蓄电池的活化

2014-03-17

中国设备工程 2014年9期

关键词：极板电池组电解液

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

蓄电池的活化

朱新宇

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

介绍了镍镉蓄电池的结构、工作原理、判断好坏的五个重要参数，以及蓄电池活化的方法及意义。

镍镉蓄电池；容量；单体电压；内阻；活化

海油平台上的很多设备都配置了蓄电池，如透平发电机，应急发电机、中控系统、吊车、消防系统等，以便失电后备用，另外还必须配备主UPS系统，保证平台完全失电后应急使用。因此作为平台电气的管理人员，必须加强对蓄电池的保养，而活化则是其中最有效的一种方式。平台主要有两种蓄电池，一种为普通的免维护阀控式铅酸蓄电池，另一种则是镍镉蓄电池，而后者在平台应用较多。

一、结构及工作原理

镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。当环境温度较高时，使用密度为1.17～1.19（15℃时）的氢氧化钠溶液。当环境温度较低时，使用密度为1.19～1.21（15℃时）的氢氧化钾溶液。为兼顾低温性能和荷电保持能力，密封镍镉蓄电池采用密度为1.40（15℃时）的氢氧化钾溶液。为了增加蓄电池的容量和循环寿命，通常在电解液中加入少量的氢氧化锂（大约每升电解液加15～20g）。

镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍〔NiOOH〕，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。

二、镍镉蓄电池的重要参数

蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用Ah（安时）表示，1Ah就是能在1A的电流下放电1h。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量。

电池出厂时正负极间的电势差称为标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量有一定关系。单元镍镉电池的标称电压约1.2V。

电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在充放电过程中，极板的电阻是不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。

蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1.75～1.8V，放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关。镍镉电池的放电终止电压和放电速率的关系如表1所列。

表1 镍镉电池不同放电率时的放电终止电压

三、影响蓄电池使用寿命的主要因素

1.环境温度

过高的环境温度是导致蓄电池使用寿命缩短的首要原因。其一，环境温度升高时，蓄电池所允许浮充电压的阀值将逐渐下降，若采用固定浮充电压的设计方案，温度升高时，势必将蓄电池置于过压充电工作状态，因而，宜采用浮充电压随环境温度变化的最佳浮充电规律。其二，当环境温度升高时，蓄电池组本身固有的存储寿命会逐渐缩短，因此，即使采用温度补偿的充电浮充电规律，仍然需要对蓄电池的环境温度进行充分考虑。当环境温度偏低时，尽管不会对蓄电池的使用寿命造成不利影响，但它却使蓄电池所能提供的有效容量下降。

2.深度放电

蓄电池被深度放电是造成蓄电池使用寿命缩短的另一个重要原因。这种情况发生在交流停电后，蓄电池组为负载供电期间。现有的操作电源都监视蓄电池组的端电压，当端电压低于某一设定值时，断开蓄电池总开关，停止蓄电池对负载放电。但事实上，蓄电池所允许的放电末期电压与实际放电电流有关，在大电流放电时，其末期电压比小电流放电时要低许多。因此，固定放电末期电压的设计方法，使小电流放电时，易出现深度放电现象，应采用末期电压随放电电流变化的设计方案。

3.浮充电状态

目前，蓄电池大多数处于长期浮充电状态下，只充电不放电。这是一种极不合理的工作状态。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量大大低于其标称容量，从而导致蓄电池所可能提供的实际后备供电时间大大缩短。在这种情况下，出现合闸合不上或停电，蓄电池为负载供电极短时间，即因电压过低，总开关自动断开，失去其实际功能。因此，宜采用先恒流充电到一定电压值后转恒压均充电，当充电电流小于某一数值后，再自动进入恒压浮充电状态，然后每隔一段时间进行一次活化放电的蓄电池管理设计方案。与传统的连续浮充充电方式相比，可延长蓄电池使用寿命50%以上。

4.记忆效应

镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。电池全部放完电后，极板上的结晶体很小。电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的结晶体。结晶体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。

四、活化定义

蓄电池的活化是通过对蓄电池多次充放电提高其能力的一种方式。由于蓄电池组在长期串联充放电运行过程中，绝对一致的充、放电电流和绝对不一致的单体蓄电池端电压，对长期积分所造成的单体蓄电池充电能量的差异越来越大导致有些单体蓄电池长期过饱和充电或长期亏电，容量和寿命均受到很大的影响。另外由于没有有效的维护方法及手段，蓄电池的寿命也锐减。因此有必要对蓄电池进行定期活化，弥补日常管理中的不足。

五、活化步骤

1.材料及工具准备

临时备用蓄电池组、电解质、纯水，真空泵、抽吸组合器、PP塑料桶、电液式比重计、PP塑料提桶、塑料勺、塑料量筒、烧杯、酒精柱温度计、数字万用表、电磁炉、电子秤、移动电缆盘、提液式比重计、内阻仪、放电机、充电机、扳手等相关装拆工具、铜锈等清理污物用的工具和器皿等等。

2.活化前检查

检查环境温度、环境通风、临时备用蓄电池组荷电处于充足电状态，并将扳手等长柄相关装拆工具的把手端用绝缘包布包紧，以防电池短路。

3.操作过程

（1）电池组退出前，先要做的事项

①系统电池组本身是“双”组互备配置的，系统先均衡充电一次（若系统充电机本身只有一种浮充电方式除外），选出相对差的电池组退出系统（同时保证了在线那组充足了电）。在均衡充电电压稳定后，检查、记录单体电池的电压、电解液比重、液面，为下步活化作准备。②系统电池组本身是“单”组配置的，系统电池组先均衡充电（若系统充电机本身只有一种浮充电方式除外），在均衡充电电压稳定后，检查、记录单体电池的电压、电解液比重、液面，为下步活化做准备。③同时把临时备用蓄电池组按系统电压等级串联成组，并检查电池单体正负极性、和整组极性须于系统电池组正负极性一致。正确后，并联接入系统。

（2）系统电池组退出后按下列顺序操作

①系统电池组先均衡充电。②检查、记录单体电池的电压、电解液比重、液面。③在均衡充电时补水液至略低于上液面线。④调整电池的电液比重1.20g/ml。⑤均衡充电目标电压1.52～1.55V/单体。⑥采用5小时率放电，终止电压1.0V/单体。正常不宜采用大电流，短时间放电方法，以更好地活化极板，进一步提升容量。⑦如⑥步全放电容量不合格，则再做一次全充全放电。⑧如⑥、⑦步全放电容量合格，则放电后直接拆除连接排。清洁电池外表，清洁极柱与连接排上的“爬碱”金属锈。⑨重新连接联结排，电池极柱与连接线涂上凡士林。检查连接排紧固。⑩恢复充电。以上状况和参数都应记录。收集废液、污垢进专用箱，送到陆地处理。

如系统电池放电不合格，则需彻底活化，即更换电解液后再进行两次以上的充放电。如果容量还是无法恢复到额定的80%，则必须考虑更换蓄电池。