閥控式鉛酸蓄電池

閥控式密封鉛酸蓄電池就是VRLA電池。

英語全稱為：Valve Regulated Lead Acid Battery

它誕生於20世紀70年代，到1975年時，在一些發達國家已經形成了相當的生產規模，很快就形成了產業化並大量投放市場。這種電池雖然也是鉛酸蓄電池，但是它與原來的鉛酸蓄電池相比具有很多優點，而倍受用戶歡迎，特別是讓那些需要將電池配套設備安裝在一起(或一個工作間)的用戶青睞，例如UPS、電信設備、移動通信設備、計算機、摩托車等。這是因為VRLA電池是全密封的，不會漏酸，而且在充放電時不會象老式鉛酸蓄電池那樣會有酸霧放出來而腐蝕設備，污染環境，所以從結構特性上人們把VRLA電池又叫做密閉（封）鉛酸蓄電池。為了區分，把老式鉛酸蓄電池叫做開口鉛酸蓄電池。由於VRLA電池從結構上來看，它不但是全密封的，而且還有一個可以控制電池內部氣體壓力的閥，所以VRLA鉛酸蓄電池的全稱便成了“閥控式密閉鉛酸蓄電池”

鉛酸蓄電池密封的難點就是充電時水的電解。當充電達到一定電壓時（一般在2.30V/單體以上）在蓄電池的正極上放出氧氣，負極上放出氫氣。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環境，另一方面電解液中水份減少，必須隔一段時間進行補加水維護。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點而研製的產品，其產品特點為：

（1）採用多元優質板柵合金，提高氣體釋放的過電位。即普通蓄電池板柵合金在2.30V/單體（25℃）以上時釋放氣體。採用優質多元合金后，在2.35V/單體（25℃）以上時釋放氣體，從而相對減少了氣體釋放量。

（2）讓負極有多餘的容量，即比正極多出10%的容量。充電後期正極釋放的氧氣與負極接觸，發生反應，重新生成水，即O2+2Pb→2PbO+2H2SO4→H2O+2PbSO4，使負極由於氧氣的作用處於欠充電狀態，因而不產生氫氣。這種正極的氧氣被負極鉛吸收，再進一步化合成水的過程，即所謂陰極吸收。

（3）為了讓正極釋放的氧氣儘快流通到負極，必須採用和普通鉛酸蓄電池所採用的微孔橡膠隔板不同的新型超細玻璃纖維隔板。其孔率由橡膠隔板的50%提高到90%以上，從而使氧氣易於流通到負極，再化合成水。另外，超細玻璃纖維隔板具有將硫酸電解液吸附的功能，因此即使電池傾倒，也無電解液溢出。

（4）採用密封式閥控濾酸結構，使酸霧不能逸出，達到安全、保護環境的目的。

在上述陰極吸收過程中，由於產生的水在密封情況下不能溢出，因此閥控式密封鉛酸蓄電池可免除補加水維護，這也是閥控式密封鉛酸蓄電池稱為免維電池的由來。但是，免維的含義並不是任何維護都不做，恰恰相反，為了提高閥控式密封鉛酸蓄電池的使用壽命，有許多維護工作等著我們去做，正確的使用方法只有在做中才能探索出來。

鉛酸蓄電池的電性能用下列參數量度：電池電動勢、開路電壓、終止電壓、工作電壓、放電電流、容量、電池內阻、儲存性能、使用壽命（浮充壽命、充放電循環壽命）等。

當蓄電池用導體在外部接通時，正極和負極的電化反應自發地進行，倘若電池中電能與化學能轉換達到平衡時，正極的平衡電極電勢與負極平衡電極電勢的差值，便是電池電動勢，它在數值上等於達到穩定值時的開路電壓。電動勢與單位電量的乘積，表示單位電量所能作的最大電功。但電池電動勢與開路電壓意義不同：電動勢可依據電池中的反應利用熱力學計算或通過測量計算，有明確的物理意義。後者只在數字上近於電動勢，需視電池的可逆程度而定。

電池在開路狀態下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等於電池正極電極電勢與負極電極電勢之差。

電池工作電壓是指電池有電流通過（閉路）的端電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。電池在接通負載后，由於歐姆電阻和極化過電位的存在，電池的工作電壓低於開路電壓。

電池容量是指電池儲存電量的數量，以符號C表示。常用的單位為安培小時，簡稱安時（Ah）或毫安時（mAh）。

電池的容量可以分為額定容量（標稱容量）、實際容量。

（1）額定容量

額定容量是電池規定在在25℃環境溫度下，以10小時率電流放電，應該放出最低限度的電量(Ah)。

a、放電率。放電率是針對蓄電池放電電流大小，分為時間率和電流率。

放電時間率指在一定放電條件下，放電至放電終了電壓的時間長短。依據IEC標準，放電時間率有20，10，5，3，1，0.5小時率及分鐘率，分別表示為：20Hr，10Hr，5Hr，3Hr，2Hr，1Hr，0.5Hr 等。

b、放電終止電壓。鉛蓄電池以一定的放電率在25℃環境溫度下放電至能再反覆充電使用的最低電壓稱為放電終了電壓。大多數固定型電池規定以10Hr放電時（25℃）終止電壓為1.8V/只。終止電壓值視放電速率和需要而定。通常，為使電池安全運行，小於10Hr的小電流放電，終止電壓取值稍高，大於10Hr的大電流放電，終止電壓取值稍低。在通信電源系統中，蓄電池放電的終止電壓，由通信設備對基礎電壓要求而定。

放電電流率是為了比較標稱容量不同的蓄電池放電電流大小而設的，通常以10小時率電流為標準，用I10表示，3小時率及1小時率放電電流則分別以I3、I1表示。

c、額定容量。固定鉛酸蓄電池規定在25℃環境下，以10小時率電流放電至終了電壓所能達到的額定容量。10小時率額定容量用C10表示。10小時率的電流值為C10/10。

其它小時率下容量表示方法為：3小時率容量(Ah)用C3表示，在25℃環境溫度下實測容量(Ah)是放電電流與放電時間(h)的乘積，閥控鉛酸固定型電池C3和I3值應該為：

C3=0.75 C10(Ah)

I3=2.5 I10(h)

1小時定容量(Ah)用C1表示，實測C1和I1值應為C1=0.55 C10(Ah)

I1=5.5 I10(h)

（2）實際容量

實際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等於放電電流與放電時間的乘積，單位為Ah。

電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻，極化內阻又包括電化學極化與濃差極化。內阻的存在，使電池放電時的端電壓低於電池電動勢和開路電壓，充電時端電壓高於電動勢和開路電壓。電池的內阻不是常數，在充放電過程中隨時間不斷變化，因為活性物質的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變。

歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關係，常隨電流密度的對數增大而線性增大。

蓄電池經歷一次充電和放電，稱為一次循環（一個周期）。在一定放電條件下，電池工作至某一容量規定值之前，電池所能承受的循環次數，稱為循環壽命。

各種蓄電池使用循環次數都有差異，傳統固定型鉛酸電池約為500~600次，起動型鉛酸電池約為300~500次。閥控式密封鉛酸電池循環壽命為1000~1200次。影響循環壽命的因素一是廠家產品的性能，二是維護工作的質量。固定型鉛電池用壽命，還可以用浮充壽命（年）來衡量，閥控式密封鉛酸電池浮充壽命在10年以上。

對於起動型鉛酸蓄電池，按我國機電部頒標準，採用過充電耐久能力及循環耐久能力單元數來表示壽命，而不採用循環次數表示壽命。即過充電單元數應在4以上，循環耐久能力單元數應在3以上。

電池的能量是指在一定放電制度下，蓄電池所能給出的電能，通常用瓦時（Wh）表示。

電池的能量分為理論能量和實際能量。理論能量W理可用理論容量和電動勢（E）的乘積表示，即

W理=C理E

電池的實際能量為一定放電條件下的實際容量C實與平均工作電壓U平的乘積，即

W實=C實U平

常用比能量來比較不同的電池系統。比能量是指電池單位質量或單位體積所能輸出的電能，單位分別是Wh/kg或Wh/L。

比能量有理論比能量和實際比能量之分。前者指1 kg電池反應物質完全放電時理論上所能輸出的能量。實際比能量為1 kg電池反應物質所能輸出的實際能量。

由於各種因素的影響，電池的實際比能量遠小於理論比能量。實際比能量和理論比能量的關係可表示如下：

W實= W理·KV·KR·Km

式中 KV—電壓效率； KR—反應效率； Km—質量效率。

電壓效率是指電池的工作電壓與電動勢的比值。電池放電時，由於電化學極化、濃差極化和歐姆壓降，工作電壓小於電動勢。

反應效率表示活性物質的利用率。

電池的比能量是綜合性指標，它反映了電池的質量水平，也表明生產廠家的技術和管理水平。

蓄電池在貯存期間，由於電池內存在雜質，如正電性的金屬離子，這些雜質可與負極活性物質組成微電池，發生負極金屬溶解和氫氣的析出。又如溶液中及從正極板柵溶解的雜質，若其標準電極電位介於正極和負極標準電極電位之間，則會被正極氧化，又會被負極還原。所以有害雜質的存在，使正極和負極活性物質逐漸被消耗，而造成電池喪失容量，這種現象稱為自放電。

電池自放電率用單位時間內容量降低的百分數表示：即用電池貯存前（C10’）（C10”）容量差值和貯存時間T（天、月）的容量百分數表示。

為了補充閥控式鉛酸蓄電池備用時由於自放電引起的容量損失，在實際使用中，作為備用的鉛酸蓄電池平時都處於浮充電狀態。即給蓄電池二端加上一定的充電電壓，使電池處於浮充電流產生的充電和自放電引起的容量損失的動態平衡狀態，保持蓄電池是滿容量的。單體浮充電壓是根據電池廠家要求設定的，閥控電池一般在2. 23～2. 27 V 之間。單體浮充電壓對閥控電池的容量和壽命有著明顯的影響，說明了這一影響的關係。在蓄電池組實際運行時，充電機並不是對每個電池單獨控制充電的，而是控制整組電池的充電電壓。

(1) 過高的浮充電壓意味著對電池的過充，加速了正極板腐蝕並減少了電池壽命；

(2) 同樣 ,過低的浮充電壓意味著對電池的欠充，加速負極板腐蝕，也減少了電池壽命；

(3) 電池組中各單體電池電壓會相互影響，產生更大的波動，加強了過充和欠充現象。

在對實際運行的蓄電池組浮充電壓數據進行分析后，可以看到浮充電壓的偏離現象。儘管理論和實踐都證明，單體電池的浮充電壓和電池容量沒有相關性，但是浮充電壓的離散度卻和電池性能有相關性。通過放電測試驗證了浮充電壓長期偏離對容量的影響，尤其是浮充電壓離散度更能表徵對電池容量產生的影響。

蓄電池監測系統中，不論是現場設備、單機版監控軟體，還是網路監控系統，一般都缺乏對蓄電池狀態分析的有效方法，即使有一些內阻的在線測試，也只是顯示了內阻數據，而沒有告知電池狀態，更沒有維護的手段。為此，根據上述思路，我們在已有的蓄電池監測模塊(BMM) 的基礎上，增加了兩大模塊：

(1) 將蓄電池監測模塊(BMM) 通過網路聯網或接入已有的動環系統，並在遠程計算機系統中安裝分析軟體模塊 ———蓄電池失效數學模型，實時監測和分析蓄電池浮充電壓的離散度、內阻的變化趨勢等相關參數，分析閥控電池實際的運行狀態，並針對性的發出維護指令。

(2) 在蓄電池監測模塊(BMM) 內增加蓄電池維護模塊，可以對任意單體電池充放電進行控制，實現在線對單體電池浮充電壓進行調整，補充電或放電。當系統發現某一電池浮充電壓有持續異常或性能有偏差時，發出維護指令，則蓄電池監測模塊 (BMM) 執行相應的充放電維護程序。