高功率閥控式密封鉛酸蓄電池設計

陳鳳偉

（廣東湯淺蓄電池有限公司，廣東 佛山 528300）

高功率閥控式密封鉛酸蓄電池設計

陳鳳偉

（廣東湯淺蓄電池有限公司，廣東 佛山 528300）

高功率閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)具有重量減輕、體積減小、密封性能好、自放電率低、易于維護操作、延長電池壽命、對環境腐蝕與污染大大降低等優點，應用越來越廣泛。介紹了閥控式鉛酸蓄電池原理，分析了其技術特性，并對某種汽車用蓄電池提出了設計思想及安全閥的設計。

密封；閥控式鉛酸蓄電池；技術特性；安全閥設計

1 閥控蓄電池的概念

閥控蓄電池蓋子上設有單向排氣閥，也稱作安全閥，該閥能夠在電池內部氣體壓力值超過一定數值，即當電池內部氣壓升高到一定值時，排氣閥自動打開，排出氣體，然后自動關閥，防止外部空氣進入電池內部，因此稱為閥控蓄電池。閥控密封鉛酸蓄電池已成為最新一代的產品。閥控鉛酸蓄電池的性能特點能滿足目前大多數場合的使用條件和要求，且它的生產制作工藝很成熟，是當前應用最為廣泛普及的蓄電池[1]。

2 閥控鉛酸蓄電池密封原理

鉛蓄電池工作原理是電子導體與電解質溶液進行的一種化學變化，有化學反應產生完整的導電體系，其內部化學方程式如下：

鉛酸蓄電池密封關鍵技術在于解決充電時水的電解。對于傳統上的鉛酸電池來說，當充電電壓達到2.30V時，在蓄電池內部水進行電解，蓄電池的正極上放出氧氣，負極上放出氫氣。這些氣體會釋放到大氣中，形成酸霧，從而腐蝕了蓄電池的電極，也帶來很大的環境污染問題；與此同時，蓄電池電解液中的水不斷減少，需要對電池定期加水維護，增加了維護成本，使用極不方便。另外，由于電解作用，造成電池的積極老化，減少蓄電池的使用壽命，增加了企業成本。閥控式鉛酸蓄電池成熟應用解決了這些難題。其主要特點如下：

（1）閥控式鉛酸蓄電池電極采用多元優質板柵合金，據實驗研究分析，閥控蓄電池氣體釋放過電位發生在其端電壓為2.35V，環境溫度在25℃時，氣體釋放到大氣環境中較少，減少了環境污染。

（2）基于電池容量及使用壽命方面，進行了優化設計，利用陰極吸收原理合計數，通過化學反應：

（3）蓄電池運用新材料為超細玻璃纖維隔板，便于陰極吸收技術的實現，增加吸附硫酸電解液的能力，防止電解液的溢出，從而減少電解液腐蝕電極的概率，降低污染因素影響。

(4)采用密閉結構和濾酸功能，防止霧酸溢出，降低環境污染滿足使用安全、可靠免維護的特點。

3 閥控密封鉛酸蓄電池的技術特性分析

閥控密封鉛酸蓄電池的壽命主要包括浮充壽命和循環壽命。循環壽命是指電池容量減少到規定值以前，電池充放電循環的次數。在正常維護下，閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)浮充壽命是指電池浮充供電的時間。理論上蓄電池浮充壽命大于10年。

3.1 初始充電

研究表明，閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)充電速率vc≥C/5時（C表示蓄電池額定容量），其容量恢復原來的的八成左右時，充電電流迅速增大，出現電池過充反應現象。當vc≤C/100時，蓄電池處于涓流充電狀態，只有電池容量達到100%放出的容量時，才開始出現過充現象。為了使閥控密封鉛酸蓄電池容量恢復到100，加快充電速率，減少充電時間，需要允許一定的過充電狀態存在。閥控密封鉛酸蓄電池充足電后，需要在蓄電池組兩端輸入恒定的浮充電壓，維持蓄電池滿充狀態。

3.2 浮充電

3.2.1 浮充電壓及電流

閥控密封鉛酸蓄電池浮充電壓是蓄電池重要參數，主要有極化電壓和開路電壓構成。浮充電壓過高，引起蓄電池充電電流過大，造成電池過充，從而縮短電池使用壽命，目前我國廠商生產的這類電池浮充電壓較低，平均值為2.3V左右。閥控密封鉛酸蓄電池的浮充電流主要是對蓄電池自放電產生的損失進行補償。第二點是為負載提供動力電能，提供持續穩定的直流。第三主要是維持閥控密封鉛酸蓄電池內部陰極吸收所需要的氧循環。

3.2.2 溫度及氣體復合

氣體復合是一種化學反應，在周圍環境升高或者氣體復合過程（負極析出的氫氣微小，正極析出的氧氣擴散到負極表面并還原，負極周圍無盈余的氧氣），蓄電池內部溫度會升高，由于其內部是密閉的，因此設計高功率蓄電池時，要充分考慮溫度及氣體復合的因素，如圖1所示。一旦浮充電壓或外部環境溫度升高，充電電流急速上升，氣體復合率隨之而降低。一般來說鉛酸蓄電池充電電流在1/50C以下時，其內部氣體符合率為100%；充電電流為1/20C時，氣體復合率降為90%；當充電電流上升到1/10C時，復合率為25%。

圖1 氣體復合與充電電流、電壓、速率關系圖

閥控鉛酸蓄電池充電過程中，內部氣體復合產生熱量，導致其內部溫度升高。從而引起浮充電流增大，析氣量增大，析氣量增大又會引起溫度持續升高形成一個正反饋。正是這個正反饋容易造成密封電池內部的熱失控。因此在設計時要充分考慮充電芯片的溫度補償，對充電電流計溫度進行控制。

3.3 電解液配比

大量研究表明，高功率閥控密封鉛酸蓄電池放電性能受蓄電池內部電解液的濃度配比及添加劑的輔助作用。在高功率閥控鉛酸蓄電池設計過程，充分控制好電解液的配比將有助于增強電解液導電性能，抑制極板枝晶短路的發生；防止活性物質的軟化、脫落、減緩板柵的腐蝕；提高電池過放電后容量的恢復能力和再充電接受能力；抑制早期容量損失，提高充放電容量。而在電解液中加入添加劑將有助于降低成本，便于技術推廣，且不改變蓄電池工業生產的過程，還能夠改善閥控密封鉛酸蓄電池性能。

4 高功率閥控密封鉛酸蓄電池設計

4.1 設計基本要求及思想

設計的電池為某品牌汽車動力蓄電池，電池組外形尺寸：220mm(長)X 176mm(寬)X 302mmm(高)；行程1000km，設計汽車時速100km/h；工作電壓:48V；工作電流為10A；設計使用壽命為7年以上。

由以上分析，蓄電池采用先進的超細玻璃纖維(AGM)隔板，電池具備無腐蝕性。蓄電池設計為多重密封技術結構，電池滲液得到控制；電池極柱采用嵌入式大面積銅芯，具備優越的放電特性；電池板柵采用高錫低鈣板柵合金，腐蝕速率低，有效地延長了蓄電池使用壽命；采用高品質的鉛基合金，把自放電控制在最小。蓄電池槽采用阻燃、超強的丙烯睛一丁二烯-苯乙烯共聚物塑料，增強了電池耐振動性、阻燃性；蓄電池安全閥具有自動平衡蓄電池內部氣體壓力、防爆的功能，設計安全可靠；電池工藝配方先進，工藝控制過程嚴謹，使電池設計整體合理，容量充足。

4.2 安全閥設計

蓄電池安全閥大部分時間是密封的，只有內部的壓強過高時開啟，逸出內部氣體，降低內部壓強，防止蓄電池爆炸。設計閥值如表1所示。

表1 鉛酸蓄電池安全閥的開啟與關閉閥值

安全閥材料選用硅氧熔體作為橡膠軟段，氟作為塑料硬段的一種嵌段共聚物，硅氟熱塑性彈性體材料具有良好電絕緣性、彈性適中、耐臭氧性、溫度區域寬廣、耐老化性等硅氟材料特點。

5 結語

閥控密封鉛酸蓄電池作為最新一代的電能產品，具備重量減輕、體積減小、密封性能好、自放電率低、易于維護操作、使用壽命得到延長、對環境腐蝕與污染大大降低等優點。通過分析高功率蓄電池技術特性及影響因素，給出了某種鉛酸電池的設計思路，限于篇幅給出了安全閥的設計，高功率閥控密封蓄電池的生產制作工藝已經很成熟，在電動汽車行業應用較為廣泛。

[1] 信息產業部電源專業情報網.國外閥控式鉛酸蓄電池市場的動態及分析[J].UPS應用，2003(10):10-13.

[2] 項文敏，唐明躍，沈煥剛，等.高功率閥控式密封鉛酸蓄電池的設計[J].電源技術，2010,34（8）:826-827.

[3] 朱松然，吳景華.電動自行車用閥控式密封鉛酸蓄電池的研制[J].電池工業，2014，5（5）:195-197.

Design of high power valve regulated sealed lead acid battery

Chen Fengwei
(Guangdong Battery Co. Ltd., Foshan 528300, China)

High power VRLA battery (VRLA) with reduced weight, reduced volume, good sealing performance, low self discharge rate, easy maintenance, long battery life, the advantages of corrosion and environmental pollution is greatly reduced, more and more widely used. This paper introduces the principle of VRLA battery, and analyzed its technology the characteristics of one kind of automobile batteries; and puts forward the design idea and design of safety valve.

seal; VRLA battery; technical characteristics; safety valve design

陳鳳偉（1976— ），女，漢族，河南滎陽人。