阀控式密封铅酸蓄电池的应用与维护
自法国普兰特1859年发明铅酸蓄电池以来，至今已有一百多年的历史。它与其它所有化学电源一样，是一个电能与化学能互相转换的装置。由于它具有电动势高、充放电可逆性好、使用温度范围广、电化学原理清楚、生产工艺易于掌握和原材料丰富而且价格低廉等优点，获得了广泛的应用。随着科学技术的发展，自50年代起，不断对传统的铅酸蓄电池进行技术改造。特别是阀控式密封铅酸蓄电池（VRLAB）的问世，由于它克服了酸液易于外溢令人头痛的弊病，能与电子设备放在一起，符合用户使用方便的要求，从而使它的应用领域更加广阔。诚然，作为一种新技术、新产品推向市场，需要有一个不断完善的过程，除了制造商对产品技术和质量不断提高外，还需要用户对新产品的使用和维护有所了解，使之用得更合理、更长久。
1工作原理与优良特性
VRLAB的工作原理，基本上仍沿袭传统的铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二氧化铅（PbO2），负极活性物质是海绵状金属铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4），其电极反应方程式如下：
正极：
PbO2＋HSO－4＋3H＋＋2e?PbSO4＋2H2O
负极：
Pb＋HSO－4?2PbSO4＋2H2O 整个电池反应方程式：
Pb＋PbO2＋2H＋＋2HSO－4?2PbSO4＋2H2O VRLAB在结构、材料上作了重要的改进，如图1所示，正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金，负极板采用铅钙合金，隔板采用超细玻纤隔板，并使用紧装配和贫液设计工艺技术，整个电池反应密封在塑料电池壳内，出气孔上加上单向的安全阀。这种电池结构，在规定充电电压下进行充电时，正极析出的氧（O2），可通过隔板通道传送到负极板表面，还原为水（H2O），其反应式如下：
正极上：2H2O?O2＋4H＋＋4e
负极上：O2＋2Pb?2PbO
2PbO＋2H2SO4?2PbSO4＋2H2O
这是VRLAB特有的内部氧循环反应机理，这种充电过程，电解液中的水几乎不损失，使电池在使用过程中达到不需要加水的目的。
图1VRLAB工作原理示意图
由于作了上述重要改进，VRLAB具有体积小、重量轻、自放电小、少维护、寿命长、使用方便、对环境无腐蚀、无污染等优良特性，与传统的铅酸蓄电池相比，在使用、维护和管理上有着明显的优点。
（1）使用方便
VRLAB只需严格控制整流器的充电电压，根据浮充使用和循环使用的不同要求，采用规定的电压进行恒压充电，无需值班人员过多操心电池的充电过程，不必添加蒸馏水，也不必经常检测电池端电压、电解液比重及温度，只需定期检测电池端电压和放电容量即可。
（2）安装简便
VRLAB已进行过化成充放电处理，荷电出厂，所以用户在安装使用时，无需再进行繁琐的初充电过程，如果放置时间超过六个月，可按生产厂的规定进行补充电，在充足电之后，进行一次容量试验性放电检查，以判断电池容量是否符合标准要求，质量是否稳定可靠。
（3）安全可靠
VRLAB采用密封结构，可竖放或卧放使用，无酸雾、无毒、无有害气体溢出，由于电池采用恒压充电制，电池内部实现氧循环过程，水损失很少，即使偶尔过充，有少量的气体可通过安全阀向外排出，电池壳不致因压力过大而鼓胀甚至爆裂。
（4）节省投资
VRLAB不污染设备和环境，可与电子设备放在一起使用，无须专门用于电池放置和维护的房间，维护工作量大大减少。而且电池安装可采用叠放式电池架，占地面积小，节约电源系统的投资费用。
总之，VRLAB的优良特性，无疑对通信、电力、信息、金融等行业的科学管理创造了极为有利的条件，容易实现微机控制，可实现无人值守和微机集中监控的现代化管理方式。
2应用领域与发展前景
众所周知，从平常的玩具、手电筒到重要的通信机站、电站等领域都有电池的用武之地，作为后备电源或动力电源，在许多重要系统装置、设施的安全运行中总少不了它，随着计算机、信息、运输、电力等事业的发展，电池的需求量仍不断增长，据统计，当今世界对电池的需求量年增长率接近8％，估计到2002年，全球电池销售总额将达到550亿美元[1]。
其中，铅酸电池销售量占世界电池总销量的一半以上。本文引用世界最有权威的美国国际电池协会（BCI）提供的调查资料[2]说明铅酸电池的应用领域和发展前景。
美国电池工业，主要是指铅酸电池，它的应用领域可分为两部分：
（1）机动用电源（Motivepower）
主要用于卡车、铲车、小汽车及铁路机车等车辆用电池，1977年统计资料，这方面销售额占40％。
（2）固定用电源（Stationarypower）
主要用于电话通信、不间断电源（UPS）、安全报警、开关控制、应急灯、电子设备及医疗设备等，这方面销售额占60％。
该协会调查组收集了美国16家知名铅酸电池制造厂商的销售资料，总结和预测了各个应用领域的销售情况（见表1）
表1美国工业电池市场销售情况及预测(单位：百万美元)
| 类别 | 应用领域 | 1997年 | 2002年 |
|---|---|---|---|
| 固定用电池 | 通信 | 235 | 464 |
| UPS | 180 | 336 | |
| 其它使用＊ | 78 | 130 | |
| 控制开头 | 27 | 38 | |
| 应急灯 | 21 | 31 | |
| 安全报警 | 17 | 25 | |
| 电子仪器 | 11 | 19 | |
| 医疗仪器 | 8 | 12 | |
| 机动用电池 | 工业车辆＊＊ | 373 | 467 |
| 铁路机车 | 11 | 13 | |
| 小型车辆 | 9 | 9 | |
| 总计 | 969 | 1500 | |
＊指草地、花园、玩具和一些特殊的使用场合
＊＊指铲车、卡车、自动导向车辆及机场地勤车辆
从表1可以看出，美国铅酸电池的销售前景是很好的。特别是通信、UPS方面，其销售占固定用电源总额70％。而且，这些领域中，新的设备使用电池和旧设备更换电池大都采用VRLA电池。
我国从80年代中期开始研制VRLAB，但都是小型电池，装入自行设计的UPS设备中进行试用定型，于1991年通过上海市新产品鉴定，并开始制造POWERSON牌容量从1.2～100Ah的MF全系列VRLA电池，将其推向市场，取得了较好的经济效益和社会效益，荣获1993年度上海市科技进步二等奖。90年代初，为了适应我国电信事业的发展，复华公司引进美国、德国先进的电池设备和技术，在上海嘉定复华高新技术园区内建立了现代化的电池厂，研制出POWERSON固定型GMF系列VRLAB，容量从200～3000Ah，广泛应用于通信、电力和UPS系统。POWERSON牌VRLAB已通过信息产业部、电力部、总参、国家产品质量监督机构及美国UL的检测认可，制造厂也通过了ISO－9001质量体系认证。如今，VRLAB在我国已遍地开花，市场竞争更加激烈。然而，只有制造设备，生产工艺及管理水平上档次的制造商，才能赢得用户的信赖。3使用要求与维护方法
VRLAB在我国推广应用已有十多年了，由于其不溢酸雾、少维护的特性，受到愈来愈多用户的青睐。但从用户使用情况来看，还有不少用户不甚了解VRLAB使用要求，认为是不要维护的，在更换传统铅酸电池时，也未调整充电电压，甚至仍用恒流充电制，由于电池过充过放，热失控等情况，致使电池早期失效。因此，加强对VRLAB使用要求和维护方法的宣传，正确理解“免维护”的含义，对进一步推广VRLAB应用是非常必要的。
影响VRLAB使用寿命的主要因素是热失控和失水，下面分别讨论它们的起因和预防措施[3]：
(1)热失控的产生与预防
由于充电电压和电流控制不当，在充电后期，会出现一种临界状态，即热失控。此时，蓄电池的电流及温度发生积累性的相互增强作用，使电池槽壳变形（“鼓肚子”），如有一用户，在安装2000Ah电池组时，线路接错，少接二只电池，即48V变成44V，而充电电压又按照53.7V进行浮充，这样每只电池浮充电压从2.23V变成2.44V，充电一个月后，由于电池内部热积累，排气不及，使电池“鼓肚子”，这是比较严重的故障。
应该指出，在正常浮充电压下是不可能产生热失控的，只有人为操作和设备失控使电压过高，或电池组中个别电池严重故障如短路、反极时才可能产生。因此，正确选择浮充电压和定期检查每个电池的“健康情况”是非常重要的，如果环境温度变化较大，应根据温度补偿加以校正。
(2)电池失水与预防
VRLAB是在“贫液”状态下工作的，其气体复合效率应接近100％。如果制造工艺中，电池处于“富液”状态，会使隔板中O2的通道阻塞，气体复合效率降低，电池内压力增大，特别是在安全阀性能不良情况下，失水更加严重，经过一段时期后，电池会失水而干涸。
当然，由于浮充电压过高，电解水反应加剧，析气速度加快，失水也必然增加。另外，使用环境温度过高，未调整浮充电压，也同样会产生失水现象。因此，除了制造商应严格控制电池中电解液的数量以外，用户应创造一个最佳温度（20±5℃）使用环境和严格控制浮充电压运行条件，保证电池组有较长的使用寿命。
此外，每只电池浮充电压一致性不好，也会使个别高浮充电压的电池失水，而过早失效。因此，通过维护手段使电池浮充电压比较一致，也是延长电池组使用寿命的有效方法。为了保证电源无故障运行，延长电池组使用寿命，这里提出如下运行维护方案：
（1）充电要求
铅酸电池放电产物是硫酸铅，若不及时转化掉，会使电池处于充电不足状态，从而降低电池放电容量和缩短电池使用寿命。因此，必须使电池组处于充足电状态。一般采用“恒压充电制”，对不同情况，可分浮充和均充。
①浮充充电
在线式电池组是长期并联在充电器和负载线路上，作为后备电源的工作方式。一般情况下，都采用浮充充电，单体电池电压控制在2.25V，并定期观察、记录浮充电压变化。如果单体电池电压偏低，说明电池充电不足，容量不够，应注意跟踪。
②均充充电
如果电池组在浮充过程中存在落后电池（单体电池电压低于2.20V），或浮充三个月后，宜进行均充过程，其单体电池电压控制在2.35V，充6～8小时（注意一次均充时间不宜太长），然后调回到浮充电压值，再观察落后电池电压变化，如电压仍未到位，相隔二周后再均充一次，一般情况下，经过3～6个月浮充，均充后，新电池组的浮充电压会逐步趋于一致。
③温度补偿
虽然电池的工作温度范围很宽，可在－15℃～＋45℃范围内运行，但是电池运行最佳环境温度为25℃左右，如果环境温度变化较大，需用温度系数进行补偿（－3mV/℃），可参考表2调整充电电压值。
表2不同环境温度的浮充电压值
| 环境温度（℃） | 单体电池电压（V） |
|---|---|
| 35 | 2.21 |
| 30 | 2.23 |
| 25 | 2.25 |
| 20 | 2.26 |
| 15 | 2.28 |
| 10 | 2.30 |
| 5 | 2.32 |
（2）维护方法
如果在半年内，电池组从未放过电，应对电池组进行一次治疗性充放电维护操作。
①放电操作
放电是为了检查电池容量是否正常，一般采用10小时率放电，有条件的可用假负载放电；从用户方便考虑，也可直接用负载进行放电，即拉掉市电，用电池组供电，考虑到安全性，放电深度控制在30～50％为宜。当然，有条件可放电更深一些，容易暴露电池潜在的问题。并且每小时检测一次单体电池电压，通过计算放出电池容量，对照表3电压值，判断电池是否正常。
表3电池放出不同容量的标准电压值（10小时率）
| 放出容量（％） | 支持时间（小时） | 单体电池电压（V） |
|---|---|---|
| 10 | 1 | 2.05 |
| 20 | 2 | 2.04 |
| 30 | 3 | 2.03 |
| 40 | 4 | 2.01 |
| 50 | 5 | 1.99 |
| 60 | 6 | 1.97 |
| 70 | 7 | 1.95 |
| 80 | 8 | 1.93 |
| 90 | 9 | 1.88 |
| 100 | 10 | 1.80 |
放出电池容量计算：
[电流（A）×时间（h）/电池额定容量（Ah）]×100％
在相应放出容量下，其单体电池电压值应等于或大于相应电压值，即电池容量正常，反之电池容量不足。
②充电操作
表4PowersonGMF48V阀控式密封蓄电池组维护记录表
电池型号：GMF2－2000负载电流：200A
| 浮充电压:53.4V | 放电电压 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 日期 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 放电电流：200AV开路总电压：52V支持时间（h）端电压（V） | 放出容量50％ | |||||
| 温度 | 16℃ | 17℃ | 22℃ | 23℃ | 27℃ | 28℃ | |||||||
| 总电压 | 53.11 | 53.15 | 53.20 | 53.26 | 53.28 | 53.28 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 电池容量正常与否 |
| 1 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.13 | 2.1 | 1.98 | 1.97 | 1.95 | 正常 |
| 2 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.11 | 1.98 | 1.97 | 正常 |
| 3 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.23 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.1 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
| 4 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
| 5 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.02 | 1.99 | 正常 |
| 6 | 2.20 | 2.20 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.96 | 1.94 | 偏低 |
| 7 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.21 | 2.17 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
| 8 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.12 | 2.10 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
| 9 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.98 | 1.95 | 正常 |
| 10 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
| 11 | 2.21 | 2.22 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 12 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 13 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.17 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
| 14 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.23 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 15 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 16 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.23 | 2.24 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 17 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.10 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 18 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.16 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
| 19 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 20 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.16 | 2.14 | 2.12 | 2.00 | 2.00 | 1.98 | 正常 |
| 21 | 2.22 | 2.23 | 2.23 | 2.24 | 2.24 | 2.24 | 2.20 | 2.16 | 2.13 | 2.10 | 1.97 | 1.96 | 正常 |
| 22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.20 | 2.15 | 2.13 | 2.11 | 1.98 | 1.96 | 正常 |
| 23 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.16 | 2.13 | 2.11 | 1.99 | 1.97 | 正常 |
| 24 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.21 | 2.21 | 2.21 | 2.20 | 2.16 | 2.14 | 2.10 | 1.97 | 1.96 | 正常 |
| 记事 | 外观情况：无损坏、无漏液 | ||||||||||||
检测日期：1999.7.26
电池组放电后，应立即转入充电，开始时可控制电流不大于0.2C（A）为宜（如200Ah电池，充电电流应不大于0.2×200=40A）。当电流变小时，可慢慢提高电池组充电电压，达到均充电压值，再充6小时，然后再调回浮充电压值。
③根据治疗性充放电过程，从放电容量和电池电压值判断每只电池的“健康情况”，因为不同放电容量过程中每只电池的电压变化，就代表了该电池的“健康”状况，如有不合格电池，应采取补救措施。
下面，提供某电信局使用POWERSON牌48V－2000Ah电池组的一种维护记录表格（见表4）。从表4中数据分析可对电池正常与否作出判断，并采取合适的维护方法：
?电池运行基本正常，但6号电池容量偏低，注意跟踪。
?整个电池组容量稍低于标准值，其原因是电池未完全充足。
?浮充电压偏低，应提高到53.7V（28℃）。
?应进行均充充电，以提高落后电池电压。
总而言之，在推广应用VRLAB的过程中，制造商应严格控制生产工艺条件，提供性能一致的高质量电池产品；用户应加强对VRLAB的了解，并做好必要的维护工作，共同发展我国VRLAB民族工业，为我国国民经济做出更大的贡献。