VRLA蓄电池维护

在实际运行中，VRLA蓄电池对环境温度的要求比较高，VRLA蓄电池的最佳环境运行温度为20-25℃。如果使用环境温度过高，使VRLA蓄电池在充电过程中产生的热量无法及时扩散到空气中去，加速了电解液的损失，同时也容易通过壳体损失水分，导致电解液的比重升高加速了正极板栅的腐蚀，最终导致VRLA蓄电池未达到电池的设计寿命而提前失效。

为避免VRLA蓄电池提前失效，应对VRLA蓄电池加以严格的维护，严格根据生产厂家提供的相关设置参数对开关电源进行设定。平时应经常根据蓄电池及充电设备的运行情况及时调整浮充电压，使浮充电压符合VRLA蓄电池的要求，避免电压过高，造成对电池的过充引起水分的损失;同时防止电压过低，造成VRLA蓄电池的欠充，引起电池极板的硫酸盐化，使电池的容量大大降低。先进的运行设备具有温度补偿功能，可以根据运行环境自动调整运行参数。

为了及时了解VRLA蓄电池的状态，定期对VRLA蓄电池的容量进行检测，准确掌握VRLA蓄电池容量的实际状况，以便及时采取相应的维护措施。定期对电池进行维护，使VRLA蓄电池经常处于良好的运行状态。对于VRLA蓄电池只有按生产厂家的要求进行严格的操作时，才会使得VRLA蓄电池寿命真正接近其设计寿命，否则，电池的寿命比普通电池更短。

本文涉及电池安装、承重计算、VRLA电池、VRLA电池发生气体计算、UPS选用电池计算、VRLA电池对充电器的要求、VRLA电池的放电容量检测方法等许多实用经验公式，已被长期实践证明是有效的、可行的，本文所有数据均有出处，可供相关行业设计、安装运行人员参考。

6.1 配套程控交换机电池安装容量 C8&C08等1000门程控交换机常见负载电流为4A~8A/48V(已考虑电话同时使用率约60%)。 通常选配二组100Ah/48V电池，每组可以支持24h左右，两组可支持48h左右。 6.2 电池配套UPS容量计算 蓄电池的最大放电电流可由下式得出: I=[Pcosφ]/[Eiη]=P/Ei (3) 式中:P为UPS标称功率,cosφ为功率因数取0.8,η为效率取0.8,Ei为电池放电终止电压。 也有一经验公式如下: 如UPS容量为30kVA，cosφ取0.8,则功率为24kW，若需放电2h，则总能耗为48kWh，而输入电压通常已由UPS决定，设为220V，那么应配备电池容量为: 48000Wh/220V≈210Ah 而在选用电池时，其放电Ah数对应于对UPS的时间要求，在考虑到电池的内部损耗后，Ah数要 选稍大一些。 如果电池是作电动车等设备的电源使用，则要根据放电深度对电池容量进行选择(一般VRLA电池阀的开关寿命及水的损失率已不成问题，可以不予考虑)，如德克电池容量100~4200Ah在25%的深度放电工作时可达3000次循环寿命，在50%的深度放电工作时达1500次循环寿命，当对循环次数要求高时，则可使放电深度下降。例如，电池容量选大一倍，则同型号工作设备的电池循环工作次数可以增大一倍(通过三年实测，德克电池80%深度放电可达1200次循环)。 6.3 电池地面承重力计算(经验公式) 设计安装当中，常要求机房的地面承载强度足以承受电池重量，地面荷载公式如下: 〔电池总重量(kg)/电池占地总面积(m2)〕×面积系数=承重力(kg/m2)(4) 式中电池总重量为厂家提供数据，电池占地面积为实际安装占地面积，面积系数≤0.6(因为电池房面积远大于实际电池占地面积，而且电池两边至少要留有0.5m以上的人行通道，供维护检查使用，一般电池安装深度在0.6m左右)。 此公式由厂方提出，长期使用至今未出现任何安全问题。 6.4 VRLA电池产生气体计算 VRLA电池为全密封电池，通常情况下，安全可靠，但必须有通风良好的环境，因为电化学反应，内部产生气体，一般复合率达98%以上，但仍有少量气体不能复合，尤其在过充电情况下，问题更显重要。 通常气体由电解水产生，气体逸出电池外部，造成水损失，气体量由电池的失水量决定，10年寿命的电池其失水率每年是电解液中水的总重量的1%，20年寿命的电池失水率每年是电解液中水的总重量0.5%。 例如，100Ah/2V，DekaUnigyII电池，AVR85-23，电解液总重14.76kg，水重约10kg，20年失水10%约1kg，每年失水50g，相当于约44.4g氧气及5.5g多氢气，或者说约1.4个摩尔的氧气，约2.8个摩尔的氢气，常温常压下1摩尔气体为22.4升，因而推出每年该电池约释放气体90升左右。 假如运行条件恶劣，长期过充电，充电电压升高，则产生气体会增加。当用AVR85-23，220V系统时，可串联108个2V单体电池，释放气体量也增至100倍以上。由于氢气的易爆性，通风是必要的。 此外水损的另一途径是水分子透过电池外壳扩散到电池外部空间。 6.5 电池剩余容量计算公式 VRLA电池的使用寿命与产品质量、使用条件、环境与维护等多方面因素相关，是一个随机变量，其一般公式为; 式中:Q为新装电池所测实际容量Ah(可能大于、等于或小于标称容量); Qt为经过时间t后该蓄电池的容量Ah， λ为失效率，表示在蓄电池工作到时间t未失效,尔后单位时间发生失效的概率(λ<1)。 从电池的出厂实验数据，如已知t，则可以求电池失效概率，得出λ,t，进而可推算Q值等。 6.6 电池的热损耗 VRLA电池与任何能源一样，其电能-化学能转换效率不可能100%，充电时电能变成化学能贮存在电池内部，放电时，化学能变成电能，主要消耗在外部电路。 根据电学公式，充电时，电池吸收能量为: W=UIt=EIt+I2R0t (6) 式中:U为充电电压(V),I为充电电流(A),W为充电电能(Wh或kWh),R0为充电电池内阻(Ω)，E为充电电池电势(V)，t为充电时间(h)。 例如，DekaUnigyII系列电池，型号为AVR85-23，1000Ah/2V单体电池R0=0.33mΩ,充电电流=200A=0.2C10,充电电压=2.30V,充电电池电势=2.25V,则有 EIt=2.25V×200t=450t I2R0t=2002×0.33×10-3t=13.2t 另外考虑到放电过程的损耗，总的电池内部损耗应为6%左右。 考虑到其它化学损耗，电阻的变化等因素，故各种电池的效率并不相同，一般认为可达90%~93%。 6.7 选用配套电池容量 从电力合闸的要求，选用配套电池容量(短路电流)，有的厂家对VRLA电池直接给出短路电流值，如Deka电池也有厂家给出15s、5s放电电流值等，但一般均只有5、10、15、30分钟及以上放电数据。 已知合闸冲击电流Ich，有一选用配套电池容量Cb的经验公式为: Cb=KIch (7) 式中:K为选用配套电池系数,取0.2。 至于合闸电源的电压为110V或220V等，则可选电池串联达到所要求的电源电压等级。例如0.5s冲击电流167A，选电池为容量33.4Ah，靠上一档整数为40Ah。 6.8 对直流48V、110V、220V、380V电源的电池个数选择 对48V系统2V单体取24只 6V单体取8只 12V单体取4只 对110V系统2V单体取54只(或53只) 6V单体取18只 12V单体取9只 对220V系统2V单体取108只(或106只) 6V单体取36只 12V单体取18只 对380V系统2V单体取180只 6V单体取60只 12V单体取30只 一般而言，需考虑具体直流负载的工作电压水平，通常取2V单体连成直流系统较好，易于配置调整所需直流电压，但2V系统串联太多，如出现个别电池极性接反，不易从总体直流电压查出安装错误。 6.9 电解液密度对容量的影响 VRLA电池的电势大小与蓄电池极板上活性物质的电化性质和电解液的密度有关，与极板的大小无关。计算电势E的公式为: E=0.85+d (8) 式中:d为蓄电池极板微孔中即隔膜中的电解液密度 充电后为:E=0.85+1.30=2.15V 放电后为:E=0.85+1.15=2.00V(水的密度为1.00g/cm3) 应该注意，E为电池电动势即电池开路端电压，这与电池的闭路电压是两个概念。当电池内部发生故障，内阻增大，尽管此时电势仍高达2V以上，但电池容量已经不够了，故测量开路端电压很难判定电池是否完好。 6.10 电池内阻R0的测量 VRLA电池内阻是一个变量，它与极板，电解液有关，而极板在充电过程中不停变化，电解液也不断变化(H2OH2SO4)，当电池充满电时，电池内阻最小，随着放电过程的延续，电解液变成水，而两极金属铅板变成硫酸盐，均显电阻增大状态，放电终止时，电阻急剧增大，以致外部无压降，电压全部降落在内阻上。 通常标称电阻为出厂时充满电后测试之内阻，随着电池的使用年限增加，实际内阻会有变化，一般趋于增大。 实际内阻R0计算公式为: R0=(E-U)/I (9) 式中:U为电池短路电压,I为短路电流。 根据实际测量值与出厂值比较，可以判定电池的好坏。

VRLA电池由于其密封及吸液式结构，造成对电池容量及性能监测的困难，与传统开口式电池相比，它不能看到液面及极板，也不能嗅到酸味，更不能测量比重及内压等，而电池失效或电池容量降低主要是因为脱水及极板硫化造成的，仅靠外部测量VRLA电池开路电压又不能作为判定电池容量[下降至标称容量的80%的电池，则判定其为失效]的充分依据。 (1)在线电导测试 在美国、德国、英国等国家对VRLA电池一般采用电导技术检测其容量，这种方法无需放电，也不用检查VRLA电池内部。例如美国Midtronics公司的专利电导仪就属于在线测量方式。 其原理是对一组VRLA电池两端加一低频率交流测量信号电压，通过电池的信号电流与信号电压的比值即为电导(仅考虑导纳的实部值)单位为姆欧(或西门子)，反映了此时电池在线时的传导电流能力。为此在安装时应建立电导值测量曲线档案，这样在周期检测时，如发现此时电导值低于80%初始测量值，则电池容量已低于80%标称容量，具体操作方式可见相关产品说明书。 (2)假负载放电 如同测量传统开口式电池的容量一样，假负载放电测试也是目前仍较实用的一种方式。 当备用电池有两组时，可选一组退出系统，再用假负载对其作放电试验，这可以100%地实际检测VRLA电池的容量，需要注意的是有的厂家规定的某电池的放电终止电压是1.75V/单体，而有的厂家规定的是1.80V/单体。 一般在放电开始时，有一个从端电势到闭路电压的陡降(例如从2.20V降至2.05V左右,以后在2.0~1.8V电压之间为一直线，而在放电至终止电压后，电池端电压会急降趋于0V,显陡降跳水曲线)。 根据国家标准,对电池以10小时率放电,测得出C10标称容量值Ce，放电电流为0.1IC10A。若以3小时率放电，则放电电流应为0.25IC10A,即容量为75%Ce;若以1小时率放电，则放电电流应为0.55IC10A,即容量为55%Ce。 (3)目测方法 检查外观是否有电池外壳膨胀、凹陷、连接条打火变色，电缆头及连接螺丝变色等，有无酸雾逸出及其它异味，触摸电缆过热，外壳过热等。 另外，也可用电压表检测，组与组之间的电压是否一致，组内各个电池电压是否一致(一般电池容量下降是因为内阻增大，内阻大的电池电压也较高)，以及电池电压是否低于12V(如充电电池断开浮充电源后仍有个别电池电压低于12V以下，则可能已经损坏)。 还可以打开阀盖(一般禁止打开，但电池有严重疑问者可迅速打开阀盖再行关闭,关闭时注意旋紧)，检查极板是否硫化，以及是否吸液玻璃纤维内部已干涸等。

4.1 对充电器的要求 传统电池充电选用一般整流电源即可，而VRLA电池与传统电池相比，最苛刻的要求在于对充电器的选择上。VRLA电池的充电器一般选择技术上成熟的高频开关电源，如华为公司、中兴公司等均有该系列产品，其技术性能如下: 交流输入:380V±20%，45~66Hz三相五线制或220V±20%，45~66Hz单相三线制 直流输出:额定电压-48V(-43.2V~57.6V) 稳压精度<±0.5% 纹波系数<2.5% 限流、恒压充电可调0.2C10~0.1C10 带温度补偿按48V蓄电池组温度变化72~80mV/℃调整 均充转浮充可调整设定(48V系统电池组) 保护功能输入欠压保护，整定值304V 输入过压保护，整定值456V 直流输出过压保护 直流输出欠压保护(可设定) 整流模块过热保护 三遥功能、智能化接口到远方控制中心 环境的温度-20℃~45℃ 湿度适应为40%~90% 海拔高度在3000m以下 可连接电池组数(至少2组以上) 4.2 VRLA电池的安装 (1)VRLA电池连接至充电器(电信使用一般为两组电池，当交流断电时，一组放电，一组备用)，两组连线在按厂家要求配线选截面后，连接长度应一致，且尽可能短，减少压降与能耗; (2)保险、断路器一般应安装在电池负极与负载之间; (3)不应在一组电池中混联不同型号或不同厂家的电池，以免引起电池组浮充不正常，导致电池损坏。高于220V系统一般选用12V单体电池串联，同容量型号电池并联一般不超过4组; (4)尽管VRLA电池是吸液式设计，可安放任何位置，但最好按照厂方图纸，卧式设计的应卧式安装，立式设计的应立式安装，这有助于电池安全使用; (5)VRLA电池一般应安装于室内，有空调通风装置，温度在25℃左右，湿度在40%~90%之间，通风必不可少。在高山机站雾大、湿度大，海拔高的地方，也可装在室外(电池柜内)。在地震频繁地区，则考虑选用安装抗震结构的电池。在低温地区常年使用，则容量选择应大几号，考虑到抗冻裂问题，最好选用胶体电池。

3.1 容量与温度 当蓄电池放电工作温度不是基准温度25℃时，则实际容量应按公式(2)换算成25℃时的容量。即测试环境温度不是25℃时，容量需校正。 Ce=Ct/[1+KT(T-25℃)] (2) 式中:Ct为实测容量，Ce为25℃实际容量(看作标称容量)，KT为温度系数,T为实际温度。 对于10h率放电，KT=0.006/℃;3h率放电，KT=0.008/℃,1h率放电，KT=0.01/℃. 3.2 容量与极板重量 VRLA电池所用铅板与汽车电池基本材料相近，重量、外型稍有差异，例如12V/100AhVRLA电池与同一厂家制造的汽车电池极板，仅在外型与重量上有差别，后者稍微小些，这是因为汽车电池极板稍薄，但标称容量均一致。 3.3 容量与使用寿命 相同容量的VRLA电池可有不同的设计使用寿命，这主要取决于板极的制造、重量及阀的密封方式，即使是同一厂家的电池由于阀的密封方式不同，极板制造大小不同，可以有6年、10年、20年设计寿命的差异。一般，20年寿命电池的极板重量应是10年寿命极板的两倍左右，这也可以从法拉弟电化学定律得到解释。200Ah电池的重量应是100Ah电池的两倍左右，各个厂家相同容量VRLA电池，重量相近。 此外，实际使用寿命与设计使用寿命有很大差别，这主要取决于VRLA电池中水的损失情况。在设计条件下使用可达到设计寿命，而当外部条件如温度、电压、放电深度等变化超出设计要求时，实际使用寿命将会大大低于设计寿命，容量也会发生变化，趋于降低。 3.4 容量与电解液 VRLA电池的电解液是稀硫酸，其比重与传统的开口满液式电池有差异，为1.296~1.321(传统电池电解液为1.185~1.220)，此时约含40%的硫酸(重量比),体积比约为29%，冰点约为-70℃，而传统电池电解液约在-25℃时结冰，故VRLA电池可用于较低温度条件下，但用于低温时实际容量要降低，可根据厂方提供的容量-温度曲线求出。 另外，还有碱性电解液阀控电池及胶体酸性阀控电池。胶体(Gel)电池(如DEKASolar)在低温条件下使用更好，据厂方资料，南极考察时，-56℃以下温度，电池仍可使用(一般电池可能早已冻裂)。 现在一些VRLA电池已经用于汽车上，这是因为维护简单，且冰点更低，在严寒条件下，汽车起动打火可以方便一些。

理论容量也称计算容量由电池极板所含活性物质的量决定。铅酸蓄电池的电化当量对于Pb,4价为0.517Ah/g,2价为0.259Ah/g;对于PbO2,4价为0.488Ah/g,2价为0.224Ah/g;根据电化当量与活性物质的量计算出来的容量叫蓄电池的理论容量。 实际容量是指蓄电池放电时所测得的容量，取决于活性物质的量及利用率。活性物质与铅板相关，但并不等同于铅重量。利用率与蓄电池极板的结构型式、放电电流的大小、温度、终止电压、原材料质量及制造工艺、技术和使用方法有关，而且是变化的。当今，已知单块极板最大容量为100Ah/2V。 额定容量又称标称容量，即在制造厂规定的条件下，蓄电池能放出的最低工作容量，例如，97Ah电池标称100Ah，有些厂家的电池则是在使用几个循环之后，实际容量达到或超出标称容量。

阀控式密封铅酸蓄电池就是VRLA电池。它诞生于20世纪70年代，到1975年 时，在一些发达国家已经形成了相当的生产规模，很快就形成了产业化并大量投放市场。这种电池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，而倍受用户欢迎，特别是让那些需要将电池配套设备安装在一起(或一个工作间)的用户青睐，例如UPS、电信设备、移动通信设备、计算机、摩托车等。这是因为VRLA电池是全密封的，不会漏酸，而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，所以从结构特性上人们把VRLA电池又叫做密闭(封)铅酸蓄电池。为了区分，把老式铅酸蓄电池叫做开口铅酸蓄电池。由于VRLA电池从结构上来看，它不但是全密封的，而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀，所以VRLA铅酸蓄电池的全称便成了"阀控式密闭铅酸蓄电池"。

蓄电池是UPS的储能装置。市电正常供电时，它依靠充电电路将市电提供的电能转化为化学能储存起来；市电中断供电时，它将化学能转化为电能释放出来维持UPS不间断供电。

UPS所选用的蓄电池要注意标机或后备时间较短必须具有在短时间内能输出大电流的特性。目前，常用的蓄电池有3种，这3种都属于铅酸蓄电池，其型号为HS（涂浆式高效铅电池）、CS（覆盖式铅电池）和M（密封铅酸电池），而密封铅酸蓄电池是最常用的。密封铅酸蓄电池的电解液基本恒定，无损耗。这是因为密封铅酸蓄电池采用了先进的阴极吸收式密封技术。这一技术的采用，可把补加蒸馏水的间隔时间延长到5年以上，为了保证密封电池安全、可靠的工作，要求给蓄电池充电时的充电电流不得超过电池允许的最大充电电流值。目前UPS的充电器均采用分级恒流恒压充电方式，即在充电初期采用恒流充电，其充电电流限制在规定值或电池额定容量十分之一的电流值。充电一定时间后，改为恒压充电，即浮充电。

电量计算

大多数使用VRLA的场合都需要在放电过程中得知剩余电量信息，此信息可能用百分比或剩余工作时间等方式表示。在蓄电池电量耗尽前需要完成某些操作，关停设备或启动其它发电设备。完全充电后的VRLA的放电剩余电量与电池的劣化程度有关，还与放电的电源大小、温度相关，尤其是在高倍率下。

与SOC相关的研究主要集中在电动汽车(EV-Electrical Vehicle)的"油料表"(Gauge)，它必 须准确指示剩余电量，以便及时充电，而EV的变电流使用方式和刹车电量回授的影响使得SOC的计算更为复杂。

SOC计算方法有以下几种。

(1) 电压-电量对应

世界最大的电池电量仪表制造商CURTIS公司的产品，部分使用电压-电量对应方法。

(2) 安时积分法

针对电动汽车的电池使用特点，研究了计算补偿系数的电量计量方法。

(3)Peukert定律

一种计算在不同电流和温度下放电容量的方法，其系数的确定较为困难。对于劣化到一定程度的电池，该定律是否仍然有效，还没有相关证实。

(4) 阻抗分析

Kenneth Bundy等人进行了通过阻抗谱数据的分析预测镍氢(Ni/MH)电池的SOC，获得了最大误差为7%的预测效果;Alvin J.Salkind等采用模糊逻辑算法，分析3个不同频点的阻抗虚部预测Li/SO2和Ni/MH电池的SOC亦获得5%的准确度。

(5) 复合技术

部分研究是采用以上几种方法的复合。

由于备用方式与循环深度放电使用方式存在本质的区别，如何计算备用方式的SOC受劣化程度的影响仍是难题。