[科普中国]-阀控式铅酸蓄电池

阀控式铅酸蓄电池的英文名称为Valve Regulated Lead Battery（简称 VRLA电池），其基本特点是使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构， 不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀(也叫安全阀)，该阀 的作用是当电池内部气体量超过一定值（通常用气压值表示），即当电池内部 气压升高到一定值时，排气阀自动打开，排出气体，然后自动关阀，防止空 气进入电池内部。

简介阀控式密封铅酸蓄电池就是VRLA电池。

英语全称为：Valve Regulated Lead Acid Battery

它诞生于20世纪70年代，到1975年时，在一些发达国家已经形成了相当的生产规模，很快就形成了产业化并大量投放市场。这种电池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，而倍受用户欢迎，特别是让那些需要将电池配套设备安装在一起(或一个工作间)的用户青睐，例如UPS、电信设备、移动通信设备、计算机、摩托车等。这是因为VRLA电池是全密封的，不会漏酸，而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，所以从结构特性上人们把VRLA电池又叫做密闭（封）铅酸蓄电池。为了区分，把老式铅酸蓄电池叫做开口铅酸蓄电池。由于VRLA电池从结构上来看，它不但是全密封的，而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀，所以VRLA铅酸蓄电池的全称便成了“阀控式密闭铅酸蓄电池”

阀控式铅酸蓄电池的密封机理铅酸蓄电池密封的难点就是充电时水的电解。当充电达到一定电压时（一般在2.30V/单体以上）在蓄电池的正极上放出氧气，负极上放出氢气。一方面释放气体带出酸雾污染环境，另一方面电解液中水份减少，必须隔一段时间进行补加水维护。阀控式铅酸蓄电池就是为克服这些缺点而研制的产品，其产品特点为：

（1）采用多元优质板栅合金，提高气体释放的过电位。即普通蓄电池板栅合金在2.30V/单体（25℃）以上时释放气体。采用优质多元合金后，在2.35V/单体（25℃）以上时释放气体，从而相对减少了气体释放量。

（2）让负极有多余的容量，即比正极多出10%的容量。充电后期正极释放的氧气与负极接触，发生反应，重新生成水，即O2+2Pb→2PbO+2H2SO4→H2O+2PbSO4，使负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产生氢气。这种正极的氧气被负极铅吸收，再进一步化合成水的过程，即所谓阴极吸收。

（3）为了让正极释放的氧气尽快流通到负极，必须采用和普通铅酸蓄电池所采用的微孔橡胶隔板不同的新型超细玻璃纤维隔板。其孔率由橡胶隔板的50%提高到90%以上，从而使氧气易于流通到负极，再化合成水。另外，超细玻璃纤维隔板具有将硫酸电解液吸附的功能，因此即使电池倾倒，也无电解液溢出。

（4）采用密封式阀控滤酸结构，使酸雾不能逸出，达到安全、保护环境的目的。

在上述阴极吸收过程中，由于产生的水在密封情况下不能溢出，因此阀控式密封铅酸蓄电池可免除补加水维护，这也是阀控式密封铅酸蓄电池称为免维电池的由来。但是，免维的含义并不是任何维护都不做，恰恰相反，为了提高阀控式密封铅酸蓄电池的使用寿命，有许多维护工作等着我们去做，正确的使用方法只有在做中才能探索出来。

技术特点铅酸蓄电池的电性能用下列参数量度：电池电动势、开路电压、终止电压、工作电压、放电电流、容量、电池内阻、储存性能、使用寿命（浮充寿命、充放电循环寿命）等。

相关参数当蓄电池用导体在外部接通时，正极和负极的电化反应自发地进行，倘若电池中电能与化学能转换达到平衡时，正极的平衡电极电势与负极平衡电极电势的差值，便是电池电动势，它在数值上等于达到稳定值时的开路电压。电动势与单位电量的乘积，表示单位电量所能作的最大电功。但电池电动势与开路电压意义不同：电动势可依据电池中的反应利用热力学计算或通过测量计算，有明确的物理意义。后者只在数字上近于电动势，需视电池的可逆程度而定。

电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池正极电极电势与负极电极电势之差。

电池工作电压是指电池有电流通过（闭路）的端电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。

电池容量电池容量是指电池储存电量的数量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。

电池的容量可以分为额定容量（标称容量）、实际容量。

（1）额定容量

额定容量是电池规定在在25℃环境温度下，以10小时率电流放电，应该放出最低限度的电量(Ah)。

a、放电率。放电率是针对蓄电池放电电流大小，分为时间率和电流率。

放电时间率指在一定放电条件下，放电至放电终了电压的时间长短。依据IEC标准，放电时间率有20，10，5，3，1，0.5小时率及分钟率，分别表示为：20Hr，10Hr，5Hr，3Hr，2Hr，1Hr，0.5Hr 等。

b、放电终止电压。铅蓄电池以一定的放电率在25℃环境温度下放电至能再反复充电使用的最低电压称为放电终了电压。大多数固定型电池规定以10Hr放电时（25℃）终止电压为1.8V/只。终止电压值视放电速率和需要而定。通常，为使电池安全运行，小于10Hr的小电流放电，终止电压取值稍高，大于10Hr的大电流放电，终止电压取值稍低。在通信电源系统中，蓄电池放电的终止电压，由通信设备对基础电压要求而定。

放电电流率是为了比较标称容量不同的蓄电池放电电流大小而设的，通常以10小时率电流为标准，用I10表示，3小时率及1小时率放电电流则分别以I3、I1表示。

c、额定容量。固定铅酸蓄电池规定在25℃环境下，以10小时率电流放电至终了电压所能达到的额定容量。10小时率额定容量用C10表示。10小时率的电流值为C10/10。

其它小时率下容量表示方法为：3小时率容量(Ah)用C3表示， 在25℃环境温度下实测容量(Ah)是放电电流与放电时间(h)的乘积，阀控铅酸固定型电池C3和I3值应该为：

C3=0.75 C10(Ah)

I3=2.5 I10(h)

1小时定容量(Ah)用C1表示，实测C1和I1值应为C1=0.55 C10(Ah)

I1=5.5 I10(h)

（2）实际容量

实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah。

电池内阻电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。

欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。

循环寿命蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环（一个周期）。在一定放电条件下，电池工作至某一容量规定值之前，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。

各种蓄电池使用循环次数都有差异，传统固定型铅酸电池约为500~600次，起动型铅酸电池约为300~500次。阀控式密封铅酸电池循环寿命为1000~1200次。影响循环寿命的因素一是厂家产品的性能，二是维护工作的质量。固定型铅电池用寿命，还可以用浮充寿命（年）来衡量，阀控式密封铅酸电池浮充寿命在10年以上。

对于起动型铅酸蓄电池，按我国机电部颁标准，采用过充电耐久能力及循环耐久能力单元数来表示寿命，而不采用循环次数表示寿命。即过充电单元数应在4以上，循环耐久能力单元数应在3以上。

电池能量电池的能量是指在一定放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时（Wh）表示。

电池的能量分为理论能量和实际能量。理论能量W理可用理论容量和电动势（E）的乘积表示，即

W理=C理E

电池的实际能量为一定放电条件下的实际容量C实与平均工作电压U平的乘积，即

W实=C实U平

常用比能量来比较不同的电池系统。比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位分别是Wh/kg或Wh/L。

比能量有理论比能量和实际比能量之分。前者指1 kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量。实际比能量为1 kg电池反应物质所能输出的实际能量。

由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。实际比能量和理论比能量的关系可表示如下：

W实= W理·KV·KR·Km

式中 KV—电压效率； KR—反应效率； Km—质量效率。

电压效率是指电池的工作电压与电动势的比值。电池放电时，由于电化学极化、浓差极化和欧姆压降，工作电压小于电动势。

反应效率表示活性物质的利用率。

电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平，也表明生产厂家的技术和管理水平。

储存性能蓄电池在贮存期间，由于电池内存在杂质，如正电性的金属离子，这些杂质可与负极活性物质组成微电池，发生负极金属溶解和氢气的析出。又如溶液中及从正极板栅溶解的杂质，若其标准电极电位介于正极和负极标准电极电位之间，则会被正极氧化，又会被负极还原。所以有害杂质的存在，使正极和负极活性物质逐渐被消耗，而造成电池丧失容量，这种现象称为自放电。

电池自放电率用单位时间内容量降低的百分数表示：即用电池贮存前（C10’）（C10”）容量差值和贮存时间T（天、月）的容量百分数表示。

浮充电压对阀控电池的影响为了补充阀控式铅酸蓄电池备用时由于自放电引起的容量损失，在实际使用中，作为备用的铅酸蓄电池平时都处于浮充电状态。即给蓄电池二端加上一定的充电电压，使电池处于浮充电流产生的充电和自放电引起的容量损失的动态平衡状态，保持蓄电池是满容量的。单体浮充电压是根据电池厂家要求设定的，阀控电池一般在2. 23～2. 27 V 之间。单体浮充电压对阀控电池的容量和寿命有着明显的影响，说明了这一影响的关系。在蓄电池组实际运行时，充电机并不是对每个电池单独控制充电的，而是控制整组电池的充电电压。

阀控式铅酸蓄电池的失效埋下的隐患(1) 过高的浮充电压意味着对电池的过充，加速了正极板腐蚀并减少了电池寿命；

(2) 同样 ,过低的浮充电压意味着对电池的欠充，加速负极板腐蚀，也减少了电池寿命；

(3) 电池组中各单体电池电压会相互影响，产生更大的波动，加强了过充和欠充现象。

在对实际运行的蓄电池组浮充电压数据进行分析后，可以看到浮充电压的偏离现象。尽管理论和实践都证明，单体电池的浮充电压和电池容量没有相关性，但是浮充电压的离散度却和电池性能有相关性。通过放电测试验证了浮充电压长期偏离对容量的影响，尤其是浮充电压离散度更能表征对电池容量产生的影响。

阀控式铅酸蓄电池在线维护技术的实现蓄电池监测系统中，不论是现场设备、单机版监控软件，还是网络监控系统，一般都缺乏对蓄电池状态分析的有效方法，即使有一些内阻的在线测试，也只是显示了内阻数据，而没有告知电池状态，更没有维护的手段。为此，根据上述思路，我们在已有的蓄电池监测模块(BMM) 的基础上，增加了两大模块：

(1) 将蓄电池监测模块(BMM) 通过网络联网或接入已有的动环系统，并在远程计算机系统中安装分析软件模块 ———蓄电池失效数学模型，实时监测和分析蓄电池浮充电压的离散度、内阻的变化趋势等相关参数，分析阀控电池实际的运行状态，并针对性的发出维护指令。

(2) 在蓄电池监测模块(BMM) 内增加蓄电池维护模块，可以对任意单体电池充放电进行控制，实现在线对单体电池浮充电压进行调整，补充电或放电。当系统发现某一电池浮充电压有持续异常或性能有偏差时，发出维护指令，则蓄电池监测模块 (BMM) 执行相应的充放电维护程序1。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学