船用密封閥控式蓄電池失效分析及維護

孔建華，李 凱

(廣東海洋大學，廣東 湛江 524000)

蓄電池在船上的應用很普遍，包括作為發動機啟動的電源、無線電設備的備用電源以及為應急照明、報警及信號裝置等低壓設備供電，在船舶運作中起著十分重要的作用。密封閥控式蓄電池(VRLA)的工藝與技術水平日漸成熟，維保方便，基本無酸氣泄漏，逐漸取代了開口式的鉛蓄電池。因其能在正常壽命中，甚至不用考慮往蓄電池中添加電解液，享有著“免維護電池”的美稱。圖1為密封閥控式蓄電池結構示意圖。

圖1 密封閥控式蓄電池結構示意圖

1 密封閥控式蓄電池的結構和工作原理

密封閥控式蓄電池通常由6個單格構成，電池內里包含著正極極板、負極極板和防止兩極接觸短路的隔板，電解液充滿整個蓄電池的內部，蓄電池頂部有電池槽和蓋，還有確保密封的排氣閥(單向安全閥)。正常運行的密封閥控式蓄電池具有2大密封特征：氣密和液密。一旦在工作中出現了蓄電池內部氣體壓力超過預設值的現象，單向安全閥就會被頂開，快速泄壓；當內部氣壓下降到安全閥的預設值及以下時，單向安全閥迅速關閉，防止外部氣體倒灌進電池內部。利用電池的正、負極活性物質和稀硫酸、電解液之間發生的電化學反應，進行充、放電[1]。

以下是放電時的電化學反應方程式:

充電過程所發生的反應跟放電過程相反,它們是:

密封閥控式蓄電池內部化學反應如圖2所示。

圖2 密封閥控式蓄電池內部化學反應

2 密封閥控式蓄電池使用壽命的影響分析

2.1 浮充

浮充充電即將蓄電池組并聯在負載匯流排上用恒定的電壓進行充電，是密封閥控式蓄電池充電最常用的模式。浮充使蓄電池的溫度很快上升，隨著溫度升高，熱效應激增，電池的內部電化學反應激烈。長期處于這種環境下，蓄電池的壽命就會大打折扣。

2.2 閑置

在密封閥控式蓄電池原材料上下足功夫可以減少材料損耗的影響，控制其自放電率很小，但不能完全抵消。尤其是蓄電池長時間閑置時，也會因自放電激發極板硫酸鹽化而提早失效。通常來說，蓄電池投入使用前，閑置的時間不可控制，甚至長達好幾個月，這也是蓄電池早期容量低的原因。船舶在運營過程中，有太多的不確定因素，可能因突發狀況被迫長期拋錨，或因大修長時間擱置在船塢，加之本身作為船用應急能源的蓄電池平時使用機會并不多而導致被閑置。而且閑置存放的環境溫度越高，自放電率越大，硫酸鹽化越嚴重，對使用壽命的影響越嚴重[2]。有些船舶蓄電池間甚至裝設空調保證恒溫以消除高溫對閑置蓄電池的影響。

3 密封閥控式蓄電池的典型失效分析

密封閥控式蓄電池的常見失效形式有干涸失效、落后電池失效、極板硫酸鹽化失效等。

3.1 干涸失效

密封閥控式蓄電池并非是一個完全的密封體系，而是與外界環境有能量交換并產生物質的半封閉體系。干涸失效即是電池中的水通過蓄電池的外殼空隙或安全閥等地方泄漏出去引發的失效。其往往會通過以下幾種形式實現。①電解水反應，密封閥控式蓄電池在化學反應過程中存在著電解水這一有害反應，通過電解水反應產生氫氣和氧氣，水被消耗；②極板腐蝕消耗水，負極極板上的鉛板長期與電解液接觸，電解液中的水容易與其發生電化學反應被消耗；③蓄電池總體密封性不佳，在極端惡劣海況下或受到強外力的沖擊時，船舶會搖晃不定，蓄電池的液位也會隨之來回搖擺，極易發生電解液滲漏；④充電時，當電池得不到適當的溫度補償，過高的內部氣壓就會通過排氣閥泄壓，伴有電解液水分蒸發。綜上所述，失水是干涸失效的主要原因，一般直接往蓄電池里面加蒸餾水即可。

3.2 落后電池失效

密封閥控式蓄電池組由多個蓄電池組合而來，保證各個蓄電池的內阻、容量等性能一致，以使整組蓄電池的性能達到最佳狀態，但因各個蓄電池組的材料選配有差異、蓄電池組裝配工藝不良、設計與制造工藝不能完美對等的原因，使得各蓄電池的性能狀態可能達不到一致，串聯使用下不同的蓄電池性能會呈現出離散型分布。在蓄電池的充、放電過程當中，電池實際的輸入、輸出電壓會因電路的電流脈動呈現出不平衡的差別；在不同的充電方式下，充電對蓄電池的影響不盡相同，鑒于以上種種原因，就會造成個別電池的性能出現問題。反復的充放電下，性能差異現象就愈發突出，有些電池就會變成落后電池。隨著循環次數增加，落后電池比其他電池失效的時間要提前，進而導致整個蓄電池組的失效。

若判斷到蓄電池組中存在落后電池，就必須及時更換落后蓄電池或全部蓄電池，確保整個蓄電池組的供電系統正常。

3.3 極板硫酸鹽化失效

主要是指負極極板硫酸鹽化失效。當蓄電池因長期處于充電不足或者是過放電狀態，氫氣析出過多，導致負極附近氫離子濃度下降而產生了硫酸鉛沉淀，就會在負極極板上形成一圈不溶于電解液的沉淀物，而且很難再重新轉化成活性物質，讓電池容量不斷減少，甚至使蓄電池完全失效。

與正常的蓄電池相比較，發生極板硫酸鹽化失效的電池實際容量均有顯著的下降；利用密度計測量會發現，該類電池電解液的密度長期低于正常值，性能差于正常蓄電池。在同一蓄電池組的電池的充電過程中，極板出現硫酸鹽化的蓄電池冒泡的時刻比其他電池要早，電壓上升得更快，且極板的狀態和顏色異于尋常，極板顏色變淺，有白色沉淀物附著，負極板明顯變硬。而且放電電壓下降得也很快，兩、三個小時就能夠耗完電量。

4 船用閥控密封式蓄電池的維護

研究表明，密封閥控式蓄電池在額定的放電電流下放電，且放電容量不低于額定容量的80%的情況下，使用的壽命一般都可以在10年以上。在海船運營過程中，船舶面臨著復雜的外部環境，船用密封閥控式蓄電池組長期在高鹽分、潮濕環境下運行，加上機艙環境狹小、溫度高、振動大、環境散熱效果差，多種因素加速蓄電池腐蝕老化。結合失效模式總結經驗，需要對船舶蓄電池維護保養做出更有效的措施，一般從以下3個方面著手[3]。

1)月度保養。在外觀上，檢查其殼體是否膨脹變形、存在裂痕及污跡，發現了盡早更換；保證蓄電池表面的銘牌清晰，注意清理積灰，防止其污損蓄電池表面；檢查電池的極柱、安全閥、槽蓋處是否有電解液滲漏，發現問題及時更換處理；檢查蓄電池組中的各個電池的完整性，留意各個電池之間的連接處是否可能因連線松動脫落和腐蝕導致開路，若有發現則及時修復。定期(月度)剩余容量檢測，通過放電測試計算剩余容量，判斷蓄電池的狀態，是否能夠繼續使用。

2)年度保養。在做好月度維護的同時，要對蓄電池做好全方面的放電核容實驗，檢查電池組中各個蓄電池是否在長期使用的情況下出現了提早失效，為避免因單一電池故障對蓄電池組的影響，要及時對其維修保養或更換。

5 結束語

綜上所述，密封閥控式蓄電池組的使用追求的是性能一致性，就像木桶短板效應一樣，裝水的多少取決于最短板的長度，電池組正常使用的總效用依賴于各個蓄電池的正常發揮，剔除落后電池的影響，使同組中各個蓄電池的實際容量值的公差值越小，蓄電池的性能一致性越好，蓄電池組才能夠在運營過程中達到最佳使用狀態。管理人員要對蓄電池的當前狀態做出準確的判斷，能依據各種失效因素的影響作出正確的處理方法，對密封閥控式蓄電池的規范使用、合理管理和有效維護，也為船舶安全航行提供可靠的保障，為船員的安全保駕護航。