浅析影响航标用铅酸蓄电池使用寿命的主要因素

王永涛

(交通运输部东海航海保障中心连云港航标处，江苏 连云港 222042)



浅析影响航标用铅酸蓄电池使用寿命的主要因素

王永涛

(交通运输部东海航海保障中心连云港航标处，江苏 连云港 222042)

摘要:文中从阀控式铅酸蓄电池的工作原理及特点入手，分析了影响航标用铅酸蓄电池使用寿命的主要因素，并在此基础上提出航标用铅酸蓄电池的使用与维护建议。

关键词：阀控式铅酸蓄电池；过度充电；过度放电

在科学技术迅猛发展的今天，传统的防酸隔爆蓄电池逐渐被淘汰，浮动与固定航标系统中已广泛应用阀控式密封铅酸蓄电池。但阀控式密封铅酸蓄电池的较短使用寿命给浮动与固定航标系统的正常运行带来了隐患。通常情况下，阀控式密封铅酸蓄电池在比较恶劣的工作环境下仅有3年的使用寿命，远远达不到厂家规定的10年使用寿命的标准。航标用铅酸蓄电池过低的使用寿命导致航标能量系统可靠性降低，航标日常维护费用增加。资料表明，阀控式密封铅酸蓄电池的使用寿命与正确的使用维护方法密切相关。本文讨论了环境温度、过度充电和过度放电对阀控式铅酸蓄电池的影响，并对航标用铅酸蓄电池的使用和维护提出了建议。

1　VRLA蓄电池的工作原理及特点

VRLA蓄电池主要由外壳、隔板、汇流排、安全阀、正负极板、硫酸电解液、极柱端子等组成。阀控式铅酸蓄电池的正极活性物质为二氧化铅(PbO2)，负极活性物质为海绵状铅(Pb)，电解液为硫酸(H2SO4)，电极反应方程式[2]如下：

正极:PbO2+H2SO4+2H++2e-←→PbSO4+2H2O

负极：Pb+H2SO4←→PbSO4+2H2O

普通铅酸蓄电池的电极反应方程式则是：

Pb+PbO2+2H2SO4←→2PbSO4+2H2O

正极：H2O→1/2O2+2H++2e-

负极：2H++2e-→H2

从以上反应式可以看出，普通铅酸蓄电池在其充电过程中存在水分解反应，当充电达到一定电压时(一般在2.30 V/单体以上)，蓄电池正负极会分别放出氧气与氢气。由于氢、氧气析出，若反应中产生的气体不能重新复合利用，蓄电池就会失水干涸，因而需要定期进行补水维护，这是普通蓄电池自身存在的不足。阀控式铅酸蓄电池是在改进传统蓄电池缺点的基础上研制出的新产品，在材料及结构等方面有了明显的突破，表现在：

(1)普通蓄电池板栅合金通常在2.30 V/单体(25 ℃的环境温度)以上时会释放气体，而阀控式铅酸蓄电池在采用了多元优质板栅合金后，在2.35 V/单体(25 ℃)以上时释放气体，较普通蓄电池提高了气体释放的过电位，相对减少了气体释放量。

(2)阀控式铅酸蓄电池的负极比正极多出10%的容量，充电后期正极释放的氧气与负极接触发生反应生成水，使得负极在氧气的作用下处于欠充电的状态，因而不会产生氢气。这是VRLA蓄电池阴极吸收的明显优势。

(3)为了实现VRLA蓄电池正极释放氧气尽快流通到负极并化合成水的目的，就必须采用与传统蓄电池微孔橡胶隔板不同的超细玻璃纤维隔板。超细玻璃纤维隔板的孔率由橡胶隔板孔率的50%提高到90%以上，为氧气流通到负极提供了极大的便利。此外，超细玻璃纤维隔板还具有吸附硫酸电解液的功能，电解液不易溢出。

(4)阀控式铅酸蓄电池采用了密封式阀控滤酸结构，避免了酸雾溢出，有利于环保。

2　影响VRLA蓄电池使用寿命的因素

从以上内容得知，VRLA蓄电池无需再进行加水维护，但仍需加强其他维护措施，才能达到延长使用寿命的目的。因此，有必要对其使用寿命的影响因素进行分析。

阀控式蓄电池有独具一格的氧复合机理和阀控密封的结构，但也存在不足。其相比防酸隔爆蓄电池，在可靠性和鲁棒性上有所缺失，容易受过充、过放、渗液、环境温度过高及浮充电压过高等影响，降低蓄电池的使用寿命。

2.1　环境温度

环境温度是影响蓄电池使用寿命的重要因素，过高的温度环境会严重威胁到蓄电池的使用寿命。这是因为温度升高会加剧蓄电池的极板腐蚀，进而消耗掉更多的水，缩短电池的使用寿命。所以，蓄电池对使用环境温度有较为严格的要求，标准情况下，蓄电池使用温度不能高于25℃，若温度再升高，就会缩短电池的寿命。此外，浮充电压的合理范围与温度有着密切的关系，环境温度为25℃时浮充电压以13.44 V/单体为标准值，温度过高或过低都对标准浮充电压有影响，这时应引入温度补偿。温度补偿系数为：-3 mV/℃(以25℃为基点)，不同温度下浮充电压可通过下式来确定：

从上式可以看出，当环境温度为0 ℃时，标准浮充电压应为13.365 V。

2.2　过度充电

通常环境温度为25℃时，浮充电压在2.23～2.25 V/单体为合理的范围，相当于12 V航标用蓄电池充电电压为13.38～13.5 V。若蓄电池充电电压超过13.5 V(25℃)，则蓄电池内短时间产生的大量气体来不及被负极吸收，压力超过某个值时，单向排气阀便将其排出，导致蓄电池损失气体，容量降低。若蓄电池采用14.1 V(25℃)充电电压连续充电4个月后，就会出现热失控，导致容量下降，蓄电池外壳鼓包、漏气，最后只能报废。

航标用铅酸蓄电池由于并不是连续充电，而是每日充电10 h，所以充电电压过高导致的电池热失控现象并不明显，但影响仍然存在。如某航标其充电电压长期处于较高水平(14.5 V),此蓄电池在连续工作8个月后出现电池容量下降，表现为白天充电电压过高(20.98 V)，夜间工作电压过低(9.67 V)，严重削弱了此航标的助航功能，降低了其可靠性，航标失常随时都有可能发生。

2.3　过度放电

蓄电池浮充电压低于13.38 V时，浮充电压过低，而蓄电池长期为负载供电。此时蓄电池正极PbO2氧化反应能够完成，但是负极不能完成氧复合，Pb还原的不够彻底，氧复合效率降低导致PbSO4长时间累积形成不可逆的晶体，负极逐渐钝化，蓄电池的内阻增大，电池的充、放电性能变差，最终导致蓄电池容量大幅衰减。若某航标充电电压长期低于12 V，最后电量逐渐降低，不能给负载供电。

3　航标用阀控式铅酸蓄电池的使用维护建议

3.1　测量浮充电压

浮充电压对蓄电池的寿命具有相当重要的影响。在航标能源系统中，一般通过太阳能电池板对蓄电池进行全浮充方式充电，因此浮充电压是蓄电池长期使用的充电电压。浮充电压过高或过低都会影响蓄电池的寿命，从而导致航标能源系统稳定性的下降。

目前航标遥测遥控系统中只对蓄电池的终端电压设置了报警界限，而对影响蓄电池工作稳定性的浮充电压(充电电压)并未给予足够关注。当蓄电池浮充电压长期处于不合理的范围而导致航标能源系统效用降低，甚至失效时，亡羊补牢为时已晚。因此笔者建议对太阳能电池板的浮充电压通过遥测遥控加以监控，每日网上航标巡检中密切监视浮充电压，认真记录航标蓄电池的相关参数，重点是充电电压与环境温度，通过记录的数据来了解航标蓄电池的使用情况。一旦发现蓄电池充电电压超过合理范围，应将其列入观察名单，找出原因并及时处理。

3.2　均衡充电

均衡充电是指对长期搁置和长期浮充电的蓄电池进行补充电。均衡充电应在合理的VRLA蓄电池的充电电压和环境温度下进行[3]：

(1)将充电电压调到2.33 V/单体(25℃)，充电30 h;

(2)将充电电压调到2.35 V/单体(25℃)，充电20 h;

以上是VRLA蓄电池均衡充电的两种方法，通常情况下选择第一种方法为最佳。从上述方法中可以发现，25℃的环境温度是非常重要的参数，在均衡充电过程中要引起极大的重视并自觉遵守。从理论上来讲，蓄电池的最佳使用温度应是15～25℃，因而尽量选择在凉爽的春秋季节对蓄电池均衡充电，以延长蓄电池使用寿命。当然，在条件允许的情况下，使用方可以为VRLA蓄电池安装空调，保持室内温度在25℃,促进蓄电池使用功能的更好实现。当环境温度高于25℃时，充电电压应相应降低，反之则相应提高。通常环境温度降低或提高的幅度为每变化1℃，增减0.003 V/单体。因此在环境温度每变化5℃时，可适当调速充电电压。

3.3　电导检测

国际上采用电导测试技术来检测蓄电池的内阻，这成为了判断蓄电池实有容量的重要手段之一，蓄电

池电阻被公认为精准判断蓄电池健康状态的重要参数之一[4]。

电导测试技术在航标蓄电池检测中的应用，能真实的呈现出电池失效的正极板腐蚀、失水、负极板硫酸盐化等现象，并能快速发现因失水导致的内阻失效电池，因此电导测试可作为判断蓄电池性能及使用情况的重要手段。

3.4　其他维护措施

延长蓄电池的使用寿命，还应该通过创造恒温的使用环境和良好的通风及散热条件的方式进行维护。通常可以在安放蓄电池的场地内安装空调设备；蓄电池之间要保持不小于15 mm的间隙，以改善电池与环境媒介的热交换，同时电池与上层隔板间应保持不小于150 mm的间隙，以降低温升。

除此之外，在线缆安全过电流与散热条件下，还应该优先选择截面较粗的线缆，并尽量缩短其长度，避免不必要的线缆损耗。同时线缆之间的连接松紧度也应该仔细考虑。

4　结束语

航标能源系统是航标发挥效能的关键保障，而蓄电池与航标能源系统的稳定运行息息相关。因此航标能源系统制作商及使用方有必要加强对蓄电池使用寿命的技术研究，积累维护经验，最大限度地提高VRLA蓄电池的使用寿命。

参考文献：

[1]史相玲.蓄电池在线监测技术的研究[D].河北：河北农业大学，2009.

[2]高鹏，崔君莹，白瑞雪.阀控密封式铅酸蓄电池的原理及运行维护[J].电源技术应用，2009，(11)：23-25.

[3]贾立高. 阀控式铅酸蓄电池的使用和保养[J].西部广播电视，2005，(09)：32-42.

[4]李建军. 影响阀控式铅酸蓄电池使用寿命的原因及维护[J].中国科技信息. 2010，(20)：45-46.

运营探讨

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

中图分类号：TM912

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0132-02

作者简介：王永涛 (1983-),男,江苏徐州人，硕士，工程师，从事航标管理工作。

收稿日期：2014-12-26