TROJAN蓄电池基础知识（1）

TROJAN蓄电池基础知识（1）

1.1 蓄电池的分类

蓄电池组在通信电源系统中占有重要的地位，作为组合电源和不间断电源（UPS）的后备电源，负责在交流市电停电或异常时为通信设备提供电能，保证通信设备正常工作。同时，适用于电力、太阳能等不同的供电系统。蓄电池种类很多，按蓄电池盖和结构分类，有开口式、排气式、防酸隔爆式和密封阀控式蓄电池；按蓄电池维护方式分类，有普通式、少维护式、免维护式蓄电池。目前最常使用的是阀控式密封铅酸蓄电池。

阀控式密封铅酸蓄电池具有以下特点。

1．   密封结构

具有独特的结构，并采用先进的密封技术，确保密封安全可靠。

2．   免维护设计

具有良好的氧循环复合能力。充电时所产生的氧气几乎被完全吸收，在使用时无需补充水，无需测量电解液的密度。

3．   长寿命

因具有以下特点，使阀控式密封铅酸蓄电池拥有超长的使用寿命和良好的耐用性。

l     具有特殊的耐腐蚀铅钙合金板栅。

l     采用坚固耐用的ABS材料制成外壳。

l     具有高纯度的超细吸附式隔板。

l     具有精密开启的压力安全阀。

l     采用先进的极柱板栅一体化设计和精良的制造工艺。

4．   良好的高倍率特性

由于阀控式密封铅酸蓄电池的内阻小。因此，在高倍率脉冲或连续电流放电时具有良好的高倍率性能。

5．   宽温度适用范围

工作温度范围为-20oC~+45oC。

6．   高能量密度

采用贫液式设计和紧装配工艺，具有很高的体积比能量和重量比能量。

7．   低自放电

采用高纯度的原材料制成，使阀控式密封铅酸蓄电池在储存或不使用时自放电率大大降低，每月的自放电率低于3%。

8．   深放电恢复性能好

采用特殊的电解液配方，在深放电后具有良好的恢复特性。

下面将以阀控式密封铅酸蓄电池为例介绍。

1.2结构介绍

1．   外形

阀控式密封铅酸蓄电池由极板、电解质、壳体及附件等组成。其中，GFM-200蓄电池外形如图4.2?1所示，6-GFM-7蓄电池外形如图4.2?2所示。

图4.2?1 GFM-200蓄电池外形图

图4.2?2  6-GFM-7蓄电池外形图

2．   阀控式密封铅酸蓄电池的各种端子位置如图4.2?3所示。

1．a、b、c、d、e、f、g共7个小图分别为7种不同的端子位置示意小图
2．L表示阀控式密封铅酸蓄电池的长度，W表示阀控式密封铅酸蓄电池的宽度

图4.2?3 阀控式密封铅酸蓄电池的各种端子位置示意图

图4.2?3中7种端子位置示意小图所对应的阀控式密封铅酸蓄电池的型号如表4.2?1所示。

表4.2?1  7种端子位置示意小图所对应的阀控式密封铅酸蓄电池的型号一览表

1.3 工作原理

1．   充放电过程中的化学反应

阀控式密封铅酸蓄电池在充放电过程中的化学反应式如图3.2?1所示。

图1.3?1 充放电化学反应式

l     放电时：正极板的二氧化铅和负极板的海绵状铅与电解液中的硫酸发生化学反应，生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度降低。

l     充电时：硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复二氧化铅和海绵状铅，电解液中的硫酸浓度增大。

2．   充电末期电极反应

（1）  在充电的末期，电池的电压上升至一定值时，正极板上因水的分解而放出氧气。

H2O→2H＋＋1/2O2＋2e－

（2）  生成的氧气通过隔板中的气体通道传输到负极板上，与海绵状铅发生化合反应。

2Pb＋O2→2PbO

（3）  PbO是碱性氧化物，立即与电解液中的硫酸反应生成硫酸铅。

PbO+H2SO4→PbSO4+H2O

（4）  硫酸铅经充电转化成海绵状铅。

PbSO4＋2H＋＋2e－→Pb＋H2SO4

（5）  负极板上的总反应为：

O2+4H＋+4e－→2H2O

GFM电池在充电时，在正极板上失去的水，由负极板上生成的水来补充，从而实现了GFM电池在使用过程中免加水、免维护的目的。

1.4 影响蓄电池寿命的主要因素

影响阀控密封铅酸蓄电池寿命的因素很多，既有电池设计和制造方面的因素，又有用户使用条件和维护方面的因素。

1.4.1 设计和制造因素

正极板栅耐腐蚀性能和电池的水损耗速度是两个最主要的因素。由于现在的蓄电池的正极板栅的厚度加大，采用PB－CA－SN－AI四元耐蚀合金，根据板栅腐蚀速度推算，电池寿命可达10~15年。然而从电池使用结果来看，水损耗速度成为影响密封电池使用寿命的最关键因素。

1.4.1.1 蓄电池失水与使用寿命之间的关系

对一般密封阀控铅酸蓄电池而言，由于采用“贫液式”设计，电池的正极和负极活性物质的量以及电解液的量处于最佳匹配状态，所以电池容量对电解液量极为敏感，它们之间存在如下关系。电池失水10％，电池容量降低20％；电池失水25％，电池寿命结束。

电池失水途径有：电池槽、盖渗漏；环境温度过高；节流阀频繁开启或阀门开启后关闭不了，导致氢气和氧气逸出，同时带走酸雾；热失控现象。

热失控现象：电池在充电后期（或浮充状态），由于没有及时调整充电电压，使电池的充电电流和温度发生一种累积性的相互增强作用，此时电池温度急剧上升，从而导致电池槽盖膨胀变形，失水速度加大，甚至电池损坏。

1.4.2 蓄电池使用条件和维护对其寿命的影响

众所周知蓄电池使用的环境温度、充放电流、放电深度、电池容量的合理配置、定期维护是保证电池正常寿命的关键。环境温度过高，蓄电池中的化学反应加剧，在充电过程中蓄电池的减压阀会频繁开启加速了失水速度，从而降低了蓄电池寿命；放电深度以及放电电流及终止电压与蓄电池寿命之间的关系也是非常密切的，具体情况详见表 3.2?1 蓄电池放电深度与使用寿命之间的关系（25℃）和表 3.2?2。

蓄电池工作温度会影响到蓄电池的容量、内阻、充电效率、充电电流等，温度升高蓄电池的容量会增加；内阻减小；充电效率增加；同一浮充电压，充电电流增加。如果在浮充电压为55.2V时，环境温度为26℃时，寿命为10年；环境温度为36℃时，寿命4年。

表 3.2?1 蓄电池放电深度与使用寿命之间的关系（25℃）

从上表可以看出蓄电池的使用寿命不能笼统地一概而论，应该视具体使用情况而定。在一定程度上蓄电池的寿命由其充放电的循环次数来决定，而不是以使用多少年来衡量的。

表 3.2?2 蓄电池放电终止电压与放电电流之间的关系

从上表不难看出：放电电流越大，放电时间越短，蓄电池实际放出的容量越小；放电电流越小，放电时间越长，蓄电池实际放出的容量就越大（即放电深度越深）。所以放电电流过大和过小，都应尽量避免，放电电流过大时电池会因在极短时间内电池电压降至极低而导致电池失效；放电电流过小则会造成电池深度放电而低效报废。

1.4.2.1 蓄电池的充放电

（１）蓄电池的放电过程

蓄电池的放电电流不宜太大，一般情况选用10H放电率来对蓄电池进行放电，尽量避免大电流放电（小于1H放电率）。电池放电到终止电压时必须采取保护措施，不得继续放电。以10H放电率放电时，终止电压为43.2V。当电源系统上的直流断路器将负载断开后，蓄电池的端电压会向上反弹5V左右。蓄电池的放电曲线如图 3.2?1所示。

图 1.4?1 蓄电池放电曲线

从上面的放电曲线可以看出：在放电初期电池端电压下降的比较快，在放电10分钟后，电池电压下降到53.0V。放电大约半小时后，电池端电压降至49V左右，放电1小时后电池端电压降至48V；蓄电池电压在48V时，放电时间最长，大约要持续7到8小时；8小时后，蓄电池端电压开始下降，下降速度比较快，当电池电压降至43.2V时电源系统上的直流断路器断开，以便保护蓄电池不至过放而损坏，此时蓄电池端电压会有所上升，上升值约为5V左右。

（２）蓄电池的充电过程

蓄电池的充电过程是电能转化为化学能的过程，充电电压和电流要合适，偏大和偏小均会影响蓄电池的寿命。一般情况下采用0.1C的充电电流来给蓄电池充电，浮充和均充电压的选择要依据电池厂家的推荐值来设定。充电过程见图 3.2?2、图 3.2?3所示（电池放电容量超过总容量的50％，以0.1C充电电流来给蓄电池充电）。

图 1.4?2 充电过程中蓄电池端电压变化曲线

图 3.2?3 充电过程中蓄电池充电电流变化曲线

1.4.2.2 蓄电池容量的配置

对于给通信设备供电的蓄电池来说，合理的配置蓄电池容量是非常重要的。如果电池容量偏小则不能满足通信设备在停电时间较长的情况下的正常供电，影响正常通信；而电池容量太大则不仅是一种浪费，同时也会影响蓄电池的寿命，所以要合理选择蓄电池的容量。蓄电池容量的选择主要是根据负载总电流、蓄电池的效率、停电时间长短和频繁程度以及扩容情况来决定。可根据下列公式来进行蓄电池容量的选择：C=[（负载电流＋备用负载电流）×10]÷蓄电池效率×A。式中C代表蓄电池容量，A表示所需放电时间的加权系数＝所需放电时间（小时）÷10。

举例说明：有一移动基站BTS满负荷电流为15A，传输设备工作电流为5A，还准备增加一套CDMA设备，其所需提供的电流为20A。该基站经常停电，停电时间约为24小时。计算所需电池容量为C＝（15＋5＋20）×10÷0.85×2.4＝1119AH，故选用两组500AH电池即可。如果停电时间太长，例如48小时，是不能用增加电池容量的办法来实现给设备供电的，而应考虑用发电机来发电，否则将影响到蓄电池的寿命。

1.4.2.3 蓄电池的日常维护

在蓄电池的使用过程中需对其做相应的维护，由于蓄电池在运行一段时间后，就会出现个别落后电池（一般情况下落后电池端电压比正常电池的端电压小20mV,5%）或失效的现象，如果不及时发现，那么落后的电池会越来越落后，直至失效。失效的电池会导致其他好的电池随时间推移慢慢失效，进而使整个电池组报废。所以一般每隔3个月要对蓄电池进行一次维护，主要是检查蓄电池组中的电池有无漏液、有无“臌肚子现象”、有无落后电池存在、蓄电池连接处有无锈蚀和固定螺钉松动、环境温度是否正常等等。只有做到及时发现及时处理，才能确保蓄电池的正常寿命。

1.5 蓄电池的使用

1.5.1 注意事项

1．   不要使蓄电池短路。

2．   使用前必须充电。

3．   不要打开安全阀。

4．   保持蓄电池清洁。

5．   如果长期贮存，应定期对蓄电池进行补充电。

6．   事故放电后，蓄电池在没有及时补充电的情况下，不允许让其继续供电。

7．   同一蓄电池组内必须使用相同型号的蓄电池，不同型号的蓄电池混用会损坏设备。禁止将不同标称容量的电池组并联使用。

1.5.2 充电

1．   充电方式分类

分为浮充和均充两种充电方式。

l     浮充是指当蓄电池处于充满状态时，充电器不会停止充电，仍会提供恒定的浮充电压和很小的浮充电流供给蓄电池。一旦充电器停止充电，蓄电池会自然地释放电能，利用浮充方式，可以平衡这种自然放电。

l     均充是指按照已设定的充电电流和充电时间对蓄电池进行快速充电。在对蓄电池保养时，通常采用均充方式，这种充电方式有利于激活蓄电池的化学特性。

2．   充电参数

充电参数如表5.1?1所示。

表5.1?1 充电参数一览表

3．   均充的适用场合

l     蓄电池在第1次投入使用前应进行均充，当均充电流小于10 mA/Ah时自动转入浮充，浮充时间不少于24 h。

l     如供电条件恶劣，停电频繁，应视具体情况进行定期均充。

l     当出现个别落后电池时，应进行均充。落后电池是指按0.10C10 A电流放电5小时后，放电终止电压小于10.80 V（6-GFM系列和6-GFM-T系列）或1.80 V（GFM系列）的单节电池。

l     当事故放电或电池定期容量检测后，应进行均充。

1.5.3 容量检测

1．   容量检测前应进行均充。

2．   当均充转浮充后，浮充电流为1 mA/Ah~2 mA/Ah，且连续稳定约2~3小时不变，表明电池已充足电。在确保浮充24小时并断电1小时后，方可进行容量检测，检测标准见表5.1?2。

表5.1?2 容量检测标准

表中I10表示10小时放电率的放电电流，其数值为电池的标称容量C10的1/10。电池为多路并联时，电池的标称容量为多路并联电池的标称容量之和。

蓄电池放电时，蓄电池端子电压不能低于放电终止电压，以免损坏蓄电池。

3．   放电结束后，必须在8小时内进行均充，当均充电流小于10 mA/Ah时自动转入浮充。当浮充电流为1 mA/Ah~2 mA/Ah，且连续稳定约2~3小时不变时，表明电池已充足电。再确保浮充24小时以上。

1.5.4 放电

控制放电深度的方法有以下3种。

1．   利用放电时间来控制放电深度，放电时间与负载电流乘积应≤0.80C10 Ah。

2．   利用放电容量来控制放电深度，设置的电池放电容量应≤0.80C10 Ah。

3．   利用放电终止电压来控制放电深度，也就是通过一次下电电压和二次下电压设置来防止电池过放电。

1.5.5 停电时间的使用要求

1．   蓄电池放电后，在没有再次充足电前，禁止再次放电。

2．   供电条件较好的设备，每6个月进行一次保护性C10容量放电，放电深度为50%。放电后及时充足电。

3．   对于停电频繁，停电时间较长的设备，应配备油机等辅助供电设备。当蓄电池放电深度达到80%，市电没有恢复供电时，应采用油机为基站设备供电并对蓄电池及时补充电。

1.5.6 蓄电池的更换

1．   如果蓄电池电压在放出其额定容量的80％（对照相应放电率的容量如C10、C3等参数）之前已低于如表5.1?2所规定的最低放电终止电压，则应考虑加以更换。

2．   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。

1.6 日常维护

为了确保蓄电池正常的使用寿命，应定期对蓄电池进行检查和维护。“定期”可分为按月、按季度和按年度三个时间阶段。定期检查项目见表5.2?1。

表5.2?1 定期检查项目列表

1.7 故障处理

常见故障诊断及解决方法如表5.3?1所示。

表5.3?1 常见故障诊断及解决方法一览表