船用VRLA电池的失效分析与维护

宋政昌

摘 要：由于航区变化、机舱温度高、摇晃、震动等因素，船用VRLA电池的使用寿命远低于设计寿命。通过研究和实践发现，正确的维护和使用可以大大延长其寿命。结合VRLA电池的工作原理和失效分析，提出船员在日常维护和使用中常被忽视但却至关重要的几个方面。

关键词：热失控 阶段充电 维护 寿命

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-026-02

蓄电池在船舶上有极其重要的应用，包括作为无线电的备用电源、应急柴油机的启动电源、为低压设备及灯光信号设备供电等。由于阀控式铅酸蓄电池（VRLA电池）体积小、重量轻、自放电少、维修工作少、寿命长等优点，发明后得到各船东的亲睞，并很快取代了传统的防酸隔爆式蓄电池。然而在实际使用过程中发现，由于船舶环境特殊和使用方法等因素，其寿命明显小于设计寿命。本文从VRLA电池的工作原理出发，分析其失效机理并提出日常使用与维护中应该注意的问题，以期最大限度地延长VRLA电池的使用寿命。

1 VRLA电池的组成和工作原理

VRLA电池主要由极板、隔板、电解液、安全阀等元件组成。正极板栅架采用铅钙合金或底锑合金以减小腐蚀；负极板栅架用铅钙合金，可以提高析氢电位；隔板采用超细的玻璃纤维，可以防止活性物质脱落及短路；安全阀有防止水分散失的作用。

与防酸隔爆式电池相似，它的充放电化学反应方程式是

充电生成的PbSO4会沉淀在负极上，放电时负极生成海绵状的铅，正极生成PbO2。在充电接近终了时，会有水被电解，此时电池内部即会产生气泡。VRLA电池负极的PbSO4含量比正极的多，在充电时，正极的PbSO4全部转化为PbO2之后才始产生O2，此时负极仍然可以生成铅。它采用的贫液紧装技术可以使正极产生的O2很容易到达负极，与Pb反应生成PbO2，并进一步与H2SO4反应，生成PbSO4。因此，理论上负极的PbSO4永远不会消耗完，也不会产生H2，但实际上，由于受到环境温度、充放电不当等因素的影响，达不到这种理想化的状态。

2 船用VRLA电池的失效机理分析

VRLA电池失效的原因很多，并且船舶环境复杂多变，故而VRLA电池在船舶上的主要失效形式包括热失控、失水、板栅腐蚀、短路、硫酸盐化、极板腐蚀等。

2.1 热失控

环境温度对VRLA电池的容量影响最为明显。由于船舶在不同的航区温差变化较大，机舱和甲板的温差大等特点，使得VRLA电池的工作环境恶劣，是使用寿命减短的主要原因。

电池的使用寿命与温度的关系是，其中：T为环境温度，E为电池的活化能，K为波兹曼常数，A为常数。据此可知，电池在22℃～25℃的环境中使用年限最长，性能也最稳定。环境温度过高或过低对VRLA电池的使用都不利。在低温环境中，电解液的活性降低，粘度变大，电池内阻升高，容量降低；环境温度过高或者充电电流过大时，电解液的温度升高，内阻随之降低，同时内阻降低又会使充电电流变大，如此循环，电池的寿命会迅速下降。

在船舶上，作为小应急照明用的VRLA电池一般存放在专用电池间，通风较差；而作为启动用的VRLA电池一般存放在机舱，由于主机运行和航区变化，环境温度有时可以高达50℃。充电时，电解液内分子运动剧烈，会使电池发热，温度更高，导致极板的活性物质脱落严重，影响使用寿命。

2.2 失水

在船舶上，蓄电池失水的原因主要有以下几个方面：（1）电池密封不严，致使氧不能全部到达负极与铅反应，而是经由安全阀逸出；（2）排气阀压力设计不当，经常动作而失水。船舶航行时，由于船体摇晃和轴系震动等给蓄电池造成影响，使电解液溢出，严重时会造成极柱腐蚀和短路；（3）正极板栅腐蚀而失水；（4）维护过程中发生过充电，电解液中的H2O发生电解反应，生成气体逸出；（5）自放电造成的失水。

2.3硫酸盐化

从蓄电池的化学反应式可以看到，在放电时，正负极都生成了PbSO4。正常工作时，负极会产生小颗粒的PbSO4，充电时随即转化为海绵状的铅。但是，电池在长期存放、经常过放电、长期充电不足时，会形成粗大坚硬的PbSO4颗粒，并附着在负极上，不但使活性物质减少，而且阻碍了电解液和深层活性物质的接触，致使电池容量下降。

2.4 短路

VRLA电池的正负极板是由超细波纤维制成的，具有防止活性物质脱落和短路的功能，但是如果装配不当或者晶枝穿透，则正负极极板相连，发生短路，并且玻璃纤维也不能完全阻止活性物质的脱落，脱落的活性物质游离在电池内部，在充放电过程中逐步沉淀在极群正负极板的板耳和侧面之间。

2.5 板栅腐蚀

现在使用的VRLA电池板栅大多由铅合金制成，虽然具有很强的抗腐蚀能力，但是长期侵在H2SO4的环境中，腐蚀任然不可忽视。失水会直接导致电解液的比重变大，酸性加强，使极板的环境恶化。正极板栅抗腐蚀能力的强弱与板栅合金的成分和板栅性能有很大关系，采用低锑银系列耐腐蚀正极板栅可以大大减小腐蚀对电池的影响。

3 VRLA电池的维护保养

在使用过程中，注意蓄电池的维护和保养可以大大延长其使用寿命，提高资源的利用率，节省成本。在船舶上，除了按照规定的程序进行维护保养以外，还应当注意以下几个方面。

3.1选择合理的充电方法

船上循环使用的VRLA电池可用的充电方式有浮充充电、恒压充电和阶段充电方法三种，此外还有恒流充电、均衡充电等。

恒流充电原理简单，易于操作，只需要改变充电装置的端电压或者给蓄电池串联一个分压电阻，通过改变阻值大小来控制充电电压。但是，这种充电方法也有其明显的缺点。在蓄电池快充满时，充电电流大部分被水电解消耗，造成电池失水，容量降低，使用寿命变短。恒压充电即保持充电电压不变进行充电，这种充电方式在充电开始时，充电电流不受控制，远远超过最佳充电电流而发热，严重时会造成极板脱落。

船舶上一般采用阶段充电的方法，以避免恒压充电和恒流充电的缺点。其充电流程是先采用恒流充电，使电池电压升高到一定值之后再换用恒压充电。

分析曲线可以知道，充电电流先保持不变，而电压持续升高，当电压达到一定值之后，基本保持不变，电流开始降低。图上电流与电压相较于A点，在A点之前是恒流充电，A点之后是恒压充电。分析蓄电池充电曲线可以发现，要保证VRLA电池充满电，就必须保证充电电压高于满电电压，一般需超过35%。以启动用的VRLA电池为例，它的满电电压是24V，按35%计算，电源电压至少需要32.4V才能保证充足，但是船上充电使用的发电机只能提供29V左右的电压。为了防止蓄电池不至于长期在亏电状态下工作而发生硫化，一般每个月都需要进行一次补充充电。

采用阶段充电方式的优点主要有以下几个方面：

（1）充电初期和末期的充电流小，故气体的产生量少，降低了失水对蓄电池寿命的影响。

（2）充电电流随着电池电量的增加而降低，避免了恒压充电在充电初期和恒流充电在充电后期电流过大对蓄电池造成不利影响。

（3）可以保证电池完全充足，充电彻底且安全。

3.2 合理的放电操作

VRLA电池的容量随着放电倍率的增大而降低。主要原因在于高倍率放电时，生成的PbSO4晶粒较大，附着在电极上，阻隔海绵状的铅与H2SO4液体的接触，电池内部的化学反应速率减弱。并且高倍率放电时，生成的大颗粒PbSO4晶体在充电时不容易转化成海绵状的铅，假如长期充电不彻底，极容易导致容量降低甚至失效。高倍率放电会使负极汇流排的温度升高，并且温度不均匀，极易造成局部腐蚀。因此，应当减小放电倍率，避免长时间大电流的放电。

3.3 控制环境温度

由2.1的分析可以知道，VRLA电池在25℃的环境下状况最佳，超过25℃时，每升高8.3℃，电池的使用寿命就会缩短50%，但是在船上很难得到这个样一个最佳温度，建议采用温度补偿的方式充电。在环境温度较高的情况下，可以采用“降压充电”的方法，避免充电电流过大引起发热或者极板断裂；在环境温度较低的情况下，可以采用“升压充电”的方法，以避免由于电池内阻增大而造成充电不足现象。

3.4 禁止新旧电池的混用

新旧电池混用容易使新电池提前报废。为了得到稳定的输出电压，新旧电池必然以并联的方式接入电路，但是根据Kirchoff 第二定律，在放电时，旧电池电压下降要比新电池快，放电到一定时间后时，旧电池反而成了耗电装置，会使新电池的放电倍率增大。并且旧电池的自放电严重，混用时新电池始终处于放电状态；充电时，旧电池充足的速度要比新电池快，会提前达到满电电压，但是新电池尚未充足。因此，混用会使新电池长期处于亏电状态，造成硫化故障，得不到合理使用。除了不能新旧电池混用之外，还应当及时检查每组电池中单节电池的电压，以便及时发现提前衰退的电池并作出相应的处理。

4 结束语

VRLA电池被称作免维护蓄电池，但是在实际使用中逐渐发现，合理的维护对延长使用其寿命，保证运行的可靠性十分必要。本文讨论了船用VRLA电池失效的常见模式和比较常规的维护保养办法，由于蓄电池技术飞速发展，对于它的维护保养要求也在不断进步。

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