《電子技術(shù)應(yīng)用》
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VRLA電池及其應(yīng)用
摘要: 蓄電池容量的定義通常電源設(shè)備的容量用kVA或kW來表示,。然而,,作為電源的VRLA電池,,選用安時(Ah)表示其容量則更為準確,。
Abstract:
Key words :

1蓄電池容量的定義

通常電源設(shè)備的容量用kVA或kW來表示,。然而,,作為電源的VRLA電池,,選用安時(Ah)表示其容量則更為準確,。蓄電池容量定義為:Q=idt(1)

理論上,,t可以趨于無窮,,但實際上,當電池放電低于終止電壓時仍繼續(xù)放電,,這可能損壞電池,,故t值有限制。

電池行業(yè)中,,以小時(h)表示電池的可持續(xù)放電時間,,常見的有:C240,C20,C10,C8、C3,C1等標稱容量值。

小電池的標稱容量以毫安時(mAh)計,,大電池的標稱容量則以安時(Ah),、千安時(kAh)計等。電信工業(yè)常取C10,、C8等標稱容量值,。

例如,常見的Deka電池12AVR100SH為12V單體,,100Ah容量,,即可持續(xù)放電10h,電流為10A,,共放出Ah數(shù)為10×10=100Ah(實際測試中,,為使電流值保持恒穩(wěn),當電壓變化時,,應(yīng)調(diào)整外電路負載,,以便計量)。

2蓄電池的理論容量,、實際容量、標稱容量

理論容量也稱計算容量由電池極板所含活性物質(zhì)的量決定,。鉛酸蓄電池的電化當量對于Pb,4價為0.517Ah/g,2價為0.259Ah/g;對于PbO2,4價為0.488Ah/g,2價為0.224Ah/g;根據(jù)電化當量與活性物質(zhì)的量計算出來的容量叫蓄電池的理論容量,。

實際容量是指蓄電池放電時所測得的容量,取決于活性物質(zhì)的量及利用率,?;钚晕镔|(zhì)與鉛板相關(guān),但并不等同于鉛重量,。利用率與蓄電池極板的結(jié)構(gòu)型式,、放電電流的大小、溫度,、終止電壓,、原材料質(zhì)量及制造工藝、技術(shù)和使用方法有關(guān),,而且是變化的,。當今,已知單塊極板最大容量為100Ah/2V,。

額定容量又稱標稱容量,,即在制造廠規(guī)定的條件下,蓄電池能放出的最低工作容量,,例如,,97Ah電池標稱100Ah,有些廠家的電池則是在使用幾個循環(huán)之后,實際容量達到或超出標稱容量,。

3VRLA電池容量及有關(guān)問題

31容量與溫度

當蓄電池放電工作溫度不是基準溫度25℃時,,則實際容量應(yīng)按公式(2)換算成25℃時的容量。即測試環(huán)境溫度不是25℃時,,容量需校正,。

Ce=Ct/[1+KT(T-25℃)](2)

式中:Ct為實測容量,Ce為25℃實際容量(看作標稱容量),,KT為溫度系數(shù),T為實際溫度,。

對于10h率放電,KT=0.006/℃,;3h率放電,,KT=0.008/℃,1h率放電,KT=0.01/℃.

32容量與極板重量

VRLA電池所用鉛板與汽車電池基本材料相近,,重量,、外型稍有差異,例如12V/100AhVRLA電池與同一廠家制造的汽車電池極板,,僅在外型與重量上有差別,,后者稍微小些,這是因為汽車電池極板稍薄,,但標稱容量均一致,。

3.3容量與使用壽命

相同容量的VRLA電池可有不同的設(shè)計使用壽命,這主要取決于板極的制造,、重量及閥的密封方式,,即使是同一廠家的電池由于閥的密封方式不同,極板制造大小不同,,可以有6年,、10年、20年設(shè)計壽命的差異,。一般,,20年壽命電池的極板重量應(yīng)是10年壽命極板的兩倍左右,這也可以從法拉弟電化學定律得到解釋,。200Ah電池的重量應(yīng)是100Ah電池的兩倍左右,,各個廠家相同容量VRLA電池,重量相近,。

此外,,實際使用壽命與設(shè)計使用壽命有很大差別,這主要取決于VRLA電池中水的損失情況,。在設(shè)計條件下使用可達到設(shè)計壽命,,而當外部條件如溫度、電壓、放電深度等變化超出設(shè)計要求時,,實際使用壽命將會大大低于設(shè)計壽命,,容量也會發(fā)生變化,趨于降低,。

34容量與電解液

VRLA電池的電解液是稀硫酸,,其比重與傳統(tǒng)的開口滿液式電池有差異,為1.296~1.321(傳統(tǒng)電池電解液為1.185~1.220),,此時約含40%的硫酸(重量比),體積比約為29%,,冰點約為-70℃,而傳統(tǒng)電池電解液約在-25℃時結(jié)冰,,故VRLA電池可用于較低溫度條件下,,但用于低溫時實際容量要降低,可根據(jù)廠方提供的容量—溫度曲線求出,。

另外,,還有堿性電解液閥控電池及膠體酸性閥控電池。膠體(Gel)電池(如DEKASolar)在低溫條件下使用更好,,據(jù)廠方資料,,南極考察時,-56℃以下溫度,,電池仍可使用(一般電池可能早已凍裂),。

現(xiàn)在一些VRLA電池已經(jīng)用于汽車上,這是因為維護簡單,,且冰點更低,在嚴寒條件下,,汽車起動打火可以方便一些,。

4VRLA電池的安裝與對充電器的要求

41對充電器的要求

傳統(tǒng)電池充電選用一般整流電源即可,而VRLA電池與傳統(tǒng)電池相比,,最苛刻的要求在于對充電器的選擇上,。VRLA電池的充電器一般選擇技術(shù)上成熟的高頻開關(guān)電源,如華為公司,、中興公司等均有該系列產(chǎn)品,,其技術(shù)性能如下:

交流輸入:380V±20%,45~66Hz三相五線制

或220V±20%,,45~66Hz單相三線制

直流輸出:額定電壓-48V(-43.2V~57.6V)

穩(wěn)壓精度<±0.5%

紋波系數(shù)<2.5%

限流,、恒壓充電可調(diào)0.2C10~0.1C10

帶溫度補償按48V蓄電池組溫度變化72

~80mV/℃調(diào)整

均充轉(zhuǎn)浮充可調(diào)整設(shè)定(48V系統(tǒng)電池組)

保護功能輸入欠壓保護,整定值304V

輸入過壓保護,,整定值456V

直流輸出過壓保護

直流輸出欠壓保護(可設(shè)定)

整流模塊過熱保護

三遙功能,、智能化接口到遠方控制中心

環(huán)境的溫度-20℃~45℃

濕度適應(yīng)為40%~90%

海拔高度在3000m以下

可連接電池組數(shù)(至少2組以上) 

42VRLA電池的安裝

(1)VRLA電池連接至充電器(電信使用一般為

兩組電池,當交流斷電時,一組放電,,一組備用),,兩組連線在按廠家要求配線選截面后,連接長度應(yīng)一致,,且盡可能短,,減少壓降與能耗;

(2)保險,、斷路器一般應(yīng)安裝在電池負極與負載

之間,;

(3)不應(yīng)在一組電池中混聯(lián)不同型號或不同廠家

的電池,以免引起電池組浮充不正常,,導(dǎo)致電池損壞,。高于220V系統(tǒng)一般選用12V單體電池串聯(lián),同容量型號電池并聯(lián)一般不超過4組,;

(4)盡管VRLA電池是吸液式設(shè)計,,可安放任何

位置,但最好按照廠方圖紙,,臥式設(shè)計的應(yīng)臥式安裝,,立式設(shè)計的應(yīng)立式安裝,這有助于電池安全使用,;

(5)VRLA電池一般應(yīng)安裝于室內(nèi),,有空調(diào)通風

裝置,溫度在25℃左右,,濕度在40%~90%之間,,通風必不可少。在高山機站霧大,、濕度大,,海拔高的地方,也可裝在室外(電池柜內(nèi)),。在地震頻繁地區(qū),,則考慮選用安裝抗震結(jié)構(gòu)的電池。在低溫地區(qū)常年使用,,則容量選擇應(yīng)大幾號,,考慮到抗凍裂問題,最好選用膠體電池,。

5VRLA電池容量的監(jiān)測

VRLA電池由于其密封及吸液式結(jié)構(gòu),,造成對電池容量及性能監(jiān)測的困難,與傳統(tǒng)開口式電池相比,,它不能看到液面及極板,,也不能嗅到酸味,,更不能測量比重及內(nèi)壓等,而電池失效或電池容量降低主要是因為脫水及極板硫化造成的,,僅靠外部測量VRLA電池開路電壓又不能作為判定電池容量[下降至標稱容量的80%的電池,,則判定其為失效]的充分依據(jù)。

目前有如下幾種容量監(jiān)測方法:

(1)在線電導(dǎo)測試

在美國,、德國,、英國等國家對VRLA電池一般采用電導(dǎo)技術(shù)檢測其容量,這種方法無需放電,,也不用檢查VRLA電池內(nèi)部,。例如美國Midtronics公司的專利電導(dǎo)儀就屬于在線測量方式。

其原理是對一組VRLA電池兩端加一低頻率交流測量信號電壓,,通過電池的信號電流與信號電壓的比值即為電導(dǎo)(僅考慮導(dǎo)納的實部值)單位為姆歐(或西門子),,反映了此時電池在線時的傳導(dǎo)電流能力。為此在安裝時應(yīng)建立電導(dǎo)值測量曲線檔案,,這樣在周期檢測時,,如發(fā)現(xiàn)此時電導(dǎo)值低于80%初始測量值,則電池容量已低于80%標稱容量,,具體操作方式可見相關(guān)產(chǎn)品說明書,。

(2)假負載放電

如同測量傳統(tǒng)開口式電池的容量一樣,假負載放電測試也是目前仍較實用的一種方式,。

當備用電池有兩組時,,可選一組退出系統(tǒng),再用假負載對其作放電試驗,,這可以100%地實際檢測VRLA電池的容量,,需要注意的是有的廠家規(guī)定的某電池的放電終止電壓是1.75V/單體,而有的廠家規(guī)定的是1.80V/單體,。

一般在放電開始時,,有一個從端電勢到閉路電壓的陡降(例如從2.20V降至2.05V左右,以后在2.0~1.8V電壓之間為一直線,而在放電至終止電壓后,,電池端電壓會急降趨于0V,顯陡降跳水曲線)。

根據(jù)國家標準,對電池以10小時率放電,測得出C10標稱容量值Ce,,放電電流為0.1IC10A,。若以3小時率放電,則放電電流應(yīng)為0.25IC10A,即容量為75%Ce;若以1小時率放電,,則放電電流應(yīng)為0.55IC10A,即容量為55%Ce,。

(3)目測方法

檢查外觀是否有電池外殼膨脹、凹陷,、連接條打火變色,,電纜頭及連接螺絲變色等,,有無酸霧逸出及其它異味,觸摸電纜過熱,,外殼過熱等,。

另外,也可用電壓表檢測,,組與組之間的電壓是否一致,,組內(nèi)各個電池電壓是否一致(一般電池容量下降是因為內(nèi)阻增大,內(nèi)阻大的電池電壓也較高),,以及電池電壓是否低于12V(如充電電池斷開浮充電源后仍有個別電池電壓低于12V以下,,則可能已經(jīng)損壞)。

還可以打開閥蓋(一般禁止打開,,但電池有嚴重疑問者可迅速打開閥蓋再行關(guān)閉,關(guān)閉時注意旋緊),,檢查極板是否硫化,以及是否吸液玻璃纖維內(nèi)部已干涸等,。

6VRLA電池應(yīng)用計算實例

61配套程控交換機電池安裝容量

C8&C08等1000門程控交換機常見負載電流為4A~8A/48V(已考慮電話同時使用率約60%),。

通常選配二組100Ah/48V電池,每組可以支持24h左右,,兩組可支持48h左右,。

62電池配套UPS容量計算

蓄電池的最大放電電流可由下式得出:

I=[Pcosφ]/[Eiη]=P/Ei(3)

式中:P為UPS標稱功率,cosφ為功率因數(shù)取0.8,η為效率取0.8,Ei為電池放電終止電壓。

也有一經(jīng)驗公式如下:

如UPS容量為30kVA,,cosφ取0.8,則功率為24kW,,若需放電2h,則總能耗為48kWh,,而輸入電壓通常已由UPS決定,,設(shè)為220V,那么應(yīng)配備電池容量為:

48000Wh/220V≈210Ah

而在選用電池時,,其放電Ah數(shù)對應(yīng)于對UPS的時間要求,,在考慮到電池的內(nèi)部損耗后,Ah數(shù)要選稍大一些,。

如果電池是作電動車等設(shè)備的電源使用,,則要根據(jù)放電深度對電池容量進行選擇(一般VRLA電池閥的開關(guān)壽命及水的損失率已不成問題,可以不予考慮),,如德克電池容量100~4200Ah在25%的深度放電工作時可達3000次循環(huán)壽命,,在50%的深度放電工作時達1500次循環(huán)壽命,當對循環(huán)次數(shù)要求高時,,則可使放電深度下降,。例如,電池容量選大一倍,,則同型號工作設(shè)備的電池循環(huán)工作次數(shù)可以增大一倍(通過三年實測,,德克電池80%深度放電可達1200次循環(huán)),。

63電池地面承重力計算(經(jīng)驗公式)

設(shè)計安裝當中,常要求機房的地面承載強度足以承受電池重量,,地面荷載公式如下:

〔電池總重量(kg)/電池占地總面積(m2)〕×面積系數(shù)=承重力(kg/m2)(4)

式中電池總重量為廠家提供數(shù)據(jù),,電池占地面積為實際安裝占地面積,面積系數(shù)≤0.6(因為電池房面積遠大于實際電池占地面積,,而且電池兩邊至少要留有0.5m以上的人行通道,,供維護檢查使用,一般電池安裝深度在0.6m左右),。

此公式由廠方提出,,長期使用至今未出現(xiàn)任何安全問題。

64VRLA電池產(chǎn)生氣體計算

VRLA電池為全密封電池,,通常情況下,,安全可靠,但必須有通風良好的環(huán)境,,因為電化學反應(yīng),,內(nèi)部產(chǎn)生氣體,一般復(fù)合率達98%以上,,但仍有少量氣體不能復(fù)合,,尤其在過充電情況下,問題更顯重要,。

通常氣體由電解水產(chǎn)生,,氣體逸出電池外部,造成水損失,,氣體量由電池的失水量決定,,10年壽命的電池其失水率每年是電解液中水的總重量的1%,20年壽命的電池失水率每年是電解液中水的總重量0.5%,。

例如,,100Ah/2V,DekaUnigyII電池,,AVR85-23,,電解液總重14.76kg,水重約10kg,,20年失水10%約1kg,,每年失水50g,相當于約44.4g氧氣及5.5g多氫氣,,或者說約1.4個摩爾的氧氣,約2.8個摩爾的氫氣,,常溫常壓下1摩爾氣體為22.4升,,因而推出每年該電池約釋放氣體90升左右,。

假如運行條件惡劣,長期過充電,,充電電壓升高,,則產(chǎn)生氣體會增加。當用AVR85-23,,220V系統(tǒng)時,,可串聯(lián)108個2V單體電池,釋放氣體量也增至100倍以上,。由于氫氣的易爆性,,通風是必要的。

此外水損的另一途徑是水分子透過電池外殼擴散到電池外部空間,。

65電池剩余容量計算公式

VRLA電池的使用壽命與產(chǎn)品質(zhì)量,、使用條件、環(huán)境與維護等多方面因素相關(guān),,是一個隨機變量,,其一般公式為;

Qt=Qe-λt(5)

式中:Q為新裝電池所測實際容量Ah(可能大于,、等于或小于標稱容量),;

Qt為經(jīng)過時間t后該蓄電池的容量Ah,

λ為失效率,,表示在蓄電池工作到時間t未失效,爾后單位時間發(fā)生失效的概率(λ<1),。

從電池的出廠實驗數(shù)據(jù),如已知t,,則可以求電池失效概率,,得出λ,t,進而可推算Q值等,。

66電池的熱損耗

VRLA電池與任何能源一樣,,其電能-化學能轉(zhuǎn)換效率不可能100%,充電時電能變成化學能貯存在電池內(nèi)部,,放電時,,化學能變成電能,主要消耗在外部電路,。

根據(jù)電學公式,,充電時,電池吸收能量為:

W=UIt=EIt+I2R0t(6)

式中:U為充電電壓(V),I為充電電流(A),W為充電電能(Wh或kWh),R0為充電電池內(nèi)阻(Ω),,E為充電電池電勢(V),,t為充電時間(h)。

例如,,DekaUnigyII系列電池,,型號為AVR85-23,,1000Ah/2V單體電池R0=0.33mΩ,充電電流=200A=0.2C10,充電電壓=2.30V,充電電池電勢=2.25V,則有

EIt=2.25V×200t=450t

I2R0t=2002×0.33×10-3t=13.2t

另外考慮到放電過程的損耗,總的電池內(nèi)部損耗應(yīng)為6%左右,。

考慮到其它化學損耗,,電阻的變化等因素,故各種電池的效率并不相同,,一般認為可達90%~93%,。

67選用配套電池容量

從電力合閘的要求,選用配套電池容量(短路電流),,有的廠家對VRLA電池直接給出短路電流值,,如Deka電池也有廠家給出15s、5s放電電流值等,,但一般均只有5,、10、15,、30分鐘及以上放電數(shù)據(jù),。

已知合閘沖擊電流Ich,有一選用配套電池容量Cb的經(jīng)驗公式為:

Cb=KIch(7)

式中:K為選用配套電池系數(shù),取0.2,。

至于合閘電源的電壓為110V或220V等,,則可選電池串聯(lián)達到所要求的電源電壓等級。例如0.5s沖擊電流167A,,選電池為容量33.4Ah,,靠上一檔整數(shù)為40Ah。

68對直流48V,、110V,、220V、380V電源的電池個

數(shù)選擇

對48V系統(tǒng)2V單體取24只

6V單體取8只

12V單體取4只

對110V系統(tǒng)2V單體取54只(或53只)

6V單體取18只

12V單體取9只

對220V系統(tǒng)2V單體取108只(或106只)

6V單體取36只

12V單體取18只

對380V系統(tǒng)2V單體取180只

6V單體取60只

12V單體取30只

一般而言,,需考慮具體直流負載的工作電壓水平,,通常取2V單體連成直流系統(tǒng)較好,易于配置調(diào)整所需直流電壓,,但2V系統(tǒng)串聯(lián)太多,,如出現(xiàn)個別電池極性接反,不易從總體直流電壓查出安裝錯誤,。

69電解液密度對容量的影響

VRLA電池的電勢大小與蓄電池極板上活性物質(zhì)的電化性質(zhì)和電解液的密度有關(guān),,與極板的大小無關(guān)。計算電勢E的公式為:

E=0.85+d(8)

式中:d為蓄電池極板微孔中即隔膜中的電解液密度

充電后為:E=0.85+1.30=2.15V

放電后為:E=0.85+1.15=2.00V(水的密度為1.00g/cm3)

應(yīng)該注意,,E為電池電動勢即電池開路端電壓,,這與電池的閉路電壓是兩個概念。當電池內(nèi)部發(fā)生故障,內(nèi)阻增大,,盡管此時電勢仍高達2V以上,,但電池容量已經(jīng)不夠了,故測量開路端電壓很難判定電池是否完好,。

610電池內(nèi)阻R0的測量

VRLA電池內(nèi)阻是一個變量,它與極板,,電解液有關(guān),,而極板在充電過程中不停變化,電解液也不斷變化(H2OH2SO4),,當電池充滿電時,,電池內(nèi)阻最小,隨著放電過程的延續(xù),,電解液變成水,,而兩極金屬鉛板變成硫酸鹽,均顯電阻增大狀態(tài),,放電終止時,,電阻急劇增大,以致外部無壓降,,電壓全部降落在內(nèi)阻上,。

通常標稱電阻為出廠時充滿電后測試之內(nèi)阻,隨著電池的使用年限增加,,實際內(nèi)阻會有變化,,一般趨于增大。

實際內(nèi)阻R0計算公式為:

R0=(E-U)/I(9)

式中:U為電池短路電壓,I為短路電流,。

根據(jù)實際測量值與出廠值比較,,可以判定電池的好壞。

7結(jié)語

本文涉及電池安裝,、承重計算,、VRLA電池、VRLA電池發(fā)生氣體計算,、UPS選用電池計算,、VRLA電池對充電器的要求、VRLA電池的放電容量檢測方法等許多實用經(jīng)驗公式,,已被長期實踐證明是有效的,、可行的,本文所有數(shù)據(jù)均有出處,,可供相關(guān)行業(yè)設(shè)計,、安裝運行人員參考。

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