VRLA蓄电池动态特性因素影响分析

姜昱婵

(江苏安全技术职业学院机械工程学院，江苏 徐州 221000)

VRLA广泛应用于煤矿、电力、交通、铁路运输、通信等领域，其优势是原材料广泛、成本低、容量大、循环充放电寿命长、均匀性能好、稳定安全、抗震性能好。使用过程中，由于阀控密封，酸雾不会溢出，无污染，外部气体不会进入电池内部，避免了蓄电池爆炸的危险，可以实现“免维护”，即不需要人工再继续注酸。

VRLA放电特性是测试电池动态性能的重要指标之一。电池组两端端电压直接表征其动态特性，通过放电时长和恒定电流，可以得出实际的充放电容量。充放电过程实质上是一种电化学反应过程，也是非线性变化的动态过程，相对较复杂，其动态特性受极板材质、重要加工工艺、电解液比重、涂膏用胶密封特性及放电形式的影响。

1 动态特性因素

1.1 极板材质

极板材质采用特殊铅膏配制而成，充放电需要依靠附着在极板上呈海绵状的活性物质进行，如果短时间内大电流放电就会有大量以晶粒形式生成的(如图1所示)，玻璃纤维上的细小晶状颗粒就是。它会阻碍活性的参与，从而使电解质失去活性，导致输出容量大大降低。在放电极板负极出现这种现象叫硫酸化，俗称硫化，也就是钝化。

图1 负极板硫酸化Fig.1 Negative plate sulfation

1.2 重要加工工艺

极板极耳与汇流排之间的焊接工艺尤为重要，如果出现虚焊或断裂现象(如图2所示)，应及时补焊或更换，否则会降低生产效率，将严重导致内部结构短路，使得实际容量不足，缩短电池寿命。实验中3号电池内部结构出现问题，从放电图中可观察到3号电池端电压急剧下降，且放电时间比正常电池要短近整整1 h，实际容量也无法满足正常使用，所以汇流排与极耳焊接对电池性能起着重要作用。

1.3 密封特性

电池胶槽气密封性会直接反映出单格电池是否串通，进而反映出电池使用性能，但是密封用固化剂在特定浓度下，其流动性会随着温度的变化而变化，虽然VRLA电化学反应原理两极反应方程式同以往的铅酸蓄电池基本原理一致，如下所示：

O2+Pb→PbO2

(1)

PbO2+2H2SO4+Pb→2PbSO4+2H2O

(2)

(3)

但是为了实现阀控式密封的目的，需要通过氧气不断从正极循环析出，再在负极结合反应。如果在充电条件下，电解质增多，通过电解液比重增加，将加剧正极板酸化，降低电池容量，影响VRLA电池的动态性能。

1.4 电解液比重

过充电容易导致电解质增多，当单只电压超过一定值时，电池胶槽内部氧气将无法循环反应，内部气压过高，达到极限。为了保证电池的安全性能，打开安全阀，酸雾会通过安全阀的过滤口排出，气体排出的同时，水分也被挤出去一部分，进而导致酸浓度过高，电解液比重增加，加剧正极板的酸化腐蚀作用，从而减小电池容量，VRLA电池使用性能减弱。

1.5 电解液温度

阀控蓄电池温度是电池内部的电解液温度，其温度过高，容易导致寿命缩短，要求将工作温度控制在25℃。有数据显示，工作环境温度每增加1℃，就会导致电池的实际寿命缩短一半，而温度过低，电池容量也会随之降低，导致电池使用性能减弱。电池容量与电解液温度有如下关系：

(4)

2 VRLA放电数据检测原理

将被测电池组接入能够发出低频信号的功放电路中，充满电后，再以一定频率对其放电，信号经过调理、放大、转换输出，可实现实时的精确测量。

图3 测试平台结构图Fig.3 Structure diagram of test platform

3 实验数据采集与结果分析

实验采用100 Ah的2 V单体阀控式铅酸蓄电池，忽略每个单格电解液比重均匀状况及极板铅粉数量细微差异情况，近似成相同工况条件，进行充放电实验。挑选三组不同比重电解液，如表1。对其使用性能数据变化进行分析与总结，考虑到工况环境不是标准温度，利用液体标准密度换算公式：

表1 三组不同电解液密度铅酸蓄电池Tab.1 Three different electrolyte density lead acid batteries

d25=dT+α(T-T0)

(5)

公式(5)中，T0是标准温度25℃，dT为当前温度T下的实际密度，α为修正系数，α=0.000 7，T为当前实际温度。

对1、2号两组电池进行充放电数据实时检测，为了便于观察，设定仅显示整点时刻的放电记录，并加以分析，如图4。

图4 恒流充电放电管理图Fig.4 Management chart of constant current charging and discharging

由图5初始放电，记录第一次放电，1号电池放电时长为2 h 58′，2号放电时长为2 h 59′，依据相关标准公式：

(6)

其中，i为放电电流。

由图5可见，放电初始阶段，电解液温度影响电池动态性能较大，电压会随着电解液温度的下降而迅速降低，在放电中后期可见， U1、U2电池动态性能相似，说明铅酸蓄电池在同等工况下动态特性受电解液比重影响较其他因素小。后期U3出现电压急剧下降趋势，初步假设由于电池电解液浓度过低导致电压急剧下降，抽酸后，注入更高比重的电解液，实验结果发现，电池3号放电时长虽然有所增加，但放电电压中期仍急剧下降，这是因过高浓度的电解液会加剧正极板酸化，加剧腐蚀极板，使得电池容量减小，动态性能减弱，远远无法达到要求。

图5 放电记录Fig.5 Discharging record

重组电池3和原来电压急剧下降的电池3′相对比后发现，电池3′内部结构出现汇流排虚焊与极板腐蚀现象，重新组装成3后进行充放电实验也无法达到充放电要求。经重新拆装更换焊接汇流排组装，再注入等密度电解液，能达到放电时长要求，这时VRLA蓄电池具备良好的使用性能。

4 结论

总结了影响VRLA蓄电池动态性能的因素，即与极板材质、加工工艺、电解液比重、电解液温度、密封特性具有密切关系，其中，汇流排的焊接工艺对于电池动态特性起着至关重要的作用，甚至直接影响电池的正常使用。虽然铅酸蓄电池在同等工况下动态特性受电解液比重影响，但影响变化相对较小，受电解液温度影响较大，其他因素将会进行后续实验分析。本实验为改进影响VRLA动态的使用性能研究奠定了实践基础。