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2.2.1 VRLA蓄电池的充电特性

由于VRLA蓄电池具有价格低廉、电压稳定、无污染等优点,近年来广泛应用于通信、电力、交通、太阳能光伏发电等领域。但是近来不少用户反映,本来应工作10~15年的VRLA蓄电池,大都在3~5年内损坏,有的甚至仅使用不到1年便失效了,造成了极大的经济损失。通过对损坏的VRLA蓄电池的统计分析得知:因充放电控制不合理而造成的VRLA蓄电池寿命终止的比例较高。例如,VRLA蓄电池早期容量损失、不可逆硫酸盐化、热失控、电解液干涸等都与充放电控制的不合理有关。对VRLA蓄电池进行合理的充放电控制是使VRLA蓄电池达到其设计寿命的基础。

1.VRLA蓄电池的充电技术要求

VRLA蓄电池生产厂提供的蓄电池保证使用寿命的技术指标是在环境温度为25℃下给出的,由于单体VRLA蓄电池电压具有温度每上升1℃下降约4mV的特性,那么对于一个由6个单体VRLA蓄电池串联组成的12V蓄电池组,25℃时的浮充电压为13.5V;当环境温度降为0℃时,浮充电压应为14.1V;当环境温度升至40℃时,浮充电压应为13.14V。同时,VRLA蓄电池还有一个特性,当环境温度一定时,充电电压比要求的电压高100mV,充电电流将增大数倍,因此,将导致VRLA蓄电池的热失控和过充损坏。当充电电压比要求电压低100mV时,又将使VRLA蓄电池充电不足,也会导致VRLA蓄电池损坏。另外,VRLA蓄电池的容量也和温度有关,大约温度每降低1℃,容量将下降1%,所以在VRLA蓄电池的使用中,在夏季VRLA蓄电池放出额定容量的50%后,冬季放出25%后就应及时充电。

显然,日常使用中的VRLA蓄电池不可能长期处在25℃的环境中,而目前普遍使用的晶闸管整流型、变压器降压整流型及开关稳压电源型的VRLA蓄电池充电器,以恒压或恒流方式对VRLA蓄电池进行的充电,无法满足VRLA蓄电池补充充电所要求的技术条件。纵观过去所采用此类充电器对VRLA蓄电池充电的方法,以及根据这些方法开发的VRLA蓄电池充电器,不难看出,其技术是不完善的,用这些产品给VRLA蓄电池充电,势必直接影响VRLA蓄电池的使用寿命,同时,这些充电器还存在着工作电压适应范围窄、体积大、效率低、可靠性差等问题。

2.自然平衡充电器

VRLA蓄电池的自然平衡充电原理简图如图2-5所示。在图2-5中,有两个电源 E A E B ,当电源 E A 与电源 E B 处在同一环境温度下时,正极和正极相连接,负极与负极相连接,在它们所形成的闭合电路中,存在着如下的关系,如果 E A 高出 E B E A 将向 E B 提供 E A E B =Δ E 的电压,同时将按Δ E 的大小提供-Δ i 电流由电源 E A 流向电源 E B ,当 E B 吸收 E A 提供的Δ i 电流,使 E B 上升到完全等于 E A 时(在VRLA蓄电池中表现为VRLA蓄电池端电压的上升和电荷存储量的增加),电源 E A 将停止向电源 E B 提供电流,也就是 E A E B ,Δ E =0,Δ i =0。

图2-5 自然平衡充电原理简图

在上面描述中,把 E B 换成被充电的VRLA蓄电池,将 E A 精心设计成不同环境温度下能按VRLA蓄电池充电平衡需要自动调节输出电压和电流的电源,在完全理想化的情况下,电源 E A 能根据VRLA蓄电池在任意环境温度下,以其能够接受的电流,对VRLA蓄电池进行充电,VRLA蓄电池充足电后,Δ E =0,Δ i =0, E A 电源将不再消耗功率,此后, E A 只随环境温度的变化对被充电的VRLA蓄电池提供跟踪平衡补偿,由于VRLA蓄电池充电的整个过程完全是自动完成的,所以称为自然平衡法。

采用自然平衡法给VRLA蓄电池充电,在VRLA蓄电池充足电后, E A 与被充电的VRLA蓄电池 E B 之间的电压差Δ E =0,自然也就Δ i =0,由于 E A 无功率供给VRLA蓄电池( E B ),所以VRLA蓄电池电解液不可能沸腾,也不可能使VRLA蓄电池内电解液中的水分解,更不可能使VRLA蓄电池内的压力和温度升高,产生安全隐患。因此,该方法提供给VRLA蓄电池的是既不会使VRLA蓄电池过充电,又不会使VRLA蓄电池充电不足,而是更方便、更安全、更可靠地充电。

从上面的分析中不难看出,该方法特别适合间歇性放电使用的VRLA蓄电池日常维护充电,有利于提高VRLA蓄电池日常使用中的可靠性及提高VRLA蓄电池的使用寿命。

3.VRLA蓄电池的充电方式

VRLA蓄电池的充电方式有:浮充充电、均衡充电、补充电和循环充电等。为了延长VRLA蓄电池的使用寿命,必须了解不同充电方式的充电特点和充电要求,严格按要求对VRLA蓄电池进行充电。

VRLA蓄电池的充电方式按VRLA蓄电池两端电压、电流的控制方式不同,可分成恒压限流式、恒流式、两阶段恒压式(即在充电初期设定为高电压并限制VRLA蓄电池的最大充电电流,当VRLA蓄电池电压达到设定值时,系统将充电电压切换至低电压直至充电结束,此时充电不限流)、半恒流充电式(即充电电流随充电过程中VRLA蓄电池电压的上升而下降,但下降趋势较缓慢,电流曲线部分呈平坦趋势,类似于恒流充电曲线,故称半恒流充电)等四种主要的充电方式。

(1)初充电

现阶段VRLA蓄电池的初充电有以下几种方式。

①串联充电。采用高压、小电流充电器,一般来讲,充电器的输出电压为300~450V,输出电流为5~30A,电流可控制,每个VRLA蓄电池充入的电量可控制,可放电检测VRLA蓄电池容量,剔除故障VRLA蓄电池,现生产厂家普遍采用这种方法。

②并联充电。采用低电压、大电流充电器,每个VRLA蓄电池的充电电流与蓄电池的充电状态和内阻有关。不能计算每个VRLA蓄电池充入的电量,几乎无生产厂家采用。

③串联并联混合充电。一般采用先串联后并联的方式进行,充电器常为150V电压输出,电流为30~100A,单个VRLA蓄电池无电压、电流控制,可分组放电检查,现有不少厂家采用这种方式。

④单体VRLA蓄电池充电:可准确地进行充、放电,能控制电流、电压,能将每个VRLA蓄电池进行分级、挑选,普遍在测试上使用。

⑤模块控制单体VRLA蓄电池充电。每个模块可充64个蓄电池,每台充电器可充700多只VRLA蓄电池,在一个模块中一台或多台故障不影响其他VRLA蓄电池充电,可进行恒压、恒流控制,保证VRLA蓄电池不会过充,还能检查容量和进行VRLA蓄电池分级,这将是今后的发展方向。

(2)浮充充电

直流电源系统和VRLA蓄电池组采用并联冗余供电方式,即VRLA蓄电池组为电源,又可吸收直流电源的浮充电流。浮充电流的选择除维持VRLA蓄电池的自放电以外,还应维持VRLA蓄电池内的氧循环。不过浮充电流的数值除与VRLA蓄电池的本身特征有关外,主要由运行时的浮充电压所决定。

VRLA蓄电池的浮充电压与其使用寿命之间也有密切的关系,总趋势是:在同一温度下工作,浮充电压越高,使用寿命越短。例如,华达公司生产的GFM系列蓄电池产品,在环境温度为25℃、浮充电压为2.23伏每单体时,其设计浮充寿命是23年;在同样温度下,浮充电压提高为2.30伏每单体时,其设计浮充寿命降为14年,降低了40%。因此,该公司推荐的浮充电压为2.23伏每单体(标准温度下)。

不同厂家的产品,推荐的浮充电压值可能不同;即使同一厂家的不同系列产品,推荐的浮充电压值也可能不同。例如,曲阜圣阳公司的XM系列和GM系列蓄电池,前者推荐的浮充电压为2.275伏每单体,后者推荐的为2.23伏每单体(均为标准温度下)。美国圣帝公司的VRLA蓄电池电解液比重为1.240g/cm 3 ,所以它的浮充电压为2.19V。日本YUASA公司的VRLA蓄电池浮充电压为2.23V。

这就说明,VRLA蓄电池的浮充电压值要参考厂家对产品推荐的数值来确定,同时要选用稳压性能良好的充电设备,使浮充电压稳定在VRLA蓄电池长寿区工作;充电设备的稳压性能变差了要及时处理,否则将影响VRLA蓄电池的使用寿命。

蓄电池的浮充电流因蓄电池的结构和性能的不同其作用也不尽相同,普通铅酸蓄电池浮充电流的作用为:

①补充普通铅酸蓄电池自放电的损失;

②向日常性负载提供电流。

VRLA蓄电池浮充电流的作用为:

①补充VRLA蓄电池自放电的损失;

②向日常性负载提供电流;

③浮充电流应足以维持VRLA蓄电池内氧循环。

为了使浮充电运行的VRLA蓄电池即不欠充电又不过充电,VRLA蓄电池投入运行之前,必须为其设置浮充状态下的充电电压和充电电流。在环境温度为25℃时,标准型VRLA蓄电池的浮充电压应设置在2.25V,允许变化范围为2.23~2.27V。实际运行时,还需要根据环境温度的变化来调整浮充电压,通常的调节系数为4mV/℃。就是说,当环境温度是35℃时,每一单体的浮充电压应降低40mV,若供电电压是48V(24个单体),则总的浮充电压应降低960mV。此时,若不对浮充电压进行调整,必将引起VRLA蓄电池过充电和过热,恶性循环的结果是VRLA蓄电池的使用寿命缩短、甚至损坏。

但绝不是说有了浮充电压的调节系数,VRLA蓄电池就可在任意环境温度下使用。温度低时,由于浮充电压增大、同样会引起浮充电流增大、板栅腐蚀加速、寿命提前终止等一系列的问题;而温度过高时,浮充电压减小,也会产生VRLA蓄电池欠充电的一系列问题。

当VRLA蓄电池浮充时,电压和电流设置较低,因此析气和板珊腐蚀均不严重,大多数浮充均采用恒压浮充,每单体设置一般为2.20~2.27V。对VRLA蓄电池组来说,浮充时各单体VRLA蓄电池的电压是不相同的,饱和度高的VRLA蓄电池处于较高电压并析出气体,饱和度低的VRLA蓄电池由于氧化合的去氧化作用而处于较低电压,这些VRLA蓄电池不能被完全充电。浮充一段时间后,各单体VRLA蓄电池的电压将逐渐均衡,但VRLA蓄电池的放电结果可能不尽如人意。

假若提高浮充电压的设定值,将缩短VRLA蓄电池寿命,若蓄电池处于高温环境下,还可能发生热失控的危险。为了使VRLA蓄电池有较长的浮充使用寿命,在VRLA蓄电池使用过程中,要充分结合VRLA蓄电池制造的原材料及结构特点和环境温度等各方面的情况,制定VRLA蓄电池的合理使用条件,尤其是浮充电压的设定。

(3)均衡充电

所谓均衡充电,就是把每个VRLA蓄电池单元并联起来,用统一的充电电压进行充电。如果VRLA蓄电池组在浮充过程中存在落后的VRLA蓄电池(单体电压低于2.20V,相对于2V蓄电池),或浮充三个月后,应对VRLA蓄电池进行一次均衡充电,在均衡充电过程中,其单体VRLA蓄电池电压控制在2.35V,充6~8h(注意,一次均衡充电时间不宜太长),然后调回到浮充电压值,再观察落后的VRLA蓄电池电压变化,如果电压仍未到位,相隔两周后再均衡充电一次。一般情况下,新的VRLA蓄电池组经过6个月浮充、均充后,其电压会趋于一致。均衡充电电流一般选0.3 C 或略小于0.3 C 。额定电压为12V的VRLA蓄电池,均衡充电电压一般选14.5V。

在按规定对VRLA蓄电池进行均衡充电时,除了充电电压以外,均衡充电时间的设置也很重要。为了延长VRLA蓄电池的使用寿命,必须根据均衡充电的电压和电流,精确地设置均衡充电时间。也就是说,在均衡充电过程中,当充电电流连续三小时不变时,必须立即转入浮充电状态,否则,将会因严重过充电而影响VRLA蓄电池的使用寿命。

(4)循环充电

在循环应用领域,VRLA蓄电池都采用薄极板设计来提高比能量和大电流性能。对于薄极板的VRLA蓄电池,最好的充电方法是脉冲和电流递减方式充电。脉冲方式可在短时间内提高充电电流,快速充满,具有很小的过充;电流递减法充电具有同样的优点,大电流快速充电的关键是复合过程,提供足够的电流并控制此过程,当蓄电池老化时,复合会越来越剧烈,但极板薄、表面积大、极板间距小、充电效率高。

4.充电限流

VRLA蓄电池放电后,初期充电电流过大,产生的热量可能会把板栅竖筋、汇流条、端子等熔断;正极板活性物质PbO 2 颗粒之间的结合松驰、软化、脱落,严重者会引发热失控,使VRLA蓄电池变形、开裂而失效,所以需要对充电电流值加以限定。充电限流设定方式有:

①关机限流,需要限流时关掉若干充电器;

②有级设定,限制充电器的输出电流可以在额定电流的1/3挡或2/3挡选择;

③局部无级设定,可在充电器额定电流的50%~100%段选择限流点;

④无级设定,可在充电器额定电流的0%~100%段选择限流点。

对于这几种限流设定方式,其技术先进性次序为:④优于③优于②优于①。

5.充电操作

VRLA蓄电池组放电后,应立即转入充电,开始控制充电电流,以不大于0.2 C 为宜(如200A·h VRLA蓄电池,充电电流应不大于0.2×200=40(A))。当电流变小时,可慢慢提高VRLA蓄电池组充电电压,达到均充电压值,再充6h,然后调回浮充电压值。VRLA蓄电池的初充电电流的设定一般按说明书规定值或按额定容量1/10的电流设定。

理想的充电电流是采用分阶段定流充电方式,即在充电初期采用较大的电流,充电一定时间后,改为较小的电流,至充电末期改用更小的电流。充电电流的设计一般为0.1 C ,当充电电流超过0.3 C 时可认为是过流充电。避免用普通的快速充电器充电,否则会使VRLA蓄电池处于“瞬时过流充电”和“瞬时过压充电”状态,造成VRLA蓄电池可供使用电量下降甚至损坏VRLA蓄电池。过流充电会导致VRLA蓄电池极板弯曲、活性物质脱落,造成VRLA蓄电池供电容量下降,严重时会损坏VRLA蓄电池。 aWAEvNvrR6RNcwC/kxCuM3UfenSMwDh8U7BZzYKxaJGWd9oGCFEFDAYw1zH7sgHk

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