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蓄电池工作原理

发布时间:2021-07-15 09:41 点击数:

在数据中心和通信行业,会用到很多蓄电池,这些蓄电池可作为交流不间断电源系统、直流电源系统备用电源,又可作为油机等起动动力电源,还可作为高压配电系统中的直流操作及控制电源。当外部交流供电突然中断时,蓄电池作为系统供电的后备保护,将担负起对负载继续供电的任务,从而保证了数据中心设备的正常工作。

一、铅酸蓄电池结构

        蓄电池主要由正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽和安全阀等组成,结构如下图1所示。

 

图1 蓄电池结构

二、铅酸蓄电池工作原理

        “双极硫酸盐化理论”最能说明铅酸蓄电池工作原理,铅酸蓄电池在放电时,正负极的活性物质均变成硫酸铅(PbSO4),充电后又恢复到原来的状态,即正极转变成二氧化铅(PbO2),负极转变成海绵状铅(Pb)。如下图2所示。

 

2.1蓄电池放电

        电流从正极经外电路流向负极,再由负极经内电路流向正极,电池向外电路输送电流的过程,叫做电池的放电,图3。

 

在放电过程中,两极活性物质逐渐被消耗,正极二氧化铅(PbO2)和负极铅(Pb)放电过程中两极都生成了硫酸铅,随着放电的不断进行,硫酸逐渐被消耗,同时生成水,使电解液的浓度逐渐降低,图4(PbSO4)。

 

2.2蓄电池充电

        放电以后,外来直流电源以适当的反向电流注入,这种反向电流使活性物质还原的过程叫做充电。铅酸蓄电池的充电反应是放电反应的逆反应,正负极板上的硫酸铅分别变成二氧化铅和海绵状铅,电解液中的水分子不断消耗,硫酸分子不断生成,电解液密度不断升高,图5所示。

 

三、蓄电池装配

         把正极板、隔板、负极紧密压合在一起后,装入电池壳体,连接极柱,安装盖板和安全阀后,注入稀硫酸,这样就形成了一个电池,如图6所示。

 

在电池的使用中,当电池的实际放电容量低于额定容量80%时,认为电池失效或者寿命终止。典型的失效模式为:电池失水、硫酸盐化、板栅腐蚀、正极板腐蚀泥化脱落等情况会导致电池容量下降或者提前失效。

 4.1失水干涸

        电池充电后期存在副反应,电解水反应导致气体析出;板栅腐蚀消耗水分;自放电消耗水分;当水分损失一定程度后,内阻增大,电池容量下降,图7所示。

 

 

导致电池失水原因:充电电压过高;充电电流大;电池内部温度高;运行环境温度高;电池密封不良(安全阀、端子、槽盖);壳体裂纹等;

4.2漏液

        电池组出现漏液,比如安全阀、极柱、槽盖等部位出现液体溢出或堆积白色结晶体,如图8所示。漏液经外壳流向电池架、下层电池,造成电池架腐蚀、甚至有可能造成下层电池短路,发生起火、爆炸情况。    

 

 

产生的主要原因有:热封、胶封工艺不良;安装、搬运过程磕碰,导致电池密封性能破坏。中国电信在建设规范和维护规程中明确要求:新装电池必须铺设电池缓冲绝缘垫,电池室内宜安装早期烟雾报警。

  4.3硫化(负极板盐化)

       当蓄电池经常处于充电不足或者过放电后, 负极板的表面附着一层白色坚硬的硫酸铅结晶体,充电后依旧无法转化为活性物质,导致电池容量下降,这种现象称为“不可逆硫酸盐化”,简称“硫化”,如图9所示。

 

硫化的原因:蓄电池长期充电不足或放电后没有及时充电,部分PbSO4溶解后析出并在极板结晶形成硫化;电解液液面过低,使极板上部与空气接触而被氧化后硫化;长期过量放电或小电流深度放电,使极板深处活性物质的孔隙内生成PbSO4。

4.4极板腐蚀

        电池极板发生腐蚀,导致电池失效。

        极板栅腐蚀的因素:参数设置不合理,充电电压过高,电池过充电,板栅腐蚀速率越快。电池使用环境温度过高,腐蚀速度加快。电解液密度越高,板栅腐蚀速率越快。板栅合金材质不纯,或铸造工艺不合理,板栅内部存在气孔。板栅厚度设计太薄,设计板栅厚度应高于3.0 mm。

4.5热失控

        电池工作环境温度过高或充电电压过高,没有配置温度补偿功能,蓄电池内部温度升高,电池内阻下降,充电电流又升高,电池内阻进一步降低 ,形成恶性循环,图10为某蓄电池机房空调长时间故障导致电池热失控起火案例。

 

 

    引起电池热失控的原因:环境温度过高;电池参数设置不合理,导致电池过充电。安全阀失效,电池内部压力过大。电池安装时,中间需要预冷散热通道,最小不得少于10mm。

4.6正极板泥化脱落

        泥化原因:电池充放电过程中,正极活性物质在PbO2和PbSO4之间转化。正极反应物的体积变化,PbSO4体积是PbO2体积的2.68倍。正极活性物质是非常坚硬的网络结构,正极活性物质的体积在不断反复收缩和膨胀,就使二氧化铅粒子之间的相互结合逐渐减弱,造成正极活性物质泥化。 

        影响因素:频繁放电,加速正极活性物质的体积膨胀和收缩,从而导致电池极板的快速软化。参数设置不合理,电池过充电或过度放电,正极活性物质体积变化过大,加快活性物质软化速率,提前失效。

五、阀控蓄电池注意事项和使用寿命

        蓄电池在使用和维护时应注意“三防一及时”:防高温、防过放电、防过充电、及时充电。中国电信规定:在正常使用及维护条件下,设备有效使用年限按下表1要求:

 

阀控电池使用寿命

        同时要求:对于已超过有效使用年限的蓄电池应退出A、B类机房。对于已超过有效使用年限的设备,经过检测评估,性能仍然良好者并满足运行质量要求,具有使用价值的,经过主管部门的批准,可继续使用,但应增加维护检查频次以及时发现设备劣化变化。性能指标达不到要求的设备,应报废和退网。

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