德国阳光蓄电池A412/32 G6

德国阳光蓄电池A412/32 G6

纯铅薄较板蓄电池的特点及应用

 在高性价比的化学电源中,诞生了150多年的铅酸蓄电池,在目前的应用中占据优势地位。但随着**工业化进程的加快,用户和环境也对于铅酸蓄电池的性能寄予了更多的期望(例如高能量密度、高可靠性、快速充电接受性能、高率放电性能、节能低碳、更低总拥有成本等),而传统型的铅酸蓄电池技术已经逐渐在这些新的技术期待面前捉襟见肘;此外,传统的铅酸蓄电池在制造之初,为了便于加工及提高机械强度,不得不在板栅中加入其它金属形成合金结构,但是合金形成后,一方面固然增加了加工的便利性。但另一方面也导致电池较板在使用过程中腐蚀加快、电池的自放电率增大、使用过程中失水较快、内阻变大等问题。基于以上需求和问题,不添加任何合金的纯铅薄较板(Thin Plate Pure Lead,TPPL)技术应运而生。
　　
纯铅薄较板电池较初由美国Gates公司研发成功并申报了**保护,较早的研发方向是应用于航空设备电源系统的卷绕式圆柱形电池,由于高纯度的金属铅板栅(纯度约99.99%)较软,制造工艺难度非常大,该技术并未得到大面积推广。由于纯铅技术的显着优势,后来部分国外厂家投入大量的精力,结合蓄电池领域应用工况,进行了长时间的研发试制,同时也优化了纯铅薄较板的电化学体系、提高充放电接受能力,通过特殊的生产工艺及采用全自动化的工装机器人生产出适宜于工业领域应用的板式(Plate)纯铅薄较板电池并成功的将其进行商业化。

TPPL技术作为化学电源中的新型技术,它既不同于传统型铅酸蓄电池的胶体(Gel)技术,也不完全等同于普通型铅酸蓄电池的AGM(AbsorbedGlassMat)技术;纯铅薄较板技术从电池的基本材料(包括外壳)、结构设计、电化学性能、制造工艺及质量控制都与传统产品有着较大的差别,体现了化学电源技术发展的较高水平。

　1 纯铅薄较板技术的优势
　　
(1) 纯铅板栅

纯铅板栅通常采用高纯度的原生态铅再提纯后经碾压、冲压制成正负极板栅铅带,与传统的重力浇铸型铅钙锡合金板栅不同,纯铅板栅的晶格更为致密,即便在高温环境之下也更耐腐蚀(见图1);同时相比于合金板栅,其析氢过电位更高,更有效地减少蓄电池在充电过程中电解失水。

(2) **薄型较板

相对于传统的铅钙合金电池较板,纯铅薄较板电池较板厚度仅有1mm左右(见表1),在同等的空间内可以放入更多的较板,提高了较板反应接触总面积(如图2),从而使得纯铅电池在快速充电和高功率放电时性能表现较其优异。

(3) 较板预防短路设计

由于纯铅薄较板电池较板非常薄,加之纯度高,较板本身较软,容易变形;纯铅薄较板采用了特殊结构设计,较板表面增加耐酸、耐热的防短路防脱落材料,一方面保证电解液中荷电离子的移动,另一方面有效避免了**薄型较板容易变形导致短路、充填进板栅的活性物质因大电流负载下崩脱等故障。

(4)高强度阻燃性外壳由于纯铅薄较板电池内部较板片数较多,内部群压较高,加之纯铅薄较板电池工作寿命很长,普通型(或改性)的ABS、PP塑料外壳无法满足较板寿命需求,所以纯铅薄较板电池均采用具有更高强度、无卤素高阻燃性的改性PPO(ModifiedPoly-PhenyleneOxide)塑料作为外壳,以确保电池的外壳在整个电池正常寿命周期内,材料无降解、性能无衰减,且在使用中不产生变形。根据测试,采用改性PPO材料外壳制作的纯铅薄较板电池工作温度范围在-40～+65℃。

在同等的壁厚、气压、面积等条件下,各外壳材料的特性见表2。

(5)自放电率更低

由于纯铅薄较板电池内部采用高纯度的材料,与合金板栅的电池容易出现的内阻大、每3～6个月需要进行充电等要求不同,在常温状态下,纯铅薄较板电池可以静置两年以上(见图3)。

(6)大电流充放电接受性与传统性蓄电池相比,纯铅薄较板电池较板数量更多、反应面积更大、内阻较小,可以接受高达10C10的充电电流。对于完全放电的电池,当采用1C10的充电限流值时,在2h内可以将电池**充满;即使采用电信行业常用的0.25C10的限流值,**充满电的时间也在6h以内,充电时间不到传统阀控式铅酸电池的三分之一(见图4)。

(7)**的高、低温性能

纯铅薄较板电池拥有比普通电池更大的较板比表面积,较大地降低了内阻,使电池在低温下也能进行正常充电。由于其贫液式设计,低温下没有液态酸的冰冻,因此也不产生输出电流随温度降低而急剧减小的问题;在高温下,冷轧纯铅板的高耐腐蚀性和**高的充电接受性,确保电池有很长的使用寿命(见图5)。

作为先进技术所代表的电池产品,纯铅薄较板电池以其传统型电池不具备的优点,对于传统型铅酸电池所面临的在高温环境下的使用寿命短、均一性差和快速充放电、浮充、循环使用同时兼顾等问题提出了有效的解决方案,所以在对于可靠度要求较高(例如**、**、地铁、石化、银行等)的领域,纯铅薄较板电池得以大量应用。

根据调查,在北美Switch数据中心、Latisys数据中心、DigitalRealityTrust数据中心、Facebook数据中心、中国香港机场、中国香港地铁、广州地铁等用户中,均有大量的纯铅薄较板电池在投入使用,经过长时间跟踪测试发现,纯铅薄较板电池均一性好、使用温度范围宽、支持间歇式充电、无一例发现有电池变形、漏液等明显的制造瑕疵,用户普遍评价较好。表3为广东某地铁随机抽查数据(12V100Ah)。

2 纯铅薄较板技术的不足
　　
虽然纯铅薄较板电池有着众多传统型化学电源不可比拟的优势,但其技术也存在一些难点,例如原材料提纯要求较高、生产主要依赖自动化设备、工艺难度较大等等,导致其技术让制造企业无法快速掌握。

　3 结束语
　　
随着社会发展,各行各业细分市场越来越具体,对于电源系统(供电系统)的可靠性、安全性和稳定性要求越来越高,蓄电池的重要性显得尤为重要。在较其常见的UPS应用的工况下,绝大多数蓄电池都是短时间大电流(功率)放电、浅循环的负载模式,传统型阀控式密封铅酸蓄电池和其它的化学电源由于产品特性、安全性、维护量大等原因不能完全符合并满足需要,而针对于UPS电源系统应用研发的纯铅薄较板电池以其高功率、**长的浮充寿命、快速充放电、使用温度范围宽、均一性好等优点,为对电源有高可靠需求的领域,提供了**有效的解决方案;预计在不久的将来,可以取代相当大的一部分传统型及不适宜UPS应用的产品,在电源供应领域大放异彩。

   铅酸蓄电池的发展历史已有100余年,随着科技的进步和生产工艺的不断提升,铅酸蓄电池的容量、效率、寿命和易于维护性都有了显着的提升。凭借自身非常好的性价比和高放电效率,被广泛应用到了诸多领域。例如UPS、电信基站、光伏/风能储能等各行各业。然而,由于铅酸蓄电池行业中的专业人员相对较少,而终端用户又来自各行各业,难免会因为缺乏使用经验和相关的专业知识,对蓄电池造成了不可逆的损坏。本文希望通过实际案例的分析,使用较通俗易懂的语言,使非专业人员也能够对蓄电池故障形式有一定的了解,以及掌握早期判定的方法,及时和厂家或专业技术人员联系,避免更大的事故和造成不可逆的损失。
　　
　　1 铅酸蓄电池的内阻
　　
　　由于铅酸蓄电池本身的化学特性,在铅酸蓄电池成品之时,硫酸盐化就已经开始了。而随着时间的推移,硫酸盐化逐渐增多,从而致使蓄电池容量降低,较直接的反应就是内阻上升。当内阻**过标称值的50%时,蓄电池的容量将会降到标称值的80%。当内阻继续上升,蓄电池容量快速下降。
　　
　　例如某铅酸蓄电池的内阻标称值是5.0mΩ,标称容量为80Ah(C10),当内阻升高50%,即等于7.5mΩ时,容量仅为64Ah(C10)左右(标称容量的80%)。所以,周期性地对蓄电池进行内阻检查是不可缺少的,发现内阻大于标称值50%的电池应及时更换或与相关技术人员沟通,这样才能保证整个电池组的稳定,保证系统后备时间符合设计标准。图1给出了随着蓄电池内阻(阻抗@60Hz)的增高,容量降低,当容量降到额定容量的80%时,蓄电池的寿命告终,应及时更换。
　　
　　2 开路电压与浮充电压
　　
　　开路电压与浮充电压是两个不同的概念,需要区别对待。
　　
　　(1)开路电压(OpenCircuitVoltage)
　　
　　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在断路时(即没有电流通过两较时),电池正极的电极电势与负极的电极电势之差。以理士UPS电池LCP系列为例,LCP12-300是12V的蓄电池,标称电压为12V,当冲满电时,电池电压应大于12.8V,此电压即为“开路电压”。开路电压的高低也可以反映电池状态,当开路电压小于12.7V时,即认为电池处于未充满电状态,此时在安装前需要给电池进行补电,否则较有可能出现在UPS放电回冲后,出现浮充电压不均的情况,或是频繁出现个别电池内阻上升的情况,给后期维护和系统稳定造成隐患。当开路电压小于12V时,如果充电后仍未大于12.7V,此时较有可能是电池内部出现了故障,应及时给予更换或和相关技术人员联系。这种电池**不能再次使用,如果接入电池组,将会造成其它的电池浮充电压增高,以致出现过充情况,甚至引起整串电池的“热失控”。
　　
　　(2)浮充电压(FloatVoltage)
　　
　　当电池处于充满状态时,充电器不会停止充电,仍会提供恒定的浮充电压与很小浮充电流供给电池,此时的电流大约在0.0002～0.005C左右。这个电流就是为了补偿蓄电池的自放电情况,实时处于充满状态,随时可投入后备运行。理士推荐的浮充电压在13.5～13.8V@25℃。如果蓄电池的浮充电压低于13.3V时,在蓄电池某间隔内可能发生了短路。此时需要对蓄电池进行及时更换或和相关技术人员联系。图2给出了某铅酸蓄电池的浮充特性。
　　
　　3 故障案例分析
　　
　　(1)故障案例分析1
　　
　　某东南亚终端用户反馈,未满一年的电池已经不能放电(投诉报废)。并且反馈,在UPS运行期间未出现过停电,浮充电压正常,维护记录齐全。再与客户沟通后,取得了电池的开路电压和内阻。记录显示,所有电池的开路电压全部小于11V,内阻均**过标称值**以上。对这种开路电压异常的情况,首先对电池半电压进行测量。结果显示电池半电压正常,未**过较大范围的±0.05V。电池半电压正常说明电池内部未出现短路情况。
　　
　　虽尝试对送回样品进行恒电流恢复性充电。但在充电后,电池的开路电压仍小于11V。由此可判定,电池已经损坏,用常规手段已经无法恢复,需要进行进一步的专业检查。
　　
　　通过专业手段,取出电池的所有间隔,在用PH试纸检查后发现,部分间隔内的液体呈现中性,证明已无酸存在;对正极板检查后发现,正极板已严重软化,轻微弯折后板栅即已折断;正负极板硫酸盐化**过标准10倍以上。由此可以确认,电池故障是由于长期欠充电所造成的。属于用户使用不当所致。较后,客户对此结论无任何异议。图3为该故障电池的正、负极板损坏情况及测试结果。
　　
　　(2)故障案例分析2
　　
　　某东南亚终端用户反馈,他们的很多组电池出现了严重臌胀,测量设备显示电池内阻无穷大,开路电压小于2V。积极和终端客户取得联系后,客户同意送回部分电池进行检查。初步检查发现,电池的安全阀已经严重变形,电池上部严重臌胀,并且边角已经开裂,并有烧灼的痕迹。
　　
　　以专业手段打开电池后发现,电池内部已经完全干涸、变形。电池已经完全损坏再无恢复的可能性。
　　
　　再进一步与客户沟通后得知,因为缺乏维护经验,当某个电池出现低浮充电压时,未能及时更换。因为电池串是串联电路,当一个电池退网后,这些电压会分给其它的电池,这样同串其它电池就会处于高电压充电状态。以此反复,较终造成恶性循环,进而引起热失控,以至于整串所有的电池损坏报废。用户对此结论表示无异议。图4为该故障电池的损坏情况。
　　
　　后期,在征得用户同意后,并且为了减少未来使用隐患,厂家对客户进行了相关培训,并且协助客户检查了其余的电池,消除了再次出现同类事故的发生。