VRLA电池及其应用

2006-05-07 15:49:48来源: 电源技术应用

1 蓄电池容量的定义

通常电源设备的容量用kVA或kW来表示。然而,作为电源的VRLA电池,选用安时(Ah)表示其容量则更为准确。蓄电池容量定义为:

  

理论上,t可以趋于无穷,但实际上,当电池放电低于终止电压时仍继续放电,这可能损坏电池,故t值有限制。

电池行业中,以小时(h)表示电池的可持续放电时间,常见的有:C240,C20,C10,C8、C3,C1等标称容量值。

小电池的标称容量以毫安时(mAh)计,大电池的标称容量则以安时(Ah)、千安时(kAh)计等。电信工业常取C10、C8等标称容量值。

例如,常见的Deka电池12AVR100SH为12V单体,100Ah容量,即可持续放电10h,电流为10A,共放出Ah数为10×10=100Ah(实际测试中,为使电流值保持恒稳,当电压变化时,应调整外电路负载,以便计量)。

2 蓄电池的理论容量、实际容量、标称容量

理论容量也称计算容量由电池极板所含活性物质的量决定。铅酸蓄电池的电化当量对于Pb,4价为0.517Ah/g,2价为0.259Ah/g;对于PbO2,4价为0.488Ah/g,2价为0.224Ah/g;根据电化当量与活性物质的量计算出来的容量叫蓄电池的理论容量。

实际容量是指蓄电池放电时所测得的容量,取决于活性物质的量及利用率。活性物质与铅板相关,但并不等同于铅重量。利用率与蓄电池极板的结构型式、放电电流的大小、温度、终止电压、原材料质量及制造工艺、技术和使用方法有关,而且是变化的。当今,已知单块极板最大容量为100Ah/2V。

额定容量又称标称容量,即在制造厂规定的条件下,蓄电池能放出的最低工作容量,例如,97Ah电池标称100Ah,有些厂家的电池则是在使用几个循环之后,实际容量达到或超出标称容量。

3 VRLA电池容量及有关问题

3.1 容量与温度

当蓄电池放电工作温度不是基准温度25℃时,则实际容量应按公式(2)换算成25℃时的容量。即测试环境温度不是25℃时,容量需校正。

Ce=Ct/[1+KT(T-25℃)]    (2)

式中:Ct为实测容量,Ce为25℃实际容量(看作标称容量),KT为温度系数,T为实际温度。

对于10h率放电,KT=0.006/℃;3h率放电,KT=0.008/℃,1h率放电,KT=0.01/℃.

3.2 容量与极板重量

VRLA电池所用铅板与汽车电池基本材料相近,重量、外型稍有差异,例如12V/100AhVRLA电池与同一厂家制造的汽车电池极板,仅在外型与重量上有差别,后者稍微小些,这是因为汽车电池极板稍薄,但标称容量均一致。

3.3 容量与使用寿命

相同容量的VRLA电池可有不同的设计使用寿命,这主要取决于板极的制造、重量及阀的密封方式,即使是同一厂家的电池由于阀的密封方式不同,极板制造大小不同,可以有6年、10年、20年设计寿命的差异。一般,20年寿命电池的极板重量应是10年寿命极板的两倍左右,这也可以从法拉弟电化学定律得到解释。200Ah电池的重量应是100Ah电池的两倍左右,各个厂家相同容量VRLA电池,重量相近。

此外,实际使用寿命与设计使用寿命有很大差别,这主要取决于VRLA电池中水的损失情况。在设计条件下使用可达到设计寿命,而当外部条件如温度、电压、放电深度等变化超出设计要求时,实际使用寿命将会大大低于设计寿命,容量也会发生变化,趋于降低。

3.4 容量与电解液

VRLA电池的电解液是稀硫酸,其比重与传统的开口满液式电池有差异,为1.296~1.321(传统电池电解液为1.185~1.220),此时约含40%的硫酸(重量比),体积比约为29%,冰点约为-70℃,而传统电池电解液约在-25℃时结冰,故VRLA电池可用于较低温度条件下,但用于低温时实际容量要降低,可根据厂方提供的容量—温度曲线求出。

另外,还有碱性电解液阀控电池及胶体酸性阀控电池。胶体(Gel)电池(如DEKASolar)在低温条件下使用更好,据厂方资料,南极考察时,-56℃以下温度,电池仍可使用(一般电池可能早已冻裂)。

现在一些VRLA电池已经用于汽车上,这是因为维护简单,且冰点更低,在严寒条件下,汽车起动打火可以方便一些。

4 VRLA电池的安装与对充电器的要求

4.1 对充电器的要求

传统电池充电选用一般整流电源即可,而VRLA电池与传统电池相比,最苛刻的要求在于对充电器的选择上。VRLA电池的充电器一般选择技术上成熟的高频开关电源,如华为公司、中兴公司等均有该系列产品,其技术性能如下:

交流输入:380V±20%,45~66Hz三相五线制或220V±20%,45~66Hz单相三线制

直流输出:额定电压-48V(-43.2V~57.6V)

稳压精度<±0.5%

纹波系数<2.5%

限流、恒压充电可调0.2C10~0.1C10

带温度补偿按48V蓄电池组温度变化72~80mV/℃调整

均充转浮充可调整设定(48V系统电池组)

保护功能输入欠压保护,整定值304V

输入过压保护,整定值456V

直流输出过压保护

直流输出欠压保护(可设定)

整流模块过热保护

三遥功能、智能化接口到远方控制中心

环境的温度-20℃~45℃

湿度适应为40%~90%

海拔高度在3000m以下

可连接电池组数(至少2组以上)

4.2 VRLA电池的安装

(1)VRLA电池连接至充电器(电信使用一般为两组电池,当交流断电时,一组放电,一组备用),两组连线在按厂家要求配线选截面后,连接长度应一致,且尽可能短,减少压降与能耗;

(2)保险、断路器一般应安装在电池负极与负载之间;

(3)不应在一组电池中混联不同型号或不同厂家的电池,以免引起电池组浮充不正常,导致电池损坏。高于220V系统一般选用12V单体电池串联,同容量型号电池并联一般不超过4组;

(4)尽管VRLA电池是吸液式设计,可安放任何位置,但最好按照厂方图纸,卧式设计的应卧式安装,立式设计的应立式安装,这有助于电池安全使用;

(5)VRLA电池一般应安装于室内,有空调通风装置,温度在25℃左右,湿度在40%~90%之间,通风必不可少。在高山机站雾大、湿度大,海拔高的地方,也可装在室外(电池柜内)。在地震频繁地区,则考虑选用安装抗震结构的电池。在低温地区常年使用,则容量选择应大几号,考虑到抗冻裂问题,最好选用胶体电池。

5 VRLA电池容量的监测

VRLA电池由于其密封及吸液式结构,造成对电池容量及性能监测的困难,与传统开口式电池相比,它不能看到液面及极板,也不能嗅到酸味,更不能测量比重及内压等,而电池失效或电池容量降低主要是因为脱水及极板硫化造成的,仅靠外部测量VRLA电池开路电压又不能作为判定电池容量[下降至标称容量的80%的电池,则判定其为失效]的充分依据。

(1)在线电导测试

在美国、德国、英国等国家对VRLA电池一般采用电导技术检测其容量,这种方法无需放电,也不用检查VRLA电池内部。例如美国Midtronics公司的专利电导仪就属于在线测量方式。

其原理是对一组VRLA电池两端加一低频率交流测量信号电压,通过电池的信号电流与信号电压的比值即为电导(仅考虑导纳的实部值)单位为姆欧(或西门子),反映了此时电池在线时的传导电流能力。为此在安装时应建立电导值测量曲线档案,这样在周期检测时,如发现此时电导值低于80%初始测量值,则电池容量已低于80%标称容量,具体操作方式可见相关产品说明书。

(2)假负载放电

如同测量传统开口式电池的容量一样,假负载放电测试也是目前仍较实用的一种方式。

当备用电池有两组时,可选一组退出系统,再用假负载对其作放电试验,这可以100%地实际检测VRLA电池的容量,需要注意的是有的厂家规定的某电池的放电终止电压是1.75V/单体,而有的厂家规定的是1.80V/单体。

一般在放电开始时,有一个从端电势到闭路电压的陡降(例如从2.20V降至2.05V左右,以后在2.0~1.8V电压之间为一直线,而在放电至终止电压后,电池端电压会急降趋于0V,显陡降跳水曲线)。

根据国家标准,对电池以10小时率放电,测得出C10标称容量值Ce,放电电流为0.1IC10A。若以3小时率放电,则放电电流应为0.25IC10A,即容量为75%Ce;若以1小时率放电,则放电电流应为0.55IC10A,即容量为55%Ce。

(3)目测方法

检查外观是否有电池外壳膨胀、凹陷、连接条打火变色,电缆头及连接螺丝变色等,有无酸雾逸出及其它异味,触摸电缆过热,外壳过热等。

另外,也可用电压表检测,组与组之间的电压是否一致,组内各个电池电压是否一致(一般电池容量下降是因为内阻增大,内阻大的电池电压也较高),以及电池电压是否低于12V(如充电电池断开浮充电源后仍有个别电池电压低于12V以下,则可能已经损坏)。

还可以打开阀盖(一般禁止打开,但电池有严重疑问者可迅速打开阀盖再行关闭,关闭时注意旋紧),检查极板是否硫化,以及是否吸液玻璃纤维内部已干涸等。

6 VRLA电池应用计算实例

6.1 配套程控交换机电池安装容量

C8&C08等1000门程控交换机常见负载电流为4A~8A/48V(已考虑电话同时使用率约60%)。

通常选配二组100Ah/48V电池,每组可以支持24h左右,两组可支持48h左右。

6.2 电池配套UPS容量计算

蓄电池的最大放电电流可由下式得出:

I=[Pcosφ]/[Eiη]=P/Ei    (3)

式中:P为UPS标称功率,cosφ为功率因数取0.8,η为效率取0.8,Ei为电池放电终止电压。

也有一经验公式如下:

如UPS容量为30kVA,cosφ取0.8,则功率为24kW,若需放电2h,则总能耗为48kWh,而输入电压通常已由UPS决定,设为220V,那么应配备电池容量为:

48000Wh/220V≈210Ah

而在选用电池时,其放电Ah数对应于对UPS的时间要求,在考虑到电池的内部损耗后,Ah数要

选稍大一些。

如果电池是作电动车等设备的电源使用,则要根据放电深度对电池容量进行选择(一般VRLA电池阀的开关寿命及水的损失率已不成问题,可以不予考虑),如德克电池容量100~4200Ah在25%的深度放电工作时可达3000次循环寿命,在50%的深度放电工作时达1500次循环寿命,当对循环次数要求高时,则可使放电深度下降。例如,电池容量选大一倍,则同型号工作设备的电池循环工作次数可以增大一倍(通过三年实测,德克电池80%深度放电可达1200次循环)。

6.3 电池地面承重力计算(经验公式)

设计安装当中,常要求机房的地面承载强度足以承受电池重量,地面荷载公式如下:

〔电池总重量(kg)/电池占地总面积(m2)〕×面积系数=承重力(kg/m2)(4)

式中电池总重量为厂家提供数据,电池占地面积为实际安装占地面积,面积系数≤0.6(因为电池房面积远大于实际电池占地面积,而且电池两边至少要留有0.5m以上的人行通道,供维护检查使用,一般电池安装深度在0.6m左右)。

此公式由厂方提出,长期使用至今未出现任何安全问题。

6.4 VRLA电池产生气体计算

VRLA电池为全密封电池,通常情况下,安全可靠,但必须有通风良好的环境,因为电化学反应,内部产生气体,一般复合率达98%以上,但仍有少量气体不能复合,尤其在过充电情况下,问题更显重要。

通常气体由电解水产生,气体逸出电池外部,造成水损失,气体量由电池的失水量决定,10年寿命的电池其失水率每年是电解液中水的总重量的1%,20年寿命的电池失水率每年是电解液中水的总重量0.5%。

例如,100Ah/2V,DekaUnigyII电池,AVR85-23,电解液总重14.76kg,水重约10kg,20年失水10%约1kg,每年失水50g,相当于约44.4g氧气及5.5g多氢气,或者说约1.4个摩尔的氧气,约2.8个摩尔的氢气,常温常压下1摩尔气体为22.4升,因而推出每年该电池约释放气体90升左右。

假如运行条件恶劣,长期过充电,充电电压升高,则产生气体会增加。当用AVR85-23,220V系统时,可串联108个2V单体电池,释放气体量也增至100倍以上。由于氢气的易爆性,通风是必要的。

此外水损的另一途径是水分子透过电池外壳扩散到电池外部空间。

6.5 电池剩余容量计算公式

VRLA电池的使用寿命与产品质量、使用条件、环境与维护等多方面因素相关,是一个随机变量,其一般公式为;

式中:Q为新装电池所测实际容量Ah(可能大于、等于或小于标称容量);

Qt为经过时间t后该蓄电池的容量Ah,

λ为失效率,表示在蓄电池工作到时间t未失效,尔后单位时间发生失效的概率(λ<1)。

从电池的出厂实验数据,如已知t,则可以求电池失效概率,得出λ,t,进而可推算Q值等。

6.6 电池的热损耗

VRLA电池与任何能源一样,其电能-化学能转换效率不可能100%,充电时电能变成化学能贮存在电池内部,放电时,化学能变成电能,主要消耗在外部电路。

根据电学公式,充电时,电池吸收能量为:

W=UIt=EIt+I2R0t    (6)

式中:U为充电电压(V),I为充电电流(A),W为充电电能(Wh或kWh),R0为充电电池内阻(Ω),E为充电电池电势(V),t为充电时间(h)。

例如,DekaUnigyII系列电池,型号为AVR85-23,1000Ah/2V单体电池R0=0.33mΩ,充电电流=200A=0.2C10,充电电压=2.30V,充电电池电势=2.25V,则有

EIt=2.25V×200t=450t

I2R0t=2002×0.33×10-3t=13.2t

另外考虑到放电过程的损耗,总的电池内部损耗应为6%左右。

考虑到其它化学损耗,电阻的变化等因素,故各种电池的效率并不相同,一般认为可达90%~93%。

6.7 选用配套电池容量

从电力合闸的要求,选用配套电池容量(短路电流),有的厂家对VRLA电池直接给出短路电流值,如Deka电池也有厂家给出15s、5s放电电流值等,但一般均只有5、10、15、30分钟及以上放电数据。

已知合闸冲击电流Ich,有一选用配套电池容量Cb的经验公式为:

Cb=KIch    (7)

式中:K为选用配套电池系数,取0.2。

至于合闸电源的电压为110V或220V等,则可选电池串联达到所要求的电源电压等级。例如0.5s冲击电流167A,选电池为容量33.4Ah,靠上一档整数为40Ah。

6.8 对直流48V、110V、220V、380V电源的电池个数选择

对48V系统2V单体取24只

6V单体取8只

12V单体取4只

对110V系统2V单体取54只(或53只)

6V单体取18只

12V单体取9只

对220V系统2V单体取108只(或106只)

6V单体取36只

12V单体取18只

对380V系统2V单体取180只

6V单体取60只

12V单体取30只

一般而言,需考虑具体直流负载的工作电压水平,通常取2V单体连成直流系统较好,易于配置调整所需直流电压,但2V系统串联太多,如出现个别电池极性接反,不易从总体直流电压查出安装错误。

6.9 电解液密度对容量的影响

VRLA电池的电势大小与蓄电池极板上活性物质的电化性质和电解液的密度有关,与极板的大小无关。计算电势E的公式为:

E=0.85+d    (8)

式中:d为蓄电池极板微孔中即隔膜中的电解液密度

充电后为:E=0.85+1.30=2.15V

放电后为:E=0.85+1.15=2.00V(水的密度为1.00g/cm3)

应该注意,E为电池电动势即电池开路端电压,这与电池的闭路电压是两个概念。当电池内部发生故障,内阻增大,尽管此时电势仍高达2V以上,但电池容量已经不够了,故测量开路端电压很难判定电池是否完好。

6.10 电池内阻R0的测量

VRLA电池内阻是一个变量,它与极板,电解液有关,而极板在充电过程中不停变化,电解液也不断变化(H2OH2SO4),当电池充满电时,电池内阻最小,随着放电过程的延续,电解液变成水,而两极金属铅板变成硫酸盐,均显电阻增大状态,放电终止时,电阻急剧增大,以致外部无压降,电压全部降落在内阻上。

通常标称电阻为出厂时充满电后测试之内阻,随着电池的使用年限增加,实际内阻会有变化,一般趋于增大。

实际内阻R0计算公式为:

R0=(E-U)/I    (9)

式中:U为电池短路电压,I为短路电流。

根据实际测量值与出厂值比较,可以判定电池的好坏。

7 结语

本文涉及电池安装、承重计算、VRLA电池、VRLA电池发生气体计算、UPS选用电池计算、VRLA电池对充电器的要求、VRLA电池的放电容量检测方法等许多实用经验公式,已被长期实践证明是有效的、可行的,本文所有数据均有出处,可供相关行业设计、安装运行人员参考。

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