VRLA蓄電池動態特性因素影響分析

姜昱嬋

(江蘇安全技術職業學院機械工程學院，江蘇 徐州 221000)

VRLA廣泛應用于煤礦、電力、交通、鐵路運輸、通信等領域，其優勢是原材料廣泛、成本低、容量大、循環充放電壽命長、均勻性能好、穩定安全、抗震性能好。使用過程中，由于閥控密封，酸霧不會溢出，無污染，外部氣體不會進入電池內部，避免了蓄電池爆炸的危險，可以實現“免維護”，即不需要人工再繼續注酸。

VRLA放電特性是測試電池動態性能的重要指標之一。電池組兩端端電壓直接表征其動態特性，通過放電時長和恒定電流，可以得出實際的充放電容量。充放電過程實質上是一種電化學反應過程，也是非線性變化的動態過程，相對較復雜，其動態特性受極板材質、重要加工工藝、電解液比重、涂膏用膠密封特性及放電形式的影響。

1 動態特性因素

1.1 極板材質

極板材質采用特殊鉛膏配制而成，充放電需要依靠附著在極板上呈海綿狀的活性物質進行，如果短時間內大電流放電就會有大量以晶粒形式生成的(如圖1所示)，玻璃纖維上的細小晶狀顆粒就是。它會阻礙活性的參與，從而使電解質失去活性，導致輸出容量大大降低。在放電極板負極出現這種現象叫硫酸化，俗稱硫化，也就是鈍化。

圖1 負極板硫酸化Fig.1 Negative plate sulfation

1.2 重要加工工藝

極板極耳與匯流排之間的焊接工藝尤為重要，如果出現虛焊或斷裂現象(如圖2所示)，應及時補焊或更換，否則會降低生產效率，將嚴重導致內部結構短路，使得實際容量不足，縮短電池壽命。實驗中3號電池內部結構出現問題，從放電圖中可觀察到3號電池端電壓急劇下降，且放電時間比正常電池要短近整整1 h，實際容量也無法滿足正常使用，所以匯流排與極耳焊接對電池性能起著重要作用。

1.3 密封特性

電池膠槽氣密封性會直接反映出單格電池是否串通，進而反映出電池使用性能，但是密封用固化劑在特定濃度下，其流動性會隨著溫度的變化而變化，雖然VRLA電化學反應原理兩極反應方程式同以往的鉛酸蓄電池基本原理一致，如下所示：

O2+Pb→PbO2

(1)

PbO2+2H2SO4+Pb→2PbSO4+2H2O

(2)

(3)

但是為了實現閥控式密封的目的，需要通過氧氣不斷從正極循環析出，再在負極結合反應。如果在充電條件下，電解質增多，通過電解液比重增加，將加劇正極板酸化，降低電池容量，影響VRLA電池的動態性能。

1.4 電解液比重

過充電容易導致電解質增多，當單只電壓超過一定值時，電池膠槽內部氧氣將無法循環反應，內部氣壓過高，達到極限。為了保證電池的安全性能，打開安全閥，酸霧會通過安全閥的過濾口排出，氣體排出的同時，水分也被擠出去一部分，進而導致酸濃度過高，電解液比重增加，加劇正極板的酸化腐蝕作用，從而減小電池容量，VRLA電池使用性能減弱。

1.5 電解液溫度

閥控蓄電池溫度是電池內部的電解液溫度，其溫度過高，容易導致壽命縮短，要求將工作溫度控制在25℃。有數據顯示，工作環境溫度每增加1℃，就會導致電池的實際壽命縮短一半，而溫度過低，電池容量也會隨之降低，導致電池使用性能減弱。電池容量與電解液溫度有如下關系：

(4)

2 VRLA放電數據檢測原理

將被測電池組接入能夠發出低頻信號的功放電路中，充滿電后，再以一定頻率對其放電，信號經過調理、放大、轉換輸出，可實現實時的精確測量。

圖3 測試平臺結構圖Fig.3 Structure diagram of test platform

3 實驗數據采集與結果分析

實驗采用100 Ah的2 V單體閥控式鉛酸蓄電池，忽略每個單格電解液比重均勻狀況及極板鉛粉數量細微差異情況，近似成相同工況條件，進行充放電實驗。挑選三組不同比重電解液，如表1。對其使用性能數據變化進行分析與總結，考慮到工況環境不是標準溫度，利用液體標準密度換算公式：

表1 三組不同電解液密度鉛酸蓄電池Tab.1 Three different electrolyte density lead acid batteries

d25=dT+α(T-T0)

(5)

公式(5)中，T0是標準溫度25℃，dT為當前溫度T下的實際密度，α為修正系數，α=0.000 7，T為當前實際溫度。

對1、2號兩組電池進行充放電數據實時檢測，為了便于觀察，設定僅顯示整點時刻的放電記錄，并加以分析，如圖4。

圖4 恒流充電放電管理圖Fig.4 Management chart of constant current charging and discharging

由圖5初始放電，記錄第一次放電，1號電池放電時長為2 h 58′，2號放電時長為2 h 59′，依據相關標準公式：

(6)

其中，i為放電電流。

由圖5可見，放電初始階段，電解液溫度影響電池動態性能較大，電壓會隨著電解液溫度的下降而迅速降低，在放電中后期可見， U1、U2電池動態性能相似，說明鉛酸蓄電池在同等工況下動態特性受電解液比重影響較其他因素小。后期U3出現電壓急劇下降趨勢，初步假設由于電池電解液濃度過低導致電壓急劇下降，抽酸后，注入更高比重的電解液，實驗結果發現，電池3號放電時長雖然有所增加，但放電電壓中期仍急劇下降，這是因過高濃度的電解液會加劇正極板酸化，加劇腐蝕極板，使得電池容量減小，動態性能減弱，遠遠無法達到要求。

圖5 放電記錄Fig.5 Discharging record

重組電池3和原來電壓急劇下降的電池3′相對比后發現，電池3′內部結構出現匯流排虛焊與極板腐蝕現象，重新組裝成3后進行充放電實驗也無法達到充放電要求。經重新拆裝更換焊接匯流排組裝，再注入等密度電解液，能達到放電時長要求，這時VRLA蓄電池具備良好的使用性能。

4 結論

總結了影響VRLA蓄電池動態性能的因素，即與極板材質、加工工藝、電解液比重、電解液溫度、密封特性具有密切關系，其中，匯流排的焊接工藝對于電池動態特性起著至關重要的作用，甚至直接影響電池的正常使用。雖然鉛酸蓄電池在同等工況下動態特性受電解液比重影響，但影響變化相對較小，受電解液溫度影響較大，其他因素將會進行后續實驗分析。本實驗為改進影響VRLA動態的使用性能研究奠定了實踐基礎。