阀控式密封铅酸蓄电池（蓄电池）

铅酸蓄电池在蓄电池家族中历史最为悠久。它于1859年由法国普兰特发明，至今已有一百五十年历史。一百五十年来，铅酸蓄电池的制造工艺、结构、生产、性能和应用都在不断发展，主要标志是20世纪70年代发展起来的阀控式密封铅酸蓄电池，简称VRLA（Valve Regulated Lead Acid）蓄电池。VRLA蓄电池具有能量高、成本低、寿命长（可达10年）、容量更大（容量是普通铅酸蓄电池的两倍）、不漏液、不污染、可回收、免维护等优点。

一、VRLA蓄电池的工作原理

VRLA蓄电池的基本结构如图9.7所示。它由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。充电后的正极板上的有效物质是二氧化铅（PbO2），负极板上的有效物质是海绵状纯铅（Pb），电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配置而成。

VRLA蓄电池的工作原理如图9.8所示，与普通铅酸蓄电池的工作原理基本没有什么不同。其正常充放电的化学反应式为

在充电时，正极由硫酸铅（PbSO4）转化为二氧化铅（PbO2）后将电能转化为化学能存在正极板中；负极由硫酸铅（PbSO4）转化为海绵状铅（Pb）后将电能转化为化学能存在正极板中。在放电时，正极由二氧化铅（PbO2）转化为硫酸铅（PbSO4）后将化学能转化为电能向负载供电；负极由海绵状铅（Pb）转化为硫酸铅（PbSO4）后将化学能转化为电能向负载供电。

普通铅酸蓄电池的难点就是充电时水的电解。当充电电压达到一定值时（一般在2.30 V/单体以上），蓄电池正极上放出氧气，负极上放出氢气。一方面释放气体带出酸雾污染环境，另一方面电解液中水分减少，必须隔一段时间进行补加水维护。

VRLA蓄电池从结构上克服了以上缺点：其一，阀控式铅酸蓄电池的极栅主要采用铅钙合金，以提高其正负极析气（H2和O2）过电位，达到减少其充电过程中析气量的目的；同时，让负极有比正极多10%的容量，正极板在充电时氧气的析出先于负极板充电时氢气的析出。其二，极板之间采用超细玻璃纤维（或硅胶）取代普通隔板，吸储电解液，同时为正极上析出的氧气向负极扩散提供通道，其孔率由普通隔板的50%提高到90%以上，从而使氧气利于流通到负极。这样，氧气一旦扩散到负极上，立即为负极吸收，重新生成水，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）。氧气为负极吸收所重新生成的水在蓄电池密封的情况下不能溢出，因而VRLA蓄电池可免除补加水维护，这也是VRLA蓄电池称为“免维护蓄电池”的由来。其三，采用密封式阀控滤酸结构，电解液不会泄漏，酸雾不能溢出；壳体上装有安全气阀，当VRLA蓄电池内部压力超过阀值时自动开启，达到安全、环保的目的。

图9.7　VRLA蓄电池基本结构

图9.8　VRLA蓄电池工作原理示意图

二、VRLA蓄电池的主要技术指标

VRLA蓄电池的主要技术指标包括：VRLA蓄电池的额定容量、额定电压、终止电压等。常见单体VRLA蓄电池的额定电压为2 V。具体参数可阅读有关产品说明书。

1. 蓄电池的电势

不同导电材料制成的正负极放入同一电解液中时，由于有效物质的电化次序不同，极板上将产生不同电位，正负极板在外电路断开时的电位差就是蓄电池的电势。蓄电池电势的大小主要取决于极板上有效物质的性质，和极板的大小无关。

2. 额定容量

额定容量是指将充满电的蓄电池按规定的放电电流，在正常放电时间内连续放电到规定的终止电压时，所放出的电量。其单位是安培小时，以A·h表示。当放电电流恒定时，其额定容量为

QN=Iftf

式中　QN——额定蓄电池容量 （A·h）；

If——恒定放电电流（A）；

tf——持续放电时间（h）。

蓄电池容量的大小，主要取决于参加化学反应的活性物质的种类及数量，并且还与许多因素有关，如：极板的类型、面积和数量，放电电流的大小，放电终止电压的高低，电解液的密度和数量以及环境温度。

3. 额定电压

蓄电池在正常放电过程中正负极板间应保持的电压值为额定电压，按国际标准规定单体酸性蓄电池的额定电压为2 V。

4. 终止电压

终止电压是为防止蓄电池出现过放电现象以致造成极板损伤所规定的放电最低电压值。蓄电池以不同的放电倍率放电时，终止电压略有不同。采用小电流放电时，终止电压定的高些；采用大电流放电时，终止电压定的低些。电池放电电压低于终止电压时，将影响蓄电池的寿命。

三、VRLA蓄电池的特性

1. 充电特性

蓄电池的充电过程，就是将电能转换为化学能的过程，也是电池正负极板的有效物质还原的过程。

所谓充电率，就是蓄电池在某种充电情况下所充入的电量和充电电流的比值。若以蓄电池的充入电量为额定容量，其充电率为

式中　fc——充电率（h）；

QN——蓄电池额定容量（A·h）；

Ic——充电电流（A）。

由上式可见，充电率的实质就是用电流充电至蓄电池额定容量时所需要的时间。当容量一定时，充电率越大，充电电流就越小，充电特性曲线变化越缓慢；反之，充电率越小，充电电流就越大，充电特性曲线变化越急剧。

VRLA蓄电池常见的充电方式包括浮充电和均充电。

（1）浮充电

电源系统采用整流设备和VRLA蓄电池组并联冗余供电方式，VRLA蓄电池组作为备用电源。直流系统的开关电源提供的浮充电流对阀控式蓄电池而言有三个作用：提供日常性负载电流；补充蓄电池自放电的损失；维持蓄电池内氧循环。对于单体电池来说，温度每上升1 °C，其所要求的浮充电压下降约4 mV。同时，当环境温度一定时，如果实际浮充电压比要求的电压高100 mV，充电电流将增大数倍，导致VRLA蓄电池热失控和过充损坏；浮充电压比要求的电压低100 mV，又将引起电池充电不足。因此，浮充电流与浮充电压直接影响蓄电池的工作性能与使用寿命。除了按照说明书要求准确选择浮充电压（如单体2 V的VRLA蓄电池浮充电压为2.25 V）以外，直流系统还应采用浮充电流与浮充电压可实时调节的智能型充电方式。

（2）均充电

所谓均充电，是把每个单体VRLA蓄电池单元并联起来，用统一的充电电压充电。均充电一般在两种情况下进行：在浮充过程中存在落后的蓄电池（单体电压低于额定值）；蓄电池组浮充三个月后的。在均充过程中，均充电压一般高于浮充电压，如单体2 V的VRLA蓄电池均充电压为2.35 V，均充电流一般选额定容量的0.3倍或0.3倍以下，均充时间为6～8 h，然后调回到浮充电压，若均充过程中充电电流3 h保持不变，应立即转入浮充电状态，否则将造成过充电。

均充电完毕后，应观察落后电池电压状况，若电压仍未到位，相隔两周后再均充电一次。

2. 放电特性

充满电的蓄电池放电至终止电压的快慢叫蓄电池的放电率。放电率用放电时间的长短表示时称小时率。一般采用1、3、5、8、10、20小时率。放电率用放电电流表示时称时安率，放电率不同时，蓄电池的放电终止电压数值不同。

变电所中，VRLA蓄电池作为备用电源使用，要求在全所停电时能够立即转入放电状态，以保证电源不间断。其放电时需要注意的是VRLA蓄电池的放电速率和放电终止电压，尤其是不同环境温度下放电速率和放电终止电压的设定。

此外，蓄电池运行半年或一年后，为了检查VRLA蓄电池容量是否正常，应做一次核对性充放电循环。试验放电一般采用10小时速率放电，可以采取断开直流系统，由蓄电池单独供电的方式进行，放电深度一般控制在30%～50%为宜，每小时监测一次单体VRLA蓄电池电压，通过计算得出VRLA蓄电池容量，对照如表9.1所示的电压值，判断VRLA蓄电池是否正常。若容量不满足要求，则反复循环充放电，直至蓄电池容量合格，核对性放电结束。

表9.1　VRLA蓄电池放出容量的标准电压值（10小时率）

VRLA蓄电池放出容量为电流乘以时间的值。在相应放出容量下，测出的单体VRLA蓄电池电压值应等于或大于相应电压值，则VRLA蓄电池容量正常；反之即为容量不足。

3. 自放电特性

蓄电池的自放电是电池在无外接负载而静止时的内部自行放电。其产生的主要原因是极板间隔材料有杂质、电解液不纯、充电完毕后部分活性物质不稳定等。如极板上含有杂质，将在极板上形成局部小电池，小电池两极短路，产生短路电流引起蓄电池自放电；电解液中若混进杂质，如铁、铜及其他金属杂质，也会使自放电量增大。

4. 影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素

在放电终止电压下蓄电池组能放出的最少电量是衡量蓄电池寿命的主要指标，而与蓄电池容量有关的因素较多，如设计不周密、制造不精良、安装不正确、维护不完善等均对蓄电池的使用寿命有一定的影响。下面主要从使用维护的角度分析影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素。

（1）温度

VRLA蓄电池充电时其内部气体复合本身就是放热反应，会使电池温度升高，电池本身“贫液”、装配紧密，内部散热困难，如不及时排除热量，将造成热失控。

环境温度过高对蓄电池使用寿命的影响很大，温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短。蓄电池在25 °C的环境下可获得较长的寿命，长期运行温度若升高10 °C，使用寿命约降低一半。

（2）过充电

长期过充电状态下，正极因析氧反应，水被消耗，H＋增加，从而导致正极附近酸度增加，板栅腐蚀加速，使板栅变薄，加速电池的腐蚀，造成电池容量降低；同时因水损耗加剧，将使蓄电池有干涸的危险，从而影响蓄电池的寿命。

（3）过放电

蓄电池过度放电主要发生在交流电源停电后，蓄电池长时间为负载供电时。当蓄电池被过度放电到其电压过低甚至为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，在电池的阴极造成“硫酸盐化”。因硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，蓄电池的使用寿命就越短。

（4）长期浮充电

若蓄电池在长期浮充电状态下，只充电而不放电，势必会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻增大，容量大幅下降，从而造成蓄电池使用寿命下降。

综合分析表明，各种晶闸管整流型电源、变压器降压整流型电源对VRLA蓄电池以恒压或恒流方式进行充电，缺少温度补偿、充放电的智能监控，是无法满足VRLA蓄电池的严格技术要求的，势必直接影响其使用寿命。

四、VRLA蓄电池的技术维护

VRLA蓄电池俗称为“免维护电池”，“免维护”只是运行中不需补加水维护，这是制造商的广告用语，并不是真正意义上的免维护。

VRLA蓄电池近几年来在电力部门得到广泛的应用，但由于相关工作人员不了解阀控式密封铅酸蓄电池的特性，往往几年就报废了，给企业造成极大的损失。在使用阀控式密封铅酸蓄电池时，需要注意下面几点：

1. 日常维护

① 阀控式密封铅酸蓄电池由于结构特殊，对周围环境和温度较为敏感，如果电池长期在高温条件下运行，其使用寿命将会大打折扣，所以机房温度应控制在至少25 °C以下。正确的维护使用，可以使电池的使用寿命长达10～15年。在使用中应注意观察电池的温度情况，随时注意观察浮充电压，若充电设备没有补偿温度的功能，就应按温度每上升1 °C，每单体电池浮充电压下降3 mV进行修正。

② 平时保持电源室和电池本身的卫生，清洁工作应用湿布进行，若用干燥的东西擦拭，容易产生静电，而静电电压有时会高达数千伏至上万伏，有引发爆炸的危险。

③ VRLA蓄电池的日常维护中需经常检查的项目有：

a. 检测VRLA蓄电池两端电压；

b. 检测VRLA蓄电池的工作温度；

c. 检测VRLA蓄电池连接处有无松动、腐蚀现象，检测连接条的压降；

d. 检测VRLA蓄电池外观是否完好，有无外壳变形和渗漏；

e. 极柱、安全阀附近有无酸雾析出；

f. 安装好的VRLA蓄电池极柱应涂上中性凡士林，防止腐蚀极柱，并应定期清洁，以防止VRLA蓄电池绝缘能力降低；

g. 平时每组VRLA蓄电池至少应选择几只电池做标示，作为了解全VRLA蓄电池组工作情况的参考，对标示VRLA蓄电池应定期测量并做好记录；

h. 当在VRLA蓄电池组中发现有电压反极性、压降大、压差大和酸雾渗漏现象的VRLA蓄电池时，应及时采用相应的方法恢复或修复，对不能恢复或修复的要更换；对寿命已过期的VRLA蓄电池组要及时更换。

2. 定期检查

① 月度检查和维护项目：保持VRLA蓄电池房的清洁卫生，测量和记录VRLA蓄电池房内环境温度；逐个检查VRLA蓄电池的清洁度、端子的损伤痕迹、外壳及壳盖的损坏或过热痕迹；检查壳盖、极柱、安全阀周围是否有渗液和酸雾析出；VRLA蓄电池外壳和极柱温度；单体和VRLA蓄电池组的浮充电压；VRLA蓄电池组的浮充电流。

② 每半年检查一次VRLA蓄电池组中各VRLA蓄电池的端电压和内阻，若单个VRLA蓄电池的端电压低于其最低临界电压或VRLA蓄电池内阻大于80 mΩ时，应及时更换或进行均衡充电。同时应检查VRLA蓄电池连线牢固程度，主要防止由于VRLA蓄电池充放电过程中的温度变化导致连线处松动或接触电阻过大。

③ 每年以实际负荷做一次核对性放电，放出额定容量的30%～40%，并做均充；每三年做一次容量试验，放电深度为80%Q10。若该组VRLA蓄电池实放容量低于额定容量的80%，则认为该VRLA蓄电池组寿命终止。

3.“三防、一及时”

① 防高温。在没有空调的环境里，要设置换气通道并安装防尘和防雨罩。安装在机柜内的VRLA蓄电池组在夏季可卸掉机柜侧面板，VRLA蓄电池单体之间避免紧密排列，以增加空气的流动。

② 防过充电。VRLA蓄电池生产厂家通常在使用手册中给出浮充电压值，要按照说明要求来设定。阀控式密封铅酸蓄电池的单只电池电压正常为2.23～2.25 V，多数厂家的推荐值为2.25 V。浮充电压高低的选择是使用电池的关键所在，因为电池的自放电系数极小，所以不需要太高的电压。如果浮充电压过高，不仅会使浮充电流偏大，增加能耗，还会加速正极板栅腐蚀，使电池寿命缩短。但如果浮充电压过低，则会使电池因充电不足，处在亏电的状态而导致电池加速报废。用户可以结合自己的实际情况对浮充电压进行调整，使之工作在最佳状态。

③ 防过放电。过放电电压的设定：对于VRLA蓄电池组的放电时限为10 h，为了避免VRLA蓄电池深度放电，设定欠压告警门限为单体蓄电池1.9 V。

④ 及时充电。在VRLA蓄电池放电后必须尽快充电，在充电过程中充电电流2～3 h不变化可认为充电完毕，充入的电量应是放出容量的1.2倍左右（放出容量可由放电时间和放电电流进行估算），充电未结束或充电过程中不要停止充电。禁止VRLA蓄电池组在深放电后长时间不充电（特殊情况下不超过24 h），否则将会严重降低VRLA蓄电池的容量和寿命。

⑤ 对于容量不同、新旧不同、厂家不同、规格不同的蓄电池，由于其特性值有差异，不能混合连接使用。

⑥ 由于新电池在运输存放的过程中因自放电难免损失部分能量，所以安装后不宜立即投入运行，应当在使用前进行必要的充电以恢复电池的能量。

⑦ 对于长期闲置不使用的电池，每半年要对其进行一次充电，不能放任自放电，否则最终会因丧失能量而损坏。

⑧ 由于观察不到阀控式密封铅酸蓄电池内部的情况，因此在使用中应定期对其进行放电试验，以检测蓄电池容量，避免因其容量下降而起不到备用电源的作用。需要注意的是蓄电池在放电时不要过放电，放电后必须在1 h内补充电，否则将造成蓄电池的永久损坏。VRLA蓄电池常见故障和处理方法如表9.2所示。

表9.2　VRLA蓄电池常见故障处理方法