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技術資訊

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圖解蓄電池工作原理
發布時間:2021-11-05      來源:本站原創

   在數據中心和通信行業,會用到很多蓄電池,這些蓄電池可作為交流不間斷電源系統、直流電源系統備用電源,又可作為油機等起動動力電源,還可作為高壓配電系統中的直流操作及控制電源。當外部交流供電突然中斷時,蓄電池作為系統供電的后備保護,將擔負起對負載繼續供電的任務,從而保證了數據中心設備的正常工作。

  一、鉛酸蓄電池結構

  蓄電池主要由正極板、負極板、電解液、隔板、電池槽和安全閥等組成,結構如下圖1所示。

  二、鉛酸蓄電池工作原理

  “雙極硫酸鹽化理論”最能說明鉛酸蓄電池工作原理,鉛酸蓄電池在放電時,正負極的活性物質均變成硫酸鉛(PbSO4),充電后又恢復到原來的狀態,即正極轉變成二氧化鉛(PbO2),負極轉變成海綿狀鉛(Pb)。如下圖2所示。

  2.1蓄電池放電

  電流從正極經外電路流向負極,再由負極經內電路流向正極,電池向外電路輸送電流的過程,叫做電池的放電,圖3。

  圖3 蓄電池放電

  在放電過程中,兩極活性物質逐漸被消耗,正極二氧化鉛(PbO2)和負極鉛(Pb)放電過程中兩極都生成了硫酸鉛,隨著放電的不斷進行,硫酸逐漸被消耗,同時生成水,使電解液的濃度逐漸降低,圖4(PbSO4)。

  圖4 蓄電池放電過程

  2.2蓄電池充電

  放電以后,外來直流電源以適當的反向電流注入,這種反向電流使活性物質還原的過程叫做充電。鉛酸蓄電池的充電反應是放電反應的逆反應,正負極板上的硫酸鉛分別變成二氧化鉛和海綿狀鉛,電解液中的水分子不斷消耗,硫酸分子不斷生成,電解液密度不斷升高,圖5所示。

  圖5 蓄電池充電

  三、蓄電池裝配

  把正極板、隔板、負極緊密壓合在一起后,裝入電池殼體,連接極柱,安裝蓋板和安全閥后,注入稀硫酸,這樣就形成了一個電池,如圖6所示。

  圖6 電池裝配

  在電池的使用中,當電池的實際放電容量低于額定容量80%時,認為電池失效或者壽命終止。典型的失效模式為:電池失水、硫酸鹽化、板柵腐蝕、正極板腐蝕泥化脫落等情況會導致電池容量下降或者提前失效。

  4.1失水干涸

  電池充電后期存在副反應,電解水反應導致氣體析出;板柵腐蝕消耗水分;自放電消耗水分;當水分損失一定程度后,內阻增大,電池容量下降,圖7所示。

  圖7 電解液濃縮導致容量下降

  導致電池失水原因:充電電壓過高;充電電流大;電池內部溫度高;運行環境溫度高;電池密封不良(安全閥、端子、槽蓋);殼體裂紋等;

  4.2漏液

  電池組出現漏液,比如安全閥、極柱、槽蓋等部位出現液體溢出或堆積白色結晶體,如圖8所示。漏液經外殼流向電池架、下層電池,造成電池架腐蝕、甚至有可能造成下層電池短路,發生起火、爆炸情況。

  圖8 電池漏液

  產生的主要原因有:熱封、膠封工藝不良;安裝、搬運過程磕碰,導致電池密封性能破壞。中國電信在建設規范和維護規程中明確要求:新裝電池必須鋪設電池緩沖絕緣墊,電池室內宜安裝早期煙霧報警。

  4.3硫化(負極板鹽化)

  當蓄電池經常處于充電不足或者過放電后, 負極板的表面附著一層白色堅硬的硫酸鉛結晶體,充電后依舊無法轉化為活性物質,導致電池容量下降,這種現象稱為“不可逆硫酸鹽化”,簡稱“硫化”,如圖9所示。

  圖9 極板硫化

  硫化的原因:蓄電池長期充電不足或放電后沒有及時充電,部分PbSO4溶解后析出并在極板結晶形成硫化;電解液液面過低,使極板上部與空氣接觸而被氧化后硫化;長期過量放電或小電流深度放電,使極板深處活性物質的孔隙內生成PbSO4。

  4.4極板腐蝕

  電池極板發生腐蝕,導致電池失效。

  極板柵腐蝕的因素:參數設置不合理,充電電壓過高,電池過充電,板柵腐蝕速率越快。電池使用環境溫度過高,腐蝕速度加快。電解液密度越高,板柵腐蝕速率越快。板柵合金材質不純,或鑄造工藝不合理,板柵內部存在氣孔。板柵厚度設計太薄,設計板柵厚度應高于3.0 mm。

  4.5熱失控

  電池工作環境溫度過高或充電電壓過高,沒有配置溫度補償功能,蓄電池內部溫度升高,電池內阻下降,充電電流又升高,電池內阻進一步降低 ,形成惡性循環,圖10為某蓄電池機房空調長時間故障導致電池熱失控起火案例。

  圖10 空調故障導致電池熱失控

  引起電池熱失控的原因:環境溫度過高;電池參數設置不合理,導致電池過充電。安全閥失效,電池內部壓力過大。電池安裝時,中間需要預冷散熱通道,最小不得少于10mm。

  4.6正極板泥化脫落

  泥化原因:電池充放電過程中,正極活性物質在PbO2和PbSO4之間轉化。正極反應物的體積變化,PbSO4體積是PbO2體積的2.68倍。正極活性物質是非常堅硬的網絡結構,正極活性物質的體積在不斷反復收縮和膨脹,就使二氧化鉛粒子之間的相互結合逐漸減弱,造成正極活性物質泥化。

  影響因素:頻繁放電,加速正極活性物質的體積膨脹和收縮,從而導致電池極板的快速軟化。參數設置不合理,電池過充電或過度放電,正極活性物質體積變化過大,加快活性物質軟化速率,提前失效。

  五、閥控蓄電池注意事項和使用壽命

  蓄電池在使用和維護時應注意“三防一及時”:防高溫、防過放電、防過充電、及時充電。中國電信規定:在正常使用及維護條件下,設備有效使用年限按下表1要求:

  表1 閥控電池使用壽命

  同時要求:對于已超過有效使用年限的蓄電池應退出A、B類機房。對于已超過有效使用年限的設備,經過檢測評估,性能仍然良好者并滿足運行質量要求,具有使用價值的,經過主管部門的批準,可繼續使用,但應增加維護檢查頻次以及時發現設備劣化變化。性能指標達不到要求的設備,應報廢和退網。

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