王永濤

(交通運(yùn)輸部東海航海保障中心連云港航標(biāo)處，江蘇 連云港 222042)

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淺析影響航標(biāo)用鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素

王永濤

(交通運(yùn)輸部東海航海保障中心連云港航標(biāo)處，江蘇 連云港 222042)

摘要:文中從閥控式鉛酸蓄電池的工作原理及特點(diǎn)入手，分析了影響航標(biāo)用鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素，并在此基礎(chǔ)上提出航標(biāo)用鉛酸蓄電池的使用與維護(hù)建議。

關(guān)鍵詞：閥控式鉛酸蓄電池；過(guò)度充電；過(guò)度放電

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的防酸隔爆蓄電池逐漸被淘汰，浮動(dòng)與固定航標(biāo)系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用閥控式密封鉛酸蓄電池。但閥控式密封鉛酸蓄電池的較短使用壽命給浮動(dòng)與固定航標(biāo)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)了隱患。通常情況下，閥控式密封鉛酸蓄電池在比較惡劣的工作環(huán)境下僅有3年的使用壽命，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到廠家規(guī)定的10年使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)。航標(biāo)用鉛酸蓄電池過(guò)低的使用壽命導(dǎo)致航標(biāo)能量系統(tǒng)可靠性降低，航標(biāo)日常維護(hù)費(fèi)用增加。資料表明，閥控式密封鉛酸蓄電池的使用壽命與正確的使用維護(hù)方法密切相關(guān)。本文討論了環(huán)境溫度、過(guò)度充電和過(guò)度放電對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的影響，并對(duì)航標(biāo)用鉛酸蓄電池的使用和維護(hù)提出了建議。

1　VRLA蓄電池的工作原理及特點(diǎn)

VRLA蓄電池主要由外殼、隔板、匯流排、安全閥、正負(fù)極板、硫酸電解液、極柱端子等組成。閥控式鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)為二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極活性物質(zhì)為海綿狀鉛(Pb)，電解液為硫酸(H2SO4)，電極反應(yīng)方程式[2]如下：

正極:PbO2+H2SO4+2H++2e-←→PbSO4+2H2O

負(fù)極：Pb+H2SO4←→PbSO4+2H2O

普通鉛酸蓄電池的電極反應(yīng)方程式則是：

Pb+PbO2+2H2SO4←→2PbSO4+2H2O

正極：H2O→1/2O2+2H++2e-

負(fù)極：2H++2e-→H2

從以上反應(yīng)式可以看出，普通鉛酸蓄電池在其充電過(guò)程中存在水分解反應(yīng)，當(dāng)充電達(dá)到一定電壓時(shí)(一般在2.30 V/單體以上)，蓄電池正負(fù)極會(huì)分別放出氧氣與氫氣。由于氫、氧氣析出，若反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體不能重新復(fù)合利用，蓄電池就會(huì)失水干涸，因而需要定期進(jìn)行補(bǔ)水維護(hù)，這是普通蓄電池自身存在的不足。閥控式鉛酸蓄電池是在改進(jìn)傳統(tǒng)蓄電池缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上研制出的新產(chǎn)品，在材料及結(jié)構(gòu)等方面有了明顯的突破，表現(xiàn)在：

(1)普通蓄電池板柵合金通常在2.30 V/單體(25 ℃的環(huán)境溫度)以上時(shí)會(huì)釋放氣體，而閥控式鉛酸蓄電池在采用了多元優(yōu)質(zhì)板柵合金后，在2.35 V/單體(25 ℃)以上時(shí)釋放氣體，較普通蓄電池提高了氣體釋放的過(guò)電位，相對(duì)減少了氣體釋放量。

(2)閥控式鉛酸蓄電池的負(fù)極比正極多出10%的容量，充電后期正極釋放的氧氣與負(fù)極接觸發(fā)生反應(yīng)生成水，使得負(fù)極在氧氣的作用下處于欠充電的狀態(tài)，因而不會(huì)產(chǎn)生氫氣。這是VRLA蓄電池陰極吸收的明顯優(yōu)勢(shì)。

(3)為了實(shí)現(xiàn)VRLA蓄電池正極釋放氧氣盡快流通到負(fù)極并化合成水的目的，就必須采用與傳統(tǒng)蓄電池微孔橡膠隔板不同的超細(xì)玻璃纖維隔板。超細(xì)玻璃纖維隔板的孔率由橡膠隔板孔率的50%提高到90%以上，為氧氣流通到負(fù)極提供了極大的便利。此外，超細(xì)玻璃纖維隔板還具有吸附硫酸電解液的功能，電解液不易溢出。

(4)閥控式鉛酸蓄電池采用了密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，避免了酸霧溢出，有利于環(huán)保。

2　影響VRLA蓄電池使用壽命的因素

從以上內(nèi)容得知，VRLA蓄電池?zé)o需再進(jìn)行加水維護(hù)，但仍需加強(qiáng)其他維護(hù)措施，才能達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。因此，有必要對(duì)其使用壽命的影響因素進(jìn)行分析。

閥控式蓄電池有獨(dú)具一格的氧復(fù)合機(jī)理和閥控密封的結(jié)構(gòu)，但也存在不足。其相比防酸隔爆蓄電池，在可靠性和魯棒性上有所缺失，容易受過(guò)充、過(guò)放、滲液、環(huán)境溫度過(guò)高及浮充電壓過(guò)高等影響，降低蓄電池的使用壽命。

2.1　環(huán)境溫度

環(huán)境溫度是影響蓄電池使用壽命的重要因素，過(guò)高的溫度環(huán)境會(huì)嚴(yán)重威脅到蓄電池的使用壽命。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)加劇蓄電池的極板腐蝕，進(jìn)而消耗掉更多的水，縮短電池的使用壽命。所以，蓄電池對(duì)使用環(huán)境溫度有較為嚴(yán)格的要求，標(biāo)準(zhǔn)情況下，蓄電池使用溫度不能高于25℃，若溫度再升高，就會(huì)縮短電池的壽命。此外，浮充電壓的合理范圍與溫度有著密切的關(guān)系，環(huán)境溫度為25℃時(shí)浮充電壓以13.44 V/單體為標(biāo)準(zhǔn)值，溫度過(guò)高或過(guò)低都對(duì)標(biāo)準(zhǔn)浮充電壓有影響，這時(shí)應(yīng)引入溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償系數(shù)為：-3 mV/℃(以25℃為基點(diǎn))，不同溫度下浮充電壓可通過(guò)下式來(lái)確定：

從上式可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)浮充電壓應(yīng)為13.365 V。

2.2　過(guò)度充電

通常環(huán)境溫度為25℃時(shí)，浮充電壓在2.23～2.25 V/單體為合理的范圍，相當(dāng)于12 V航標(biāo)用蓄電池充電電壓為13.38～13.5 V。若蓄電池充電電壓超過(guò)13.5 V(25℃)，則蓄電池內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生的大量氣體來(lái)不及被負(fù)極吸收，壓力超過(guò)某個(gè)值時(shí)，單向排氣閥便將其排出，導(dǎo)致蓄電池?fù)p失氣體，容量降低。若蓄電池采用14.1 V(25℃)充電電壓連續(xù)充電4個(gè)月后，就會(huì)出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致容量下降，蓄電池外殼鼓包、漏氣，最后只能報(bào)廢。

航標(biāo)用鉛酸蓄電池由于并不是連續(xù)充電，而是每日充電10 h，所以充電電壓過(guò)高導(dǎo)致的電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象并不明顯，但影響仍然存在。如某航標(biāo)其充電電壓長(zhǎng)期處于較高水平(14.5 V),此蓄電池在連續(xù)工作8個(gè)月后出現(xiàn)電池容量下降，表現(xiàn)為白天充電電壓過(guò)高(20.98 V)，夜間工作電壓過(guò)低(9.67 V)，嚴(yán)重削弱了此航標(biāo)的助航功能，降低了其可靠性，航標(biāo)失常隨時(shí)都有可能發(fā)生。

2.3　過(guò)度放電

蓄電池浮充電壓低于13.38 V時(shí)，浮充電壓過(guò)低，而蓄電池長(zhǎng)期為負(fù)載供電。此時(shí)蓄電池正極PbO2氧化反應(yīng)能夠完成，但是負(fù)極不能完成氧復(fù)合，Pb還原的不夠徹底，氧復(fù)合效率降低導(dǎo)致PbSO4長(zhǎng)時(shí)間累積形成不可逆的晶體，負(fù)極逐漸鈍化，蓄電池的內(nèi)阻增大，電池的充、放電性能變差，最終導(dǎo)致蓄電池容量大幅衰減。若某航標(biāo)充電電壓長(zhǎng)期低于12 V，最后電量逐漸降低，不能給負(fù)載供電。

3　航標(biāo)用閥控式鉛酸蓄電池的使用維護(hù)建議

3.1　測(cè)量浮充電壓

浮充電壓對(duì)蓄電池的壽命具有相當(dāng)重要的影響。在航標(biāo)能源系統(tǒng)中，一般通過(guò)太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池進(jìn)行全浮充方式充電，因此浮充電壓是蓄電池長(zhǎng)期使用的充電電壓。浮充電壓過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響蓄電池的壽命，從而導(dǎo)致航標(biāo)能源系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降。

目前航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)中只對(duì)蓄電池的終端電壓設(shè)置了報(bào)警界限，而對(duì)影響蓄電池工作穩(wěn)定性的浮充電壓(充電電壓)并未給予足夠關(guān)注。當(dāng)蓄電池浮充電壓長(zhǎng)期處于不合理的范圍而導(dǎo)致航標(biāo)能源系統(tǒng)效用降低，甚至失效時(shí)，亡羊補(bǔ)牢為時(shí)已晚。因此筆者建議對(duì)太陽(yáng)能電池板的浮充電壓通過(guò)遙測(cè)遙控加以監(jiān)控，每日網(wǎng)上航標(biāo)巡檢中密切監(jiān)視浮充電壓，認(rèn)真記錄航標(biāo)蓄電池的相關(guān)參數(shù)，重點(diǎn)是充電電壓與環(huán)境溫度，通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)來(lái)了解航標(biāo)蓄電池的使用情況。一旦發(fā)現(xiàn)蓄電池充電電壓超過(guò)合理范圍，應(yīng)將其列入觀察名單，找出原因并及時(shí)處理。

3.2　均衡充電

均衡充電是指對(duì)長(zhǎng)期擱置和長(zhǎng)期浮充電的蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電。均衡充電應(yīng)在合理的VRLA蓄電池的充電電壓和環(huán)境溫度下進(jìn)行[3]：

(1)將充電電壓調(diào)到2.33 V/單體(25℃)，充電30 h;

(2)將充電電壓調(diào)到2.35 V/單體(25℃)，充電20 h;

以上是VRLA蓄電池均衡充電的兩種方法，通常情況下選擇第一種方法為最佳。從上述方法中可以發(fā)現(xiàn)，25℃的環(huán)境溫度是非常重要的參數(shù)，在均衡充電過(guò)程中要引起極大的重視并自覺(jué)遵守。從理論上來(lái)講，蓄電池的最佳使用溫度應(yīng)是15～25℃，因而盡量選擇在涼爽的春秋季節(jié)對(duì)蓄電池均衡充電，以延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。當(dāng)然，在條件允許的情況下，使用方可以為VRLA蓄電池安裝空調(diào)，保持室內(nèi)溫度在25℃,促進(jìn)蓄電池使用功能的更好實(shí)現(xiàn)。當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時(shí)，充電電壓應(yīng)相應(yīng)降低，反之則相應(yīng)提高。通常環(huán)境溫度降低或提高的幅度為每變化1℃，增減0.003 V/單體。因此在環(huán)境溫度每變化5℃時(shí)，可適當(dāng)調(diào)速充電電壓。

3.3　電導(dǎo)檢測(cè)

國(guó)際上采用電導(dǎo)測(cè)試技術(shù)來(lái)檢測(cè)蓄電池的內(nèi)阻，這成為了判斷蓄電池實(shí)有容量的重要手段之一，蓄電

池電阻被公認(rèn)為精準(zhǔn)判斷蓄電池健康狀態(tài)的重要參數(shù)之一[4]。

電導(dǎo)測(cè)試技術(shù)在航標(biāo)蓄電池檢測(cè)中的應(yīng)用，能真實(shí)的呈現(xiàn)出電池失效的正極板腐蝕、失水、負(fù)極板硫酸鹽化等現(xiàn)象，并能快速發(fā)現(xiàn)因失水導(dǎo)致的內(nèi)阻失效電池，因此電導(dǎo)測(cè)試可作為判斷蓄電池性能及使用情況的重要手段。

3.4　其他維護(hù)措施

延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，還應(yīng)該通過(guò)創(chuàng)造恒溫的使用環(huán)境和良好的通風(fēng)及散熱條件的方式進(jìn)行維護(hù)。通?？梢栽诎卜判铍姵氐膱?chǎng)地內(nèi)安裝空調(diào)設(shè)備；蓄電池之間要保持不小于15 mm的間隙，以改善電池與環(huán)境媒介的熱交換，同時(shí)電池與上層隔板間應(yīng)保持不小于150 mm的間隙，以降低溫升。

除此之外，在線纜安全過(guò)電流與散熱條件下，還應(yīng)該優(yōu)先選擇截面較粗的線纜，并盡量縮短其長(zhǎng)度，避免不必要的線纜損耗。同時(shí)線纜之間的連接松緊度也應(yīng)該仔細(xì)考慮。

4　結(jié)束語(yǔ)

航標(biāo)能源系統(tǒng)是航標(biāo)發(fā)揮效能的關(guān)鍵保障，而蓄電池與航標(biāo)能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。因此航標(biāo)能源系統(tǒng)制作商及使用方有必要加強(qiáng)對(duì)蓄電池使用壽命的技術(shù)研究，積累維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，最大限度地提高VRLA蓄電池的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

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[4]李建軍. 影響閥控式鉛酸蓄電池使用壽命的原因及維護(hù)[J].中國(guó)科技信息. 2010，(20)：45-46.

運(yùn)營(yíng)探討

Analysis of Main Factors Influencing Lifespan of Lead-Acid Battery for Navigation Mark

WANG Yong-tao

(The East China Sea Lianyungang Beacons in the Maritime Security Center, Lianyungang 222042, China)

Abstract:In this article, operating principle and characteristics of valve-regulated lead-acid(VRLA) battery are firstly introduced. Then, main factors influencing lifespan of lead-acid battery for navigation mark are analyzed, based on which suggestions for using and maintaining this kind of lead-acid battery are finally proposed.

Key words:VRLA; overcharge; over discharge

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0132-02

作者簡(jiǎn)介：王永濤 (1983-),男,江蘇徐州人，碩士，工程師，從事航標(biāo)管理工作。

收稿日期：2014-12-26