高功率閥控式密封鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)

陳鳳偉

（廣東湯淺蓄電池有限公司，廣東 佛山 528300）

高功率閥控式密封鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)

陳鳳偉

（廣東湯淺蓄電池有限公司，廣東 佛山 528300）

高功率閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)具有重量減輕、體積減小、密封性能好、自放電率低、易于維護(hù)操作、延長(zhǎng)電池壽命、對(duì)環(huán)境腐蝕與污染大大降低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。介紹了閥控式鉛酸蓄電池原理，分析了其技術(shù)特性，并對(duì)某種汽車用蓄電池提出了設(shè)計(jì)思想及安全閥的設(shè)計(jì)。

密封；閥控式鉛酸蓄電池；技術(shù)特性；安全閥設(shè)計(jì)

1 閥控蓄電池的概念

閥控蓄電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥，也稱作安全閥，該閥能夠在電池內(nèi)部氣體壓力值超過一定數(shù)值，即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開，排出氣體，然后自動(dòng)關(guān)閥，防止外部空氣進(jìn)入電池內(nèi)部，因此稱為閥控蓄電池。閥控密封鉛酸蓄電池已成為最新一代的產(chǎn)品。閥控鉛酸蓄電池的性能特點(diǎn)能滿足目前大多數(shù)場(chǎng)合的使用條件和要求，且它的生產(chǎn)制作工藝很成熟，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛普及的蓄電池[1]。

2 閥控鉛酸蓄電池密封原理

鉛蓄電池工作原理是電子導(dǎo)體與電解質(zhì)溶液進(jìn)行的一種化學(xué)變化，有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生完整的導(dǎo)電體系，其內(nèi)部化學(xué)方程式如下：

鉛酸蓄電池密封關(guān)鍵技術(shù)在于解決充電時(shí)水的電解。對(duì)于傳統(tǒng)上的鉛酸電池來說，當(dāng)充電電壓達(dá)到2.30V時(shí)，在蓄電池內(nèi)部水進(jìn)行電解，蓄電池的正極上放出氧氣，負(fù)極上放出氫氣。這些氣體會(huì)釋放到大氣中，形成酸霧，從而腐蝕了蓄電池的電極，也帶來很大的環(huán)境污染問題；與此同時(shí)，蓄電池電解液中的水不斷減少，需要對(duì)電池定期加水維護(hù)，增加了維護(hù)成本，使用極不方便。另外，由于電解作用，造成電池的積極老化，減少蓄電池的使用壽命，增加了企業(yè)成本。閥控式鉛酸蓄電池成熟應(yīng)用解決了這些難題。其主要特點(diǎn)如下：

（1）閥控式鉛酸蓄電池電極采用多元優(yōu)質(zhì)板柵合金，據(jù)實(shí)驗(yàn)研究分析，閥控蓄電池氣體釋放過電位發(fā)生在其端電壓為2.35V，環(huán)境溫度在25℃時(shí)，氣體釋放到大氣環(huán)境中較少，減少了環(huán)境污染。

（2）基于電池容量及使用壽命方面，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用陰極吸收原理合計(jì)數(shù)，通過化學(xué)反應(yīng)：

（3）蓄電池運(yùn)用新材料為超細(xì)玻璃纖維隔板，便于陰極吸收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，增加吸附硫酸電解液的能力，防止電解液的溢出，從而減少電解液腐蝕電極的概率，降低污染因素影響。

(4)采用密閉結(jié)構(gòu)和濾酸功能，防止霧酸溢出，降低環(huán)境污染滿足使用安全、可靠免維護(hù)的特點(diǎn)。

3 閥控密封鉛酸蓄電池的技術(shù)特性分析

閥控密封鉛酸蓄電池的壽命主要包括浮充壽命和循環(huán)壽命。循環(huán)壽命是指電池容量減少到規(guī)定值以前，電池充放電循環(huán)的次數(shù)。在正常維護(hù)下，閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)浮充壽命是指電池浮充供電的時(shí)間。理論上蓄電池浮充壽命大于10年。

3.1 初始充電

研究表明，閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)充電速率vc≥C/5時(shí)（C表示蓄電池額定容量），其容量恢復(fù)原來的的八成左右時(shí)，充電電流迅速增大，出現(xiàn)電池過充反應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)vc≤C/100時(shí)，蓄電池處于涓流充電狀態(tài)，只有電池容量達(dá)到100%放出的容量時(shí)，才開始出現(xiàn)過充現(xiàn)象。為了使閥控密封鉛酸蓄電池容量恢復(fù)到100，加快充電速率，減少充電時(shí)間，需要允許一定的過充電狀態(tài)存在。閥控密封鉛酸蓄電池充足電后，需要在蓄電池組兩端輸入恒定的浮充電壓，維持蓄電池滿充狀態(tài)。

3.2 浮充電

3.2.1 浮充電壓及電流

閥控密封鉛酸蓄電池浮充電壓是蓄電池重要參數(shù)，主要有極化電壓和開路電壓構(gòu)成。浮充電壓過高，引起蓄電池充電電流過大，造成電池過充，從而縮短電池使用壽命，目前我國(guó)廠商生產(chǎn)的這類電池浮充電壓較低，平均值為2.3V左右。閥控密封鉛酸蓄電池的浮充電流主要是對(duì)蓄電池自放電產(chǎn)生的損失進(jìn)行補(bǔ)償。第二點(diǎn)是為負(fù)載提供動(dòng)力電能，提供持續(xù)穩(wěn)定的直流。第三主要是維持閥控密封鉛酸蓄電池內(nèi)部陰極吸收所需要的氧循環(huán)。

3.2.2 溫度及氣體復(fù)合

氣體復(fù)合是一種化學(xué)反應(yīng)，在周圍環(huán)境升高或者氣體復(fù)合過程（負(fù)極析出的氫氣微小，正極析出的氧氣擴(kuò)散到負(fù)極表面并還原，負(fù)極周圍無盈余的氧氣），蓄電池內(nèi)部溫度會(huì)升高，由于其內(nèi)部是密閉的，因此設(shè)計(jì)高功率蓄電池時(shí)，要充分考慮溫度及氣體復(fù)合的因素，如圖1所示。一旦浮充電壓或外部環(huán)境溫度升高，充電電流急速上升，氣體復(fù)合率隨之而降低。一般來說鉛酸蓄電池充電電流在1/50C以下時(shí)，其內(nèi)部氣體符合率為100%；充電電流為1/20C時(shí)，氣體復(fù)合率降為90%；當(dāng)充電電流上升到1/10C時(shí)，復(fù)合率為25%。

圖1 氣體復(fù)合與充電電流、電壓、速率關(guān)系圖

閥控鉛酸蓄電池充電過程中，內(nèi)部氣體復(fù)合產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度升高。從而引起浮充電流增大，析氣量增大，析氣量增大又會(huì)引起溫度持續(xù)升高形成一個(gè)正反饋。正是這個(gè)正反饋容易造成密封電池內(nèi)部的熱失控。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮充電芯片的溫度補(bǔ)償，對(duì)充電電流計(jì)溫度進(jìn)行控制。

3.3 電解液配比

大量研究表明，高功率閥控密封鉛酸蓄電池放電性能受蓄電池內(nèi)部電解液的濃度配比及添加劑的輔助作用。在高功率閥控鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)過程，充分控制好電解液的配比將有助于增強(qiáng)電解液導(dǎo)電性能，抑制極板枝晶短路的發(fā)生；防止活性物質(zhì)的軟化、脫落、減緩板柵的腐蝕；提高電池過放電后容量的恢復(fù)能力和再充電接受能力；抑制早期容量損失，提高充放電容量。而在電解液中加入添加劑將有助于降低成本，便于技術(shù)推廣，且不改變蓄電池工業(yè)生產(chǎn)的過程，還能夠改善閥控密封鉛酸蓄電池性能。

4 高功率閥控密封鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)基本要求及思想

設(shè)計(jì)的電池為某品牌汽車動(dòng)力蓄電池，電池組外形尺寸：220mm(長(zhǎng))X 176mm(寬)X 302mmm(高)；行程1000km，設(shè)計(jì)汽車時(shí)速100km/h；工作電壓:48V；工作電流為10A；設(shè)計(jì)使用壽命為7年以上。

由以上分析，蓄電池采用先進(jìn)的超細(xì)玻璃纖維(AGM)隔板，電池具備無腐蝕性。蓄電池設(shè)計(jì)為多重密封技術(shù)結(jié)構(gòu)，電池滲液得到控制；電池極柱采用嵌入式大面積銅芯，具備優(yōu)越的放電特性；電池板柵采用高錫低鈣板柵合金，腐蝕速率低，有效地延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命；采用高品質(zhì)的鉛基合金，把自放電控制在最小。蓄電池槽采用阻燃、超強(qiáng)的丙烯睛一丁二烯-苯乙烯共聚物塑料，增強(qiáng)了電池耐振動(dòng)性、阻燃性；蓄電池安全閥具有自動(dòng)平衡蓄電池內(nèi)部氣體壓力、防爆的功能，設(shè)計(jì)安全可靠；電池工藝配方先進(jìn)，工藝控制過程嚴(yán)謹(jǐn)，使電池設(shè)計(jì)整體合理，容量充足。

4.2 安全閥設(shè)計(jì)

蓄電池安全閥大部分時(shí)間是密封的，只有內(nèi)部的壓強(qiáng)過高時(shí)開啟，逸出內(nèi)部氣體，降低內(nèi)部壓強(qiáng)，防止蓄電池爆炸。設(shè)計(jì)閥值如表1所示。

表1 鉛酸蓄電池安全閥的開啟與關(guān)閉閥值

安全閥材料選用硅氧熔體作為橡膠軟段，氟作為塑料硬段的一種嵌段共聚物，硅氟熱塑性彈性體材料具有良好電絕緣性、彈性適中、耐臭氧性、溫度區(qū)域?qū)拸V、耐老化性等硅氟材料特點(diǎn)。

5 結(jié)語

閥控密封鉛酸蓄電池作為最新一代的電能產(chǎn)品，具備重量減輕、體積減小、密封性能好、自放電率低、易于維護(hù)操作、使用壽命得到延長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境腐蝕與污染大大降低等優(yōu)點(diǎn)。通過分析高功率蓄電池技術(shù)特性及影響因素，給出了某種鉛酸電池的設(shè)計(jì)思路，限于篇幅給出了安全閥的設(shè)計(jì)，高功率閥控密封蓄電池的生產(chǎn)制作工藝已經(jīng)很成熟，在電動(dòng)汽車行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

[1] 信息產(chǎn)業(yè)部電源專業(yè)情報(bào)網(wǎng).國(guó)外閥控式鉛酸蓄電池市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)及分析[J].UPS應(yīng)用，2003(10):10-13.

[2] 項(xiàng)文敏，唐明躍，沈煥剛，等.高功率閥控式密封鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2010,34（8）:826-827.

[3] 朱松然，吳景華.電動(dòng)自行車用閥控式密封鉛酸蓄電池的研制[J].電池工業(yè)，2014，5（5）:195-197.

Design of high power valve regulated sealed lead acid battery

Chen Fengwei
(Guangdong Battery Co. Ltd., Foshan 528300, China)

High power VRLA battery (VRLA) with reduced weight, reduced volume, good sealing performance, low self discharge rate, easy maintenance, long battery life, the advantages of corrosion and environmental pollution is greatly reduced, more and more widely used. This paper introduces the principle of VRLA battery, and analyzed its technology the characteristics of one kind of automobile batteries; and puts forward the design idea and design of safety valve.

seal; VRLA battery; technical characteristics; safety valve design

陳鳳偉（1976— ），女，漢族，河南滎陽人。