淺析影響航標用鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素

王永濤

(交通運輸部東海航海保障中心連云港航標處，江蘇 連云港 222042)

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淺析影響航標用鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素

王永濤

(交通運輸部東海航海保障中心連云港航標處，江蘇 連云港 222042)

摘要:文中從閥控式鉛酸蓄電池的工作原理及特點入手，分析了影響航標用鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素，并在此基礎上提出航標用鉛酸蓄電池的使用與維護建議。

關鍵詞：閥控式鉛酸蓄電池；過度充電；過度放電

在科學技術迅猛發展的今天，傳統的防酸隔爆蓄電池逐漸被淘汰，浮動與固定航標系統中已廣泛應用閥控式密封鉛酸蓄電池。但閥控式密封鉛酸蓄電池的較短使用壽命給浮動與固定航標系統的正常運行帶來了隱患。通常情況下，閥控式密封鉛酸蓄電池在比較惡劣的工作環境下僅有3年的使用壽命，遠遠達不到廠家規定的10年使用壽命的標準。航標用鉛酸蓄電池過低的使用壽命導致航標能量系統可靠性降低，航標日常維護費用增加。資料表明，閥控式密封鉛酸蓄電池的使用壽命與正確的使用維護方法密切相關。本文討論了環境溫度、過度充電和過度放電對閥控式鉛酸蓄電池的影響，并對航標用鉛酸蓄電池的使用和維護提出了建議。

1　VRLA蓄電池的工作原理及特點

VRLA蓄電池主要由外殼、隔板、匯流排、安全閥、正負極板、硫酸電解液、極柱端子等組成。閥控式鉛酸蓄電池的正極活性物質為二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質為海綿狀鉛(Pb)，電解液為硫酸(H2SO4)，電極反應方程式[2]如下：

正極:PbO2+H2SO4+2H++2e-←→PbSO4+2H2O

負極：Pb+H2SO4←→PbSO4+2H2O

普通鉛酸蓄電池的電極反應方程式則是：

Pb+PbO2+2H2SO4←→2PbSO4+2H2O

正極：H2O→1/2O2+2H++2e-

負極：2H++2e-→H2

從以上反應式可以看出，普通鉛酸蓄電池在其充電過程中存在水分解反應，當充電達到一定電壓時(一般在2.30 V/單體以上)，蓄電池正負極會分別放出氧氣與氫氣。由于氫、氧氣析出，若反應中產生的氣體不能重新復合利用，蓄電池就會失水干涸，因而需要定期進行補水維護，這是普通蓄電池自身存在的不足。閥控式鉛酸蓄電池是在改進傳統蓄電池缺點的基礎上研制出的新產品，在材料及結構等方面有了明顯的突破，表現在：

(1)普通蓄電池板柵合金通常在2.30 V/單體(25 ℃的環境溫度)以上時會釋放氣體，而閥控式鉛酸蓄電池在采用了多元優質板柵合金后，在2.35 V/單體(25 ℃)以上時釋放氣體，較普通蓄電池提高了氣體釋放的過電位，相對減少了氣體釋放量。

(2)閥控式鉛酸蓄電池的負極比正極多出10%的容量，充電后期正極釋放的氧氣與負極接觸發生反應生成水，使得負極在氧氣的作用下處于欠充電的狀態，因而不會產生氫氣。這是VRLA蓄電池陰極吸收的明顯優勢。

(3)為了實現VRLA蓄電池正極釋放氧氣盡快流通到負極并化合成水的目的，就必須采用與傳統蓄電池微孔橡膠隔板不同的超細玻璃纖維隔板。超細玻璃纖維隔板的孔率由橡膠隔板孔率的50%提高到90%以上，為氧氣流通到負極提供了極大的便利。此外，超細玻璃纖維隔板還具有吸附硫酸電解液的功能，電解液不易溢出。

(4)閥控式鉛酸蓄電池采用了密封式閥控濾酸結構，避免了酸霧溢出，有利于環保。

2　影響VRLA蓄電池使用壽命的因素

從以上內容得知，VRLA蓄電池無需再進行加水維護，但仍需加強其他維護措施，才能達到延長使用壽命的目的。因此，有必要對其使用壽命的影響因素進行分析。

閥控式蓄電池有獨具一格的氧復合機理和閥控密封的結構，但也存在不足。其相比防酸隔爆蓄電池，在可靠性和魯棒性上有所缺失，容易受過充、過放、滲液、環境溫度過高及浮充電壓過高等影響，降低蓄電池的使用壽命。

2.1　環境溫度

環境溫度是影響蓄電池使用壽命的重要因素，過高的溫度環境會嚴重威脅到蓄電池的使用壽命。這是因為溫度升高會加劇蓄電池的極板腐蝕，進而消耗掉更多的水，縮短電池的使用壽命。所以，蓄電池對使用環境溫度有較為嚴格的要求，標準情況下，蓄電池使用溫度不能高于25℃，若溫度再升高，就會縮短電池的壽命。此外，浮充電壓的合理范圍與溫度有著密切的關系，環境溫度為25℃時浮充電壓以13.44 V/單體為標準值，溫度過高或過低都對標準浮充電壓有影響，這時應引入溫度補償。溫度補償系數為：-3 mV/℃(以25℃為基點)，不同溫度下浮充電壓可通過下式來確定：

從上式可以看出，當環境溫度為0 ℃時，標準浮充電壓應為13.365 V。

2.2　過度充電

通常環境溫度為25℃時，浮充電壓在2.23～2.25 V/單體為合理的范圍，相當于12 V航標用蓄電池充電電壓為13.38～13.5 V。若蓄電池充電電壓超過13.5 V(25℃)，則蓄電池內短時間產生的大量氣體來不及被負極吸收，壓力超過某個值時，單向排氣閥便將其排出，導致蓄電池損失氣體，容量降低。若蓄電池采用14.1 V(25℃)充電電壓連續充電4個月后，就會出現熱失控，導致容量下降，蓄電池外殼鼓包、漏氣，最后只能報廢。

航標用鉛酸蓄電池由于并不是連續充電，而是每日充電10 h，所以充電電壓過高導致的電池熱失控現象并不明顯，但影響仍然存在。如某航標其充電電壓長期處于較高水平(14.5 V),此蓄電池在連續工作8個月后出現電池容量下降，表現為白天充電電壓過高(20.98 V)，夜間工作電壓過低(9.67 V)，嚴重削弱了此航標的助航功能，降低了其可靠性，航標失常隨時都有可能發生。

2.3　過度放電

蓄電池浮充電壓低于13.38 V時，浮充電壓過低，而蓄電池長期為負載供電。此時蓄電池正極PbO2氧化反應能夠完成，但是負極不能完成氧復合，Pb還原的不夠徹底，氧復合效率降低導致PbSO4長時間累積形成不可逆的晶體，負極逐漸鈍化，蓄電池的內阻增大，電池的充、放電性能變差，最終導致蓄電池容量大幅衰減。若某航標充電電壓長期低于12 V，最后電量逐漸降低，不能給負載供電。

3　航標用閥控式鉛酸蓄電池的使用維護建議

3.1　測量浮充電壓

浮充電壓對蓄電池的壽命具有相當重要的影響。在航標能源系統中，一般通過太陽能電池板對蓄電池進行全浮充方式充電，因此浮充電壓是蓄電池長期使用的充電電壓。浮充電壓過高或過低都會影響蓄電池的壽命，從而導致航標能源系統穩定性的下降。

目前航標遙測遙控系統中只對蓄電池的終端電壓設置了報警界限，而對影響蓄電池工作穩定性的浮充電壓(充電電壓)并未給予足夠關注。當蓄電池浮充電壓長期處于不合理的范圍而導致航標能源系統效用降低，甚至失效時，亡羊補牢為時已晚。因此筆者建議對太陽能電池板的浮充電壓通過遙測遙控加以監控，每日網上航標巡檢中密切監視浮充電壓，認真記錄航標蓄電池的相關參數，重點是充電電壓與環境溫度，通過記錄的數據來了解航標蓄電池的使用情況。一旦發現蓄電池充電電壓超過合理范圍，應將其列入觀察名單，找出原因并及時處理。

3.2　均衡充電

均衡充電是指對長期擱置和長期浮充電的蓄電池進行補充電。均衡充電應在合理的VRLA蓄電池的充電電壓和環境溫度下進行[3]：

(1)將充電電壓調到2.33 V/單體(25℃)，充電30 h;

(2)將充電電壓調到2.35 V/單體(25℃)，充電20 h;

以上是VRLA蓄電池均衡充電的兩種方法，通常情況下選擇第一種方法為最佳。從上述方法中可以發現，25℃的環境溫度是非常重要的參數，在均衡充電過程中要引起極大的重視并自覺遵守。從理論上來講，蓄電池的最佳使用溫度應是15～25℃，因而盡量選擇在涼爽的春秋季節對蓄電池均衡充電，以延長蓄電池使用壽命。當然，在條件允許的情況下，使用方可以為VRLA蓄電池安裝空調，保持室內溫度在25℃,促進蓄電池使用功能的更好實現。當環境溫度高于25℃時，充電電壓應相應降低，反之則相應提高。通常環境溫度降低或提高的幅度為每變化1℃，增減0.003 V/單體。因此在環境溫度每變化5℃時，可適當調速充電電壓。

3.3　電導檢測

國際上采用電導測試技術來檢測蓄電池的內阻，這成為了判斷蓄電池實有容量的重要手段之一，蓄電

池電阻被公認為精準判斷蓄電池健康狀態的重要參數之一[4]。

電導測試技術在航標蓄電池檢測中的應用，能真實的呈現出電池失效的正極板腐蝕、失水、負極板硫酸鹽化等現象，并能快速發現因失水導致的內阻失效電池，因此電導測試可作為判斷蓄電池性能及使用情況的重要手段。

3.4　其他維護措施

延長蓄電池的使用壽命，還應該通過創造恒溫的使用環境和良好的通風及散熱條件的方式進行維護。通?？梢栽诎卜判铍姵氐膱龅貎劝惭b空調設備；蓄電池之間要保持不小于15 mm的間隙，以改善電池與環境媒介的熱交換，同時電池與上層隔板間應保持不小于150 mm的間隙，以降低溫升。

除此之外，在線纜安全過電流與散熱條件下，還應該優先選擇截面較粗的線纜，并盡量縮短其長度，避免不必要的線纜損耗。同時線纜之間的連接松緊度也應該仔細考慮。

4　結束語

航標能源系統是航標發揮效能的關鍵保障，而蓄電池與航標能源系統的穩定運行息息相關。因此航標能源系統制作商及使用方有必要加強對蓄電池使用壽命的技術研究，積累維護經驗，最大限度地提高VRLA蓄電池的使用壽命。

參考文獻：

[1]史相玲.蓄電池在線監測技術的研究[D].河北：河北農業大學，2009.

[2]高鵬，崔君瑩，白瑞雪.閥控密封式鉛酸蓄電池的原理及運行維護[J].電源技術應用，2009，(11)：23-25.

[3]賈立高. 閥控式鉛酸蓄電池的使用和保養[J].西部廣播電視，2005，(09)：32-42.

[4]李建軍. 影響閥控式鉛酸蓄電池使用壽命的原因及維護[J].中國科技信息. 2010，(20)：45-46.

運營探討

Analysis of Main Factors Influencing Lifespan of Lead-Acid Battery for Navigation Mark

WANG Yong-tao

(The East China Sea Lianyungang Beacons in the Maritime Security Center, Lianyungang 222042, China)

Abstract:In this article, operating principle and characteristics of valve-regulated lead-acid(VRLA) battery are firstly introduced. Then, main factors influencing lifespan of lead-acid battery for navigation mark are analyzed, based on which suggestions for using and maintaining this kind of lead-acid battery are finally proposed.

Key words:VRLA; overcharge; over discharge

中圖分類號：TM912

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0132-02

作者簡介：王永濤 (1983-),男,江蘇徐州人，碩士，工程師，從事航標管理工作。

收稿日期：2014-12-26