性 ◆ 指标要求 浮充运行6个月后同组电池之间端电压的最大差值应不大 100mV/单格 2V电池≤90mv,12V电池≤480mv ◆ 关注点 安装前开路电压一致性,浮充电压的收敛趋势 十一、 蓄电池维护关注点 2. 浮充电流 关注点:在25℃下,电池在充满电后的充电电流应在 1‰C10 以下。 若电流高出以上规定值3~4倍,可能电池存在短路单体;.若电流太 小或实际上不存在,则可能是: a)电流太小,不能在仪表测量精度范围内读出; b)已经经过48小时以上充电,电池内可能存在开路; c)电池已经严重放电,电解液中硫酸几乎完全消耗; d)搁置时间太长,未经补充电,极板上的硫酸盐不能恢复成活性物 质。 十二、维护项目分类/故障处理 1. 日常维护 ◆ 灰尘清扫; ◆ 端子除锈、涂防锈膏; ◆ 连接条更换; ◆ 紧固松动的螺栓; ◆ 充电总电压微调; ● 蓄电池的清扫应采取 避免产生静电的措施; ● 用湿布清扫蓄电池; ● 禁止使用香蕉水、汽 油、酒精等有机溶剂接触 蓄电池; 2. 一般性故障处理 ◆ 电压均衡性偏离正常范围--强制均充后观察 ◆ 浮充电流异常--检查电池单体电压是否异常、电池是否发热 ◆ 核对性放电判断容量不足--均充后再做10小时率或3小 时率容量 ◆ 安全阀有少量液体渗出(非电池内部往外漏液) --擦拭后再观察,排除残余电解液吸水可能 3. 严重故障--更换电池 ◆ 电池鼓胀; ◆ 极柱漏液; ◆ 电池内部短路或开路; ◆ 电池容量小于额定容量的80%; ◆ 壳体材料老化、端子腐蚀穿透。 1、更换判据:如果蓄电池电压 在放出其额定容量80%(对照 相应放电率的容量如C10、C3 等参数)之前已低于1.8V/单格 (1小时率放电为1.75V/单格) ,则应考虑加以更换。 2、更换时间:蓄电池属于消耗 品,有一定的寿命周期。综合 考虑使用条件、环境温度等因 素的影响,在到达蓄电池设计 使用寿命之前,用新电池予以 更换。 十三、定期检查维护项目--每月 项 目 内 容基 准维 护 ① 蓄 电 池 组 测 量 蓄 电 池 组 正 负 单 体 电 池 浮 充 电 压 将 偏 离 值 调 整 到 基 准 值 浮 充 总 电 压 极 端 电 压 × 电 池 个 数 ② 蓄 电 池 外 观 检 查 电 池 壳 、 盖 有 外 观 正 常 外 观 异 常 先 确 认 其 原 因 , 若 无 漏 液 、 鼓 涨 及 损 影 响 正 常 使 用 则 加 以 更 换 伤 检 查 有 无 灰 尘 污 渍 外 观 清 洁 用 湿 布 清 扫 灰 尘 污 渍 检 查 机 柜 、 架 子 、 无 锈 迹 出 现 锈 迹 则 进 行 除 锈 、 更 换 连 接 线 、 端 子 等 处 连 接 线 、 涂 拭 防 锈 剂 等 处 理 有 无 生 锈 ③ 连 接 部 位 检 查 螺 栓 螺 母 有 无 连 接 牢 固 拧 紧 松 动 的 螺 栓 螺 母 松 动 ④ 直 流 供 电 切 切 断 交 流 , 切 换 为 交 流 供 电 顺 利 切 换 纠 正 可 能 偏 差 换 直 流 供 电 为 直 流 供 电 十四、充电系数 确定原则: ? 电网停电频率 ? 平均停电持续时间 频率高(3~4次/月),持续时间长(接近或大于电池放电小 时数), 充电系数选择大一些,如:0.15~0.2(不能超过部标极限值 0.25) 电网较好的局站,一般选择0.1~0.15 十五、电池备用方式 ? 无备份 一组电池可以满足放电小时数 ? 1+1备份 任何一组电池都可以满足放电小时数 一般为了选型方便和运行安全,将单组电池容量 分成两组, 每组电池可以满足一半的放电小时数 十六、整流器备用方式 整流器的备用方式一般采用N+1备份 局部地区也采用电池充电容量备份,即电池充电只在 较短时间内发生,多数情况下为电池充电设计的整流器 容量处于备用状态。 N=[Iz/单个整流器的容量] 十七、扩容考虑 近期负荷小,终期负荷大,为减小投资, 按近期负荷 容量计算 计算公式: IZ=I+K×α×Q IZ—总系统设计容量(A) I—近期或终期负荷电流(A) K—电池备用系数(无备份为1,1+1备份为2) α—充电系数(0.1~0.2) Q—10小时放电率电池容量(Ah) Thank you!

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