基本介紹
- 中文名：VRLA蓄電池
- 外文名：Valve Regulated Lead Acid Battery
- 誕生時期：20世紀70年代
- 特點：全密封的，不會漏酸
特點,容量的定義,理論容量,有關問題,對充電器要求,監測,套用計算實例,結語,維護,
特點
因為VRLA電池是全密封的，不會漏酸，而且在充放電時不會象老式鉛酸蓄電池那樣會有酸霧放出來而腐蝕設備，污染環境，所以從結構特性上人們把VRLA電池又叫做密閉（封）鉛酸蓄電池。為了區分，把老式鉛酸蓄電池叫做開口鉛酸蓄電池。由於VRLA電池從結構上來看，它不但是全密封的，而且還有一個可以控制電池內部氣體壓力的閥，所以VRLA鉛酸蓄電池的全稱便成了“閥控式密閉鉛酸蓄電池”。
關鍵字：VRLA蓄電池 安裝 監測
容量的定義
通常電源設備的容量用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：
理論上，t可以趨於無窮，但實際上，當電池放電低於終止電壓時仍繼續放電，這可能損壞電池，故t值有限制。電池行業中，以小時（h)表示電池的可持續放電時間，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，即可持續放電10h，電流為10A，共放出Ah數為10×10=100Ah（實際測試中，為使電流值保持恆穩，當電壓變化時，應調整外電路負載，以便計量）。
理論容量
理論容量也稱計算容量由電池極板所含活性物質的量決定。鉛酸蓄電池的電化當量對於Pb,4價為0.517Ah/g,2價為0.259Ah/g;對於PbO2,4價為0.488Ah/g,2價為0.224Ah/g;根據電化當量與活性物質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，取決於活性物質的量及利用率。活性物質與鉛板相關，但並不等同於鉛重量。利用率與蓄電池極板的結構型式、放電電流的大小、溫度、終止電壓、原材料質量及製造工藝、技術和使用方法有關，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，即在製造廠規定的條件下，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之後，實際容量達到或超出標稱容量。
有關問題
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，則實際容量應按公式（2）換算成25℃時的容量。即測試環境溫度不是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為溫度係數,T為實際溫度。 對於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電池與同一廠家製造的汽車電池極板，僅在外型與重量上有差別，後者稍微小些，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電池可有不同的設計使用壽命，這主要取決於板極的製造、重量及閥的密封方式，即使是同一廠家的電池由於閥的密封方式不同，極板製造大小不同，可以有6年、10年、20年設計壽命的差異。一般，20年壽命電池的極板重量應是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，實際使用壽命與設計使用壽命有很大差別，這主要取決於VRLA電池中水的損失情況。在設計條件下使用可達到設計壽命，而當外部條件如溫度、電壓、放電深度等變化超出設計要求時，實際使用壽命將會大大低於設計壽命，容量也會發生變化，趨於降低。 3.4 容量與電解液 VRLA電池的電解液是稀硫酸，其比重與傳統的開口滿液式電池有差異，為1.296～1.321（傳統電池電解液為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℃，而傳統電池電解液約在－25℃時結冰，故VRLA電池可用於較低溫度條件下，但用於低溫時實際容量要降低，可根據廠方提供的容量—溫度曲線求出。 另外，還有鹼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）。 現在一些VRLA電池已經用於汽車上，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。
對充電器要求
4.1 對充電器的要求 傳統電池充電選用一般整流電源即可，而VRLA電池與傳統電池相比，最苛刻的要求在於對充電器的選擇上。VRLA電池的充電器一般選擇技術上成熟的高頻開關電源，如華為公司、中興公司等均有該系列產品，其技術性能如下： 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） 穩壓精度<±0.5% 紋波係數<2.5% 限流、恆壓充電可調0.2C10～0.1C10 帶溫度補償按48V蓄電池組溫度變化72～80mV/℃調整 均充轉浮充可調整設定(48V系統電池組) 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（可設定） 整流模組過熱保護 三遙功能、智慧型化接口到遠方控制中心 環境的溫度－20℃～45℃ 濕度適應為40%～90% 海拔高度在3000m以下 可連線電池組數（至少2組以上） 4.2 VRLA電池的安裝 （1）VRLA電池連線至充電器（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後，連線長度應一致，且儘可能短，減少壓降與能耗； （2）保險、斷路器一般應安裝在電池負極與負載之間； （3）不應在一組電池中混聯不同型號或不同廠家的電池，以免引起電池組浮充不正常，導致電池損壞。高於220V系統一般選用12V單體電池串聯，同容量型號電池並聯一般不超過4組； （4）儘管VRLA電池是吸液式設計，可安放任何位置，但最好按照廠方圖紙，臥式設計的應臥式安裝，立式設計的應立式安裝，這有助於電池安全使用； （5）VRLA電池一般應安裝於室內，有空調通風裝置，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（電池櫃內）。在地震頻繁地區，則考慮選用安裝抗震結構的電池。在低溫地區常年使用，則容量選擇應大幾號，考慮到抗凍裂問題，最好選用膠體電池。
監測
VRLA電池由於其密封及吸液式結構，造成對電池容量及性能監測的困難，與傳統開口式電池相比，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。 （1）線上電導測試 在美國、德國、英國等國家對VRLA電池一般採用電導技術檢測其容量，這種方法無需放電，也不用檢查VRLA電池內部。例如美國Midtronics公司的專利電導儀就屬於線上測量方式。 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（僅考慮導納的實部值）單位為姆歐（或西門子），反映了此時電池線上時的傳導電流能力。為此在安裝時應建立電導值測量曲線檔案，這樣在周期檢測時，如發現此時電導值低於80%初始測量值，則電池容量已低於80%標稱容量，具體操作方式可見相關產品說明書。 （2）假負載放電 如同測量傳統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，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定的某電池的放電終止電壓是1.75V/單體，而有的廠家規定的是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,以後在2.0～1.8V電壓之間為一直線，而在放電至終止電壓後，電池端電壓會急降趨於0V,顯陡降跳水曲線）。 根據國家標準,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，則放電電流應為0.25IC10A,即容量為75%Ce;若以1小時率放電，則放電電流應為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、連線條打火變色，電纜頭及連線螺絲變色等，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，組內各個電池電壓是否一致（一般電池容量下降是因為內阻增大，內阻大的電池電壓也較高），以及電池電壓是否低於12V（如充電電池斷開浮充電源後仍有個別電池電壓低於12V以下，則可能已經損壞）。 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閉,關閉時注意旋緊），檢查極板是否硫化，以及是否吸液玻璃纖維內部已乾涸等。
套用計算實例
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為功率因數取0.8,η為效率取0.8,Ei為電池放電終止電壓。 也有一經驗公式如下： 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，設為220V，那么應配備電池容量為： 48000Wh/220V≈210Ah 而在選用電池時，其放電Ah數對應於對UPS的時間要求，在考慮到電池的內部損耗後，Ah數要 選稍大一些。 如果電池是作電動車等設備的電源使用，則要根據放電深度對電池容量進行選擇（一般VRLA電池閥的開關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次循環壽命，在50%的深度放電工作時達1500次循環壽命，當對循環次數要求高時，則可使放電深度下降。例如，電池容量選大一倍，則同型號工作設備的電池循環工作次數可以增大一倍（通過三年實測，德克電池80%深度放電可達1200次循環）。 6.3 電池地面承重力計算（經驗公式） 設計安裝當中，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)〕×面積係數=承重力（kg/m2)(4) 式中電池總重量為廠家提供數據，電池占地面積為實際安裝占地面積，面積係數≤0.6（因為電池房面積遠大於實際電池占地面積，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任何安全問題。 6.4 VRLA電池產生氣體計算 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境，因為電化學反應，內部產生氣體，一般複合率達98%以上，但仍有少量氣體不能複合，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，相當於約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，則產生氣體會增加。當用AVR85－23，220V系統時，可串聯108個2V單體電池，釋放氣體量也增至100倍以上。由於氫氣的易爆性，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 電池剩餘容量計算公式 VRLA電池的使用壽命與產品質量、使用條件、環境與維護等多方面因素相關，是一個隨機變數，其一般公式為； 式中：Q為新裝電池所測實際容量Ah（可能大於、等於或小於標稱容量）； Qt為經過時間t後該蓄電池的容量Ah， λ為失效率，表示在蓄電池工作到時間t未失效,爾後單位時間發生失效的機率（λ<1）。 從電池的出廠實驗數據，如已知t，則可以求電池失效機率，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－化學能轉換效率不可能100%，充電時電能變成化學能貯存在電池內部，放電時，化學能變成電能，主要消耗在外部電路。 根據電學公式，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，總的電池內部損耗應為6%左右。 考慮到其它化學損耗，電阻的變化等因素，故各種電池的效率並不相同，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分鐘及以上放電數據。 已知合閘衝擊電流Ich，有一選用配套電池容量Cb的經驗公式為： Cb=KIch (7) 式中：K為選用配套電池係數,取0.2。 至於合閘電源的電壓為110V或220V等，則可選電池串聯達到所要求的電源電壓等級。例如0.5s衝擊電流167A，選電池為容量33.4Ah，靠上一檔整數為40Ah。 6.8 對直流48V、110V、220V、380V電源的電池個數選擇 對48V系統2V單體取24隻 6V單體取8隻 12V單體取4隻 對110V系統2V單體取54隻（或53隻） 6V單體取18隻 12V單體取9隻 對220V系統2V單體取108隻（或106隻） 6V單體取36隻 12V單體取18隻 對380V系統2V單體取180隻 6V單體取60隻 12V單體取30隻 一般而言，需考慮具體直流負載的工作電壓水平，通常取2V單體連成直流系統較好，易於配置調整所需直流電壓，但2V系統串聯太多，如出現個別電池極性接反，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的電化性質和電解液的密度有關，與極板的大小無關。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 充電後為：E=0.85+1.30=2.15V 放電後為：E=0.85+1.15=2.00V（水的密度為1.00g/cm3） 應該注意，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。當電池內部發生故障，內阻增大，儘管此時電勢仍高達2V以上，但電池容量已經不夠了，故測量開路端電壓很難判定電池是否完好。 6.10 電池內阻R0的測量 VRLA電池內阻是一個變數，它與極板，電解液有關，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，電池內阻最小，隨著放電過程的延續，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，放電終止時，電阻急劇增大，以致外部無壓降，電壓全部降落在內阻上。 通常標稱電阻為出廠時充滿電後測試之內阻，隨著電池的使用年限增加，實際內阻會有變化，一般趨於增大。 實際內阻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。 根據實際測量值與出廠值比較，可以判定電池的好壞。
結語
本文涉及電池安裝、承重計算、VRLA電池、VRLA電池發生氣體計算、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驗公式，已被長期實踐證明是有效的、可行的，本文所有數據均有出處，可供相關行業設計、安裝運行人員參考。
維護
在實際運行中，VRLA蓄電池對環境溫度的要求比較高，VRLA蓄電池的最佳環境運行溫度為20-25℃。如果使用環境溫度過高，使VRLA蓄電池在充電過程中產生的熱量無法及時擴散到空氣中去，加速了電解液的損失，同時也容易通過殼體損失水分，導致電解液的比重升高加速了正極板柵的腐蝕，最終導致VRLA蓄電池未達到電池的設計壽命而提前失效。
為避免VRLA蓄電池提前失效，應對VRLA蓄電池加以嚴格的維護，嚴格根據生產廠家提供的相關設定參數對開關電源進行設定。平時應經常根據蓄電池及充電設備的運行情況及時調整浮充電壓，使浮充電壓符合VRLA蓄電池的要求，避免電壓過高，造成對電池的過充引起水分的損失；同時防止電壓過低，造成VRLA蓄電池的欠充，引起電池極板的硫酸鹽化，使電池的容量大大降低。先進的運行設備具有溫度補償功能，可以根據運行環境自動調整運行參數。
為了及時了解VRLA蓄電池的狀態，定期對VRLA蓄電池的容量進行檢測，準確掌握VRLA蓄電池容量的實際狀況，以便及時採取相應的維護措施。定期對電池進行維護，使VRLA蓄電池經常處於良好的運行狀態。對於VRLA蓄電池只有按生產廠家的要求進行嚴格的操作時，才會使得VRLA蓄電池壽命真正接近其設計壽命，否則，電池的壽命比普通電池更短。
