通信用VRLA电池的工作特点

1.前言

　　近年来，随着通信、能源以及电子技术的高速发展，要求提供质量更好，使用更方便，维护更简单的备用电源。VRLA电池因其价格低廉、电压稳定、无污染、无需维护等优点，深得通信、电力等领域用户的青睐。但是，大量用户由于不能科学掌握蓄电池工作特点，造成了对蓄电池不合理的使用，进而产生了蓄电池的早期容量损失、不可逆硫酸盐化、热失控、电解液干涸等问题。这些问题的出现不仅给用户增添了麻烦，更对蓄电池厂家的产品形象造成了不良的影响。为了用户能够更好地使用和维护蓄电池，本文结合YD/T799-1996标准谈一下VRLA电池在通信领域的工作特点。

2.VRLA电池工作原理

2.1电池的电化学反应

　　蓄电池在开路状态下，正负极活性物质PbO2和海绵状金属铅与电解液稀硫酸的反应都趋于稳定，即电极的氧化速率和还原速率相等，此时的电极电势为平衡电极电势。当有充放电反应进行时，正负极活性物质PbO2和海绵状金属铅分别通过电解液与其放电态物质硫酸铅来回转化。最基本的电极反应式为
Pb+2H++2HSO4-+PbO2 PbSO4+2H2O+PbSO4
(-) (+) (-) (+)

　　放电过程：蓄电池将化学能转变为电能输出。对负极而言是失去电子被氧化，形成硫酸铅；对正极而言，则是得到电子被还原，同样是形成硫酸铅。反应的净结果是外电路中出现了定向移动的负电荷。由于放电后两极活性物质均转化为硫酸铅，所以叫“双极硫酸盐化”理论。

　　充电过程：蓄电池将外电路过来的电能转化为化学能储存起来。此时，负极上，硫酸铅被还原为金属铅的速度大于硫酸铅的形成速度，导致硫酸铅转变为金属铅；同样，正极上，硫酸铅被氧化为PbO2的速度也增大，正极转变为PbO2。

　　众所周知，蓄电池在充放电过程中，电池的电压会有很大的变化，这是因为正负极的电极电势离开了其平衡状态的电极电势发生了极化。铅酸蓄电池的极化是由浓差极化、电化学极化和欧姆极化三种因素造成的，由于这三种极化的存在，才出现了铅酸蓄电池使用过程中各种充放电电流和充放电电压的严格设置，以免使用不当，对蓄电池的性能造成较大的影响。

2.2氧循环原理

　　普通开口式蓄电池在充电时，电池会生成大量的气体而导致失水，因而普通开口式蓄电池维护要求中最重要的一条就是定期补加去离子水。而VRLA电池在使用过程中基本上是免维护的，这就要求其在使用过程中不能有水的损失，即不能有氢氧气体的析出。

　　对于VRLA电池，板栅材料为高析氢过电位Pb-Ca系列多元合金，电池的负极活性物质相对正极有余，隔膜透气性好，且能吸附电解液，电池盖上有自动开闭的限压析气阀，基于这些条件，保证由蓄电池在使用过程中，基本上不产生氢气，并且正极产生的氧气，能以电池内循环的方式被阴极吸收，称为阴极吸收机理。

　　阀控电池正负极充电接近至完全充电时，电池内部有少许水被电解。氧气从正极上析出，电极反应式为：
4H2O=4H++4OH-
4OH-=2H2O+4e+O2
2H2O=4H++4e+O2(正极析氧总反应)

　　正极产生的氧气透过吸液隔膜扩散至负极海面状金属铅的表面与其化合，最终复合成水。其反应历程为：

(1)从正极析出的氧气通过隔膜扩散到负极活性物质表面；

(2)氧分子达到负极周围界面；

(3)氧分子放电而被阴极吸收，其反应的机理和类型有：

a.平行反应
2Pb+O2+4H++2SO42-=2PbSO4+2H2O
2Pb+O2+2H++SO42-=PbO·PbSO4+H2O
b.4Pb+2O2+SO42-+2H+=3PbO·PbSO4+H2O
c.控制反应

2Pb+O2=2PbO
2Pb+O2+2H++2HSO4-=2PbSO4+2H2O
上述反应中产物PbSO4再还原金属铅：
PbSO4+H++2e=Pb+HSO4-
若反应的两个控制步骤具有很大的反应速率，就可以使负极表面在析氢之前，完成氧的复合反应，实现蓄电池密封性和免维护性。

　　a-b-c反应步骤表明了正极周围析出的氧气，理想状态可顺利扩散到负极变为固相的氧化物，之后又变为液相水，经历了一次循环，之后周而复始的进行氧循环。结果负极周围无赢余的氧气，且由于氧气在负极的复合又抑制了氢气的发生。但是蓄电池在使用过程中，各种反应不可能完全工作在理想条件下，这就要求VRLA电池必须达到一定的密封性。相应地，YD/T799-1996标准中规定了蓄电池的氧循环效率不低于95%，并给出了密封反应效率的测量方法和计算公式。

3.充电特性

　　蓄电池的充电方式有，浮充充电，均衡充电，补充电和循环充电等多种方式。但通信用蓄电池的充电方式主要是浮充充电和均衡充电两种方式。为了延长阀控电池的使用寿命，必须了解不同充电方式的充电特点和充电要求，严格按照要求对蓄电池进行充电。

3.1浮充充电

　　通信电源系统采用整流设备和蓄电池组并联冗余供电方式。蓄电池组既为备用电源，又可吸收开关整流设备的纹波电流。浮充电流的选择除维持电池的自放电以外，还应维持电池内的氧循环。不过浮充电流的数值除与电池的本身特征有关外，主要受运行时的浮充电压所决定。

　　为了使浮充电运行的蓄电池即不欠充电，也不过充电，蓄电池投入运行之前，必须为其设计浮充状态下充电电压和充电电流。依据YD/T799-1996标准要求：在环境温度为时，标准型阀控铅酸蓄电池的浮充电压应设置在2.25V，允许变化范围为2.23-2.27V。实际运行时，还需要根据环境温度的变化来调整浮充电压，通常的调节系数为μ3mV/℃。但绝不是说有了浮充电压的调节系数，电池就可以任意环境温度下使用。要知道，温度低时，由于浮充电压增大，同样会引起浮充电流增大，板栅腐蚀加速，寿命提前终止等一系列的问题；而温度高时，浮充电压减小，也会形成电池欠充电的一系列问题。

　　由此可知，阀控铅酸蓄电池安装使用时，最好要安装在装有空调的、通风条件良好的房间内，同时还要远里开关整流器等热源，并且电池多层安装时，也最好不要安装在电池柜内，以免影响散热。

3.2均衡充电

　　《电信电源维护规程》规定，阀控铅酸蓄电池遇到下列情况之一时，应进行均衡充电：①两只以上单体电池的浮充电压低于2.18V；②放电深度超过20%；③闲置不用的时间超过三个月；④全浮充时间超过三个月。YD/T799-1996标准规定，均衡充电时，通常采用恒压限流的方式。充电电压的设置也要根据电池的结构特点和环境温度来确定，环境温度为25℃时，单体阀控铅酸蓄电池的均衡充电电压应设置在，充电电流应小于0.25C10A，C10为蓄电池10小时率的放电容量。通常，环境温度每升高1℃，单体电池的均衡充电电压应下降。为了延长蓄电池的使用寿命，当均衡充电的电流减小至连续三小时不变时，必须立即转入浮充电状态，否则，将会严重过充电而影响电池的使用寿命。

4.放电特性

　　蓄电池在出厂之前，都会进行容量试验，依据YD/T799-1996标准，进行容量试验有下列步骤：①先将被试验电池完全充电；②试验电池静置1-24h，使电池表面温度达到25±5℃；③固定型阀控密封铅酸蓄电池采用0.1C10电流，连续对负载恒流放电，放电过程中定期测试电池端电压；电池端电压到达1.80V/Cell时为放电终止。最后累积放电量达到100%即为合格。但是蓄电池在通信电源系统中是作为备用电源使用的，这就要求蓄电池在市电中断后，能立即转入放电状态，以保证直流电源不间断，因而蓄电池的事故性放电使用更为重要。
对于蓄电池来说，放电终止的依据是电池的端电压，而在通信电源系统中，开关整流器通常都将蓄电池组的放电终止电压设置在43V，单体电池的终止电压约为1.80V。但是蓄电池的端电压是与电池正负极的三种极化密切相关的，终止1.80V/Cell的设置是针对大约0.1C10左右的放电速率而定的。由于极化的存在，随着放电速率的减小，伴随着放电电流的减小，放电终止电压也应该越来越高，否则极有可能导致蓄电池的过放电。在通信领域中，蓄电池的放电速率大都在0.02-0.05C10这个范围内，这就要求开关整流器将放电的终止电压设置在单体电压1.90V左右，否则蓄电池将会出现不可逆硫酸盐化，寿命提前终止等灾难性事故。

5.结束语

　　在对VRLA电池的使用过程中，寿命达不到设计寿命的原因是多方面的，为避免不必要的损失，了解蓄电池的工作特点，保证通信用蓄电池在使用过程中的使用条件是必要的，也是必须的。

摘自《国际电源商情》