潘景宜 (西電集團西安電力整流器公司，陜西 西安710077）
摘 要 ： 介 紹 了 閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 的 工 作 原 理 、 特 性 、 應 用 及 維 護 時 應 注 意 的 問 題 ，并 結 合 例 子 說 明 如 何 選 擇 蓄 電 池 為 UPS及 電 力 系 統 配 套 。
關 鍵 詞 ： 蓄 電 池 ； 浮 充 ； 電 池 容 量
蓄電 池 自 1859年 由 法 國 人 發 明 使 用 至 今 已 有 143年 歷 史 。 1957年 英 國 首 先 發明 了 再 化 合 免 維 護 汽 車 蓄 電 池 ， 德 國 陽 光 公 司 發 明 了 觸 變 性 凝 膠 工 業 用 鉛 電 池 ， 1983年 美 國 GNB公 司 發 明 并 生 產 了 I型 陰 極 吸 收 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 ， 1985年 日 本 YUASA公 司 開 始 生 產 MSE系列 大 型 陰 極 吸 收 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 。
隨 之 英 國 制 訂 出 標 準 BS6290第 四 部 分 （ 1987） 鉛 酸 固 定 型 單 體 蓄 電 池 和 蓄 電 池 組 （ 閥 控 密 封規 范 ） ； IEC制 訂 出 IEC896— 2（ 1991） 固 定 型 鉛 蓄 電 池 一 般 要 求 和 試 驗 方 式 ， 第 二 部 分： 閥 控 式 ； 日 本 制 訂 出 了 JISC8707— 1992 密 封 式 固 定 型 陰 極 吸 收 式 鉛 蓄 電 池 ； 中 國 郵 電 部 制 訂出 YD/T799— 1996通 信 用 閥 控 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 技 術 要 求 和 檢 驗 方 法 ； 中 國 電 力 部 制 訂 出 DL/T637— 1997閥 控式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 訂 貨 技 術 條 件 。 以 上 標 準 成 為 產 品 質 量 考 核 的 技 術 標 準 。
上 世 紀 80年 代 起 ， 國 外 生 產 類 似 產 品 的 企 業 大 量 發 展 ， 1988年 深 圳 華 達 電 源 系 統 有 限 公 司 引進 了 美 國 GNB公 司 的 技 術 ， 在 消 化 吸 收 后 開 始 生 產 閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 ， 通 過 并 聯 組 合 最 大 容 量可 達 12 960 Ah。 20世 紀 90年 代 我 國 生 產 類 似 產 品 的 廠 家 遍 及 全 國 。
1 閥 控 式 鉛 酸 電 池 的 工 作 原 理
閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 的 設 計 原 理 是 把 所 需 份 量 的 電 解 液 注 入 極 板 和 隔 板 中 ， 沒 有 游 離 的 電 解 液， 通 過 負 極 板 潮 濕 來 提 高 吸 收 氧 的 能 力 ， 為 防 止 電 解 液 減 少 把 蓄 電 池 密 封 ， 故 閥 控 式 鉛 酸 蓄電 池 又 稱 “ 貧 液 電 池 ” 。
閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 的 極 柵 主 要 采 用 鉛 鈣 合 金 ， 以 提 高 其 正 負 極 析 氣 （ H2和 O2） 過 電 位 ， 達 到減 少 其 充 電 過 程 中 析 氣 量 的 目 的 。 正 極 板 在 充 電 達 到 70％ 時 ， 氧 氣 就 開 始 發 生 ， 而 負 極 板 達到 90％ 時 才 開 始 發 生 氧 氣 。 在 生 產 工 藝 上 ， 一 般 情 況 下 正 負 極 板 的 厚 度 之 比 =6： 4， 根 據 這 一正 、 負 極 活 性 物 質 量 比 的 變 化 ， 當 負 極 上 絨 狀 Pb達 到 90％ 時 ， 正 極 上 的 PbO2接 近 90 ％ ， 再 經少 許 的 充 電 ， 正 、 負 極 上 的 活 性 物 質 分 別 氧 化 還 原 達 95％ ， 接 近 完 全 充 電 ， 這 樣 可 使 H2、 O2氣 體 析 出 減 少 。 采 用 超 細 玻 璃 纖 維 （ 或 硅 膠 ） 來 吸 儲 電 解 液 ， 并 同 時 為 正 極 上 析 出 的 氧 氣向 負 極 擴 散 提 供 通 道 。 這 樣 ， 氧 一 旦 擴 散 到 負 極 上 ， 立 即 為 負 極 吸 收 ， 從 而 抑 制 了 負 極 上 氧氣 的 產 生 ， 導 致 浮 充 電 過 程 中 產 生 的 氣 體 90 ％ 以 上 被 消 除 （ 少 量 氣 體 通 過 安 全 閥 排 放 出 去 ）。
2 閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 的 特 性
2.1 浮 充 電 壓
浮 充 電 壓 =開 路 電 壓 ＋ 極 化 電 壓
=（ 電 解 液 比 重 ＋ 0.85） ＋ (0.10～ 0.18) V
=（ 1.30＋ 0.85） ＋ (0.10～ 0.18) V
= 2.15 V ＋ 0.10 V
= 2.25 V
例 如 ， 美 國 圣 帝 公 司 的 電 池 電 解 液 比 重 為 1.240 g/cm3, 所 以 它 的 浮 充 電 壓 為 2.19 V。 日 本 YUASA公 司 的 浮 充 電 壓 為 2.23 V。
2.2 浮 充 電 流
固 定 型 防 酸 隔 爆 蓄 電 池 的 浮 充 電 流 有 兩 個 作 用 ：
1） 補 充 蓄 電 池 自 放 電 的 損 失 ；
2） 向 日 常 性 負 載 提 供 電 流 。
閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 的 浮 充 電 流 有 三 個 作 用 ：
1） 補 充 蓄 電 池 自 放 電 的 損 失 ；
2） 向 日 常 性 負 載 提 供 電 流 ；
3） 浮 充 電 流 足 以 維 持 電 池 內 氧 循 環 。
2.3 端 電 壓 的 偏 差 （ 靜 態 偏 差 與 動 態 偏 差 ）
動 態 偏 差 在 浮 充 運 行 初 期 較 大 。 實 際 上 ， 剛 出 廠 的 蓄 電 池 可 能 是 因 為 部 分 電 池 中 處 于 電 解 液飽 和 狀 態 而 影 響 了 氧 復 合 反 應 的 進 行 ， 從 而 使 浮 充 電 壓 過 高 ， 電 解 液 飽 和 的 電 池 會 因 不 斷 的充 電 使 水 分 解 而 “ 自 動 調 整 ” 至 非 飽 和 狀 態 ， 6個 月 后 端 電 壓 偏 差 逐 漸 減 小 。 但 偏 差 較 大 也 不 排 除 與 有 的 制 造 商 制 造 質 量 有關 。
我 國 GB13337.1－ Q1及 德 國 DJN43539－ 84規 定 固 定 型 電 池 靜 態 偏 差 范 圍 為 電 壓 平 均 值 的 ＋ 0.1～ 0.05 V。
郵 電 部 YD/T799－ 1996規 定 ， 靜 態 時 ， 最 高 電 壓 與 最 低 電 壓 值 偏 差 為 20 mV ， 動 態 時 ， 最 高 電壓 值 與 最 低 電 壓 值 偏 差 不 超 過 50 mV。
電 力 部 DL/T637－ 1997規 定 ， 靜 態 時 ， 最 高 電 壓 與 最 低 電 壓 值 偏 差 為 30 mV ， 動 態 時 ， 最 高 電壓 值 與 最 低 電 壓 值 偏 差 不 超 過 50 mV。
2.4 氣 體 的 復 合
在 正 常 浮 充 電 電 壓 下 ， 電 流 在 0.02C以 下 時 ， 氣 體 100％ 復 合 ， 正 極 析 出 的 氧 擴 散 到 負 極 表 面。 100％ 在 負 極 還 原 ， 負 極 周 圍 無 盈 余 的 氧 氣 ， 負 極 析 出 的 氫 氣 是 微 量 的 。 若 提 升 浮 充 電 壓 ，或 環 境 溫 度 升 高 ， 使 充 入 電 流 徒 升 ， 氣 體 再 化 合 效 率 隨 充 電 電 流 增 大 而 變 小 ， 在 0.05C時 復 合率 為 90％ ， 當 電 流 在 0.1C時 ， 氣 體 再 化 合 效 率 近 似 為 零 。 如 圖 1所 示 ， 這 時 聚 集 在 負 極 的 氧 氣和 負 極 表 面 析 出 的 氫 氣 很 多 ， 電 池 內 壓 徒 升 ， 排 氣 閥 開 啟 ， 造 成 蓄 電 池 嚴 重 缺 水 。
2.5 溫 度 的 影 響
電 池 充 電 時 其 內 部 氣 體 復 合 本 身 就 是 放 熱 反 應 ,使 電 池 溫 度 升 高 ， 浮 充 電 流 增 大 ， 析 氣 量 增 大， 促 使 電 池 溫 度 升 得 更 高 ， 電 池 本 身 是 “ 貧 液 ” ， 裝 配 緊 密 ， 內 部 散 熱 困 難 ， 如 不 及 時 將 熱 量 排 除 ， 將 造成 熱 失 控 。 浮 充 末 期 電 壓 太 高 ， 電 池 周 圍 環 境 溫 度 升 高 ， 都 會 使 電 池 熱 失 控 加 劇 。
溫 度 每 升 高 1 ℃ ,電 池 電 壓 下 降 約 3 mV/單 電 池 ， 致 使 浮 充 電 流 升 高 ， 使 溫 度 進 一 步 升 高 。 溫 度 高 于 50 ℃ 會 使 電 池槽 變 形 。
溫 度 低 于 － 40 ℃ 時 ， 閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 還 能 正 常 工 作 ， 但 蓄 電 池 容 量 會 減 小 。
閥控式鉛酸蓄電池由于結構問題對溫度要求高，這一點大家都 注 意 到 了 ， 為 此 ， 在 設 計 充電 設 備 時 都 考 慮 了 溫 度 補 償 措 施 ， 但 溫 度 采 樣 點 的 選 取 至 關 重 要 ， 它 直 接 關 系 著 補 償 的 效 果。 溫 度 采 樣 點 有 三 處 ， 即 蓄 電 池 附 近 的 空 氣 溫 度 、 蓄 電 池 外 殼 的 表 面 溫 度 及 蓄 電 池 內 部 電 解液 溫 度 。 第 一 處 最 容 易 ， 目 前 基 本 都 采 用 此 法 ， 但 這 種 方 法 很 不 準 確 ， 因 為 由 于 某 種 原 因 使蓄 電 池 溫 度 升 高 ， 但 蓄 電 池 溫 度 的 升 高 很 難 引 起 蓄 電 池 附 近 的 空 氣 溫 度 的 升 高 ， 因 此 這 種 補償 措 施 基 本 無 用 ； 第 三 處 最 能 反 應 蓄 電 池 的 實 際 情 況 ， 但 較 難 實 現 ； 第 二 處 最 實 際 ， 也 較 容易 實 現 ， 目 前 已 有 企 業 根 據 第 二 處 的 采 樣 設 計 溫 度 補 償 單 元 。
2.6 種 類
閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 分 為 三 類 ， 即 大 型 、 中 性 、 小 型 。 單 體 在 200 Ah及 以 上 為 大 型 ， 20～ 200 Ah為 中 型 ， 20 Ah以 下 為 小 型 。
電 力 系 統 在 設 計 上 一 般 均 選 用 大 型 鉛 酸 蓄 電 池 , 而 UPS電 源 在 設 計 上 則 選 用 中 型 鉛 酸 蓄 電 池 。
2.7 電 池 容 量
鉛 酸 蓄 電 池 的 極 板 在 制 造 過 程 中 ， 對 生 極 板 進 行 充 電 化 成 ， 使 正 極 板 上 的 鉛 變 成 二 氧 化 鉛 ，負 極 板 上 的 鉛 變 成 海 綿 狀 鉛 。 但 由 于 在 制 造 廠 對 極 板 進 行 化成 的 時 間 有 限 ， 不 可 能 將 所 有 的 物質 均 轉 化 成 活 性 物 質 ， 為 此 ， 國 家 標 準 規 定 新 電 池 達 到 90 ％ 容 量 為 合 格 ， 只 有 在 今 后 的 日 常使 用 中 ， 容 量 逐 漸 達 到 正 常 值 ， 安 裝 2年 后 要 求 達 到 100％ 。
我 國 、 日 本 、 德 國 工 業 用 電 池 采 用 10小 時 率 ， 美 國 的 工 業 用 電 池 標 準 為 8小 時 率 。
我 國 電 力 、 郵 電 標 準 規 定 ， 10小 時 率 電 池 ， 1小 時 率 時 容 量 為 0.55C10。
日 本 工 業 標 準 規 定 2 V， 10小 時 率 電 池 ， 1小 時 率 時 容 量 為 0.65C10； 6V、 12V， 10小 時 率 電 池， 1小 時 率 時 容 量 為 0.6C10。 20小 時 率 電 池 ， 10小 時 率 時 容 量 為 0.93C20， 1小 時 率 時 容 量 為 0.56C20。
電 力 系 統 一 般 在 設 計 上 均 選 用 10小 時 率 鉛 酸 蓄 電 池 , 而 UPS電 源 在 設 計 上 則 選 用 20小 時 率 鉛 酸蓄 電 池 。
2.8 壽 命
工 業 電 池 可 分 為 兩 類 ： 一 類 為 深 循 環 使 用 的 電 池 ， 另 一 類 為 浮 充 使 用 的 “ 備 用 電 源 ” 電 池 。 循 環 使 用 的 電 池 以 深 循 環 次 數 來 表 示 其 使 用 壽 命 ， 以 0.8C10深 度 充 放 電 循 環 使 用 的 電池 ， 其 壽 命 達 到 1200次 以 上 ； 而 浮 充 使 用 的 電 池 ， 年 限 可 達 到 10～ 12年 ， 有 的 可 達 到 15～ 20年 。 蓄 電 池 只 有 80％ 容 量 時 認 為 壽 命 終 止 。
3 閥 控 式 鉛 酸 蓄 電 池 的 應 用
3.1 UPS電 池 的 選 擇
例 如 ： 某 UPS的 功 率 輸 出 為 50kVA， 其
直 流 電 壓 范 圍 330～ 480 V；
放 電 時 間 30 min；
單 體 終 止 電 壓 1.67 V ；
UPS效 率 0.90；
功 率 因 數 0.95。
計 算 與 選 擇
1） 將 UPS的 kVA數 轉 換 為 kW 數
50/（ 0.9× 0.95） =58.48 kW
2） 決 定 所 需 電 池 個 數 n
n=330V/1.67V=198
3） 確 定 電 池 電 壓 不 超 過 直 流 電 壓 范 圍
198× 2.27=449.46 V< 480 V
4） 決 定 每 單 元 所 承 受 的 功 率
58 480 W/198=295.35 W
由 于 蓄 電 池 使 用 壽 命 終 止 的 條 件 為 電 池 放 電 容 量 的 80％ ， 因 此 應 使 用 此 時 的 容 量 作 為 初 次 選擇 的 條 件 ， 則
295.35 W /0.8=369.19 W
5） 從 YUASA說 明 書 的 功 率 資 料 找 出 適 當 的 終 止 電 壓 （ 1.67 V） 放 電 時 間 （ 30min） 。
從 表 1找 出 型 號 UXL220— 2可 承 受 387 W >369.19 W的 功 率 ， 設 計 壽 命 15年 。
3.2 電 力 系 統 蓄 電 池 的 選 擇
例 如 ： 某 220 kV變 電 所 220 V直 流 負 荷 為
經 常 負 荷 16.0 A;
事 故 照 明 18.2 A;
通 信 電 源 9.1 A;
遠 動 電 源 4.5 A;
電 流 統 計 47.8 A;
1小 時 容 量 統 計 47.8 Ah。
計 算 與 選 擇
1） 根 據 最 高 電 壓 確 定 蓄 電 池 個 數 n
n=1.05× 額 定 電 壓 /浮 充 電 壓
=1.05× 220/2.25
=102.67 取 n=102個
2） 蓄 電 池 放 電 終 止 電 壓 UZ
UZ≥ 0.85× 額 定 電 壓 /n
=0.85× 220/102
= 1.83 V
3） 蓄 電 池 容 量 選 擇 CC
CC=KK× CS/KCC
=可 靠 系 數 × 放 電 容 量 /容 量 系 數
=1.4× 47.8/0.656
=102Ah
（ 容 量 系 數 可 從 表 2查 出 ） 。
選 擇 蓄 電 池 的 標 稱 容 量 C10=200 Ah。
注 ： 可 靠 系 數 取 1.4, 其 中 已 考 慮 低 溫 對 蓄 電 池 的 影 響 、 電 池 的參 數 不 一 致 的 影 響 及 當 電 池 容 量 低 80％ 時 為 壽 命 終 止 。
4 使 用 注 意 事 項
閥 控 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 也 有 人 稱 之 為 “ 免 維 護 電 池 ” ， 由 于 使 用 方 便 ， 近 幾 年 來 在 電 力 及 郵 電 通 信 部 門 得 到廣 泛 的 應 用 ， 但 由 于 不 了 解 閥 控 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 的 特 性 ， 往 往 幾 年 就 報 廢 了 ， 給 企 業 造 成極 大 的 損 失 。
首 先 將 “ 免 維 護 電 池 ” 當 作 不 用 維 護 就 錯 了 ， “ 免 維 護 電 池 ” 只 是 制 造 商 的 廣 告 用 語 。 閥 控 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 在 使 用中 應 注 意 觀 察 電 池 的 溫 度 情 況 ， 隨 時 注 意 觀 察 浮 充 電 壓 ， 若 充 電 設 備 沒 有 補 償 溫 度 的 功 能 ，就 應 按 溫 度 每 上 升 1 ℃ ， 每 單 體 電 池 浮 充 電 壓 下降 3 mV進 行 修 正 。
由 于 觀 察 不 到 閥 控 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 內 部 的 情 況 ， 因 此 在 使 用中 應 定 期 對 其 進 行 放 電 試 驗 ， 以 檢 測 蓄 電 池 容 量 ， 避 免 因 其 容 量 下 降 而 起 不 到 備 用 電 源 的 作用 。 需 要 注 意 的 是 蓄 電 池 在 放 電 時 不 要 過 放 電 ， 放 電 后 必 須 在 12 h內 補 充 電 ， 否 則 將 造 成 蓄電 池 的 永 久 損 壞 。
注 意 選 用 閥 控 式 密 封 鉛 酸 蓄 電 池 的 容 量 與 電 池 的 類 型 ， 同 樣 兩組 100 Ah 220 V日 本 湯 淺 電 池 ， 實 際 情 況 是 ： 一 組 100 Ah， 36節 電 池 ， 10小 時 率 100 Ah， 1小時 率 時 60 Ah ， 15年 壽 命 ； 另 一 組 100 Ah， 18節 電 池 ， 20小 時 率 100 Ah， 1小 時 率 時 56 Ah ， 3年 壽 命 。 可 見 在 容 量 上 有 差 別 ， 在 壽 命 上 亦 有 差 別 ， 在 價 格 上 的 差 別 竟 是 4～ 5倍 ．
