姜昱嬋

(江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

VRLA廣泛應(yīng)用于煤礦、電力、交通、鐵路運(yùn)輸、通信等領(lǐng)域，其優(yōu)勢(shì)是原材料廣泛、成本低、容量大、循環(huán)充放電壽命長(zhǎng)、均勻性能好、穩(wěn)定安全、抗震性能好。使用過程中，由于閥控密封，酸霧不會(huì)溢出，無污染，外部氣體不會(huì)進(jìn)入電池內(nèi)部，避免了蓄電池爆炸的危險(xiǎn)，可以實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”，即不需要人工再繼續(xù)注酸。

VRLA放電特性是測(cè)試電池動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)之一。電池組兩端端電壓直接表征其動(dòng)態(tài)特性，通過放電時(shí)長(zhǎng)和恒定電流，可以得出實(shí)際的充放電容量。充放電過程實(shí)質(zhì)上是一種電化學(xué)反應(yīng)過程，也是非線性變化的動(dòng)態(tài)過程，相對(duì)較復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)特性受極板材質(zhì)、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(dòng)態(tài)特性因素

1.1 極板材質(zhì)

極板材質(zhì)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(zhì)進(jìn)行，如果短時(shí)間內(nèi)大電流放電就會(huì)有大量以晶粒形式生成的(如圖1所示)，玻璃纖維上的細(xì)小晶狀顆粒就是。它會(huì)阻礙活性的參與，從而使電解質(zhì)失去活性，導(dǎo)致輸出容量大大降低。在放電極板負(fù)極出現(xiàn)這種現(xiàn)象叫硫酸化，俗稱硫化，也就是鈍化。

圖1 負(fù)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(xiàn)虛焊或斷裂現(xiàn)象(如圖2所示)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)焊或更換，否則會(huì)降低生產(chǎn)效率，將嚴(yán)重導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)短路，使得實(shí)際容量不足，縮短電池壽命。實(shí)驗(yàn)中3號(hào)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，從放電圖中可觀察到3號(hào)電池端電壓急劇下降，且放電時(shí)間比正常電池要短近整整1 h，實(shí)際容量也無法滿足正常使用，所以匯流排與極耳焊接對(duì)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(huì)直接反映出單格電池是否串通，進(jìn)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(dòng)性會(huì)隨著溫度的變化而變化，雖然VRLA電化學(xué)反應(yīng)原理兩極反應(yīng)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(shí)現(xiàn)閥控式密封的目的，需要通過氧氣不斷從正極循環(huán)析出，再在負(fù)極結(jié)合反應(yīng)。如果在充電條件下，電解質(zhì)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(dòng)態(tài)性能。

1.4 電解液比重

過充電容易導(dǎo)致電解質(zhì)增多，當(dāng)單只電壓超過一定值時(shí)，電池膠槽內(nèi)部氧氣將無法循環(huán)反應(yīng)，內(nèi)部氣壓過高，達(dá)到極限。為了保證電池的安全性能，打開安全閥，酸霧會(huì)通過安全閥的過濾口排出，氣體排出的同時(shí)，水分也被擠出去一部分，進(jìn)而導(dǎo)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(nèi)部的電解液溫度，其溫度過高，容易導(dǎo)致壽命縮短，要求將工作溫度控制在25℃。有數(shù)據(jù)顯示，工作環(huán)境溫度每增加1℃，就會(huì)導(dǎo)致電池的實(shí)際壽命縮短一半，而溫度過低，電池容量也會(huì)隨之降低，導(dǎo)致電池使用性能減弱。電池容量與電解液溫度有如下關(guān)系：

(4)

2 VRLA放電數(shù)據(jù)檢測(cè)原理

將被測(cè)電池組接入能夠發(fā)出低頻信號(hào)的功放電路中，充滿電后，再以一定頻率對(duì)其放電，信號(hào)經(jīng)過調(diào)理、放大、轉(zhuǎn)換輸出，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精確測(cè)量。

圖3 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of test platform

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用100 Ah的2 V單體閥控式鉛酸蓄電池，忽略每個(gè)單格電解液比重均勻狀況及極板鉛粉數(shù)量細(xì)微差異情況，近似成相同工況條件，進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。挑選三組不同比重電解液，如表1。對(duì)其使用性能數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析與總結(jié)，考慮到工況環(huán)境不是標(biāo)準(zhǔn)溫度，利用液體標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溫度25℃，dT為當(dāng)前溫度T下的實(shí)際密度，α為修正系數(shù)，α=0.000 7，T為當(dāng)前實(shí)際溫度。

對(duì)1、2號(hào)兩組電池進(jìn)行充放電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，為了便于觀察，設(shè)定僅顯示整點(diǎn)時(shí)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(hào)電池放電時(shí)長(zhǎng)為2 h 58′，2號(hào)放電時(shí)長(zhǎng)為2 h 59′，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)性能較大，電壓會(huì)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(dòng)態(tài)性能相似，說明鉛酸蓄電池在同等工況下動(dòng)態(tài)特性受電解液比重影響較其他因素小。后期U3出現(xiàn)電壓急劇下降趨勢(shì)，初步假設(shè)由于電池電解液濃度過低導(dǎo)致電壓急劇下降，抽酸后，注入更高比重的電解液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池3號(hào)放電時(shí)長(zhǎng)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(huì)加劇正極板酸化，加劇腐蝕極板，使得電池容量減小，動(dòng)態(tài)性能減弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)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(duì)比后發(fā)現(xiàn)，電池3′內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)匯流排虛焊與極板腐蝕現(xiàn)象，重新組裝成3后進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)也無法達(dá)到充放電要求。經(jīng)重新拆裝更換焊接匯流排組裝，再注入等密度電解液，能達(dá)到放電時(shí)長(zhǎng)要求，這時(shí)VRLA蓄電池具備良好的使用性能。

4 結(jié)論

總結(jié)了影響VRLA蓄電池動(dòng)態(tài)性能的因素，即與極板材質(zhì)、加工工藝、電解液比重、電解液溫度、密封特性具有密切關(guān)系，其中，匯流排的焊接工藝對(duì)于電池動(dòng)態(tài)特性起著至關(guān)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(dòng)態(tài)特性受電解液比重影響，但影響變化相對(duì)較小，受電解液溫度影響較大，其他因素將會(huì)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。本實(shí)驗(yàn)為改進(jìn)影響VRLA動(dòng)態(tài)的使用性能研究奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。