图解铅酸蓄电池工作原理

文摘 2025-02-02 16:33 山东

在数据中心和通信行业，会用到很多蓄电池，这些蓄电池可作为交流不间断电源系统、直流电源系统备用电源，又可作为油机等起动动力电源，还可作为高压配电系统中的直流操作及控制电源。当外部交流供电突然中断时，蓄电池作为系统供电的后备保护，将担负起对负载继续供电的任务，从而保证了数据中心设备的正常工作。

01.

铅酸蓄电池结构

蓄电池主要由正极板

、

负极板

、

电解液

、

隔板

、

电池槽和安全阀等组成

，

结构如下图1所示

。

图1 蓄电池结构

02.

铅酸蓄电池工作原理

“双极硫酸盐化理论”最能说明铅酸蓄电池工作原理

，

铅酸蓄电池在放电时

，

正负极的活性物质均变成硫酸铅

（

PbSO4

）

，

充电后又恢复到原来的状态

，

即正极转变成二氧化铅

（

PbO2

）

，

负极转变成海绵状铅

（

）

。

如下图2所示

。

图2 蓄电池工作原理

1、蓄电池放电

电流从正极经外电路流向负极

，

再由负极经内电路流向正极

，

电池向外电路输送电流的过程

，

叫做电池的放电

，

图3

。

图3 蓄电池放电

在放电过程中

，

两极活性物质逐渐被消耗

，

正极二氧化铅

（

PbO2

）

和负极铅

（

）

放电过程中两极都生成了硫酸铅

，

随着放电的不断进行

，

硫酸逐渐被消耗

，

同时生成水

，

使电解液的浓度逐渐降低

，

图4

（

PbSO4

）

。

图4 蓄电池放电过程

2、蓄电池充电

放电以后

，

外来直流电源以适当的反向电流注入

，

这种反向电流使活性物质还原的过程叫做充电

。

铅酸蓄电池的充电反应是放电反应的逆反应

，

正负极板上的硫酸铅分别变成二氧化铅和海绵状铅

，

电解液中的水分子不断消耗

，

硫酸分子不断生成

，

电解液密度不断升高

，

图5所示

。

图5 蓄电池充电

03.

蓄电池装配

把正极板

、

隔板

、

负极紧密压合在一起后

，

装入电池壳体

，

连接极柱

，

安装盖板和安全阀后

，

注入稀硫酸

，

这样就形成了一个电池

，

如图6所示

。

图6 电池装配

04.

电池寿命和失效原因

在电池的使用中

，

当电池的实际放电容量低于额定容量80%时

，

认为电池失效或者寿命终止

。

典型的失效模式为：电池失水

、

硫酸盐化

、

板栅腐蚀

、

正极板腐蚀泥化脱落等情况会导致电池容量下降或者提前失效

。

1、失水干涸

电池充电后期存在副反应

，

电解水反应导致气体析出；板栅腐蚀消耗水分；自放电消耗水分；当水分损失一定程度后

，

内阻增大

，

电池容量下降

，

图7所示

。

图7 电解液浓缩导致容量下降

导致电池失水原因：充电电压过高；充电电流大；电池内部温度高；运行环境温度高；电池密封不良

（

安全阀

、

端子

、

槽盖

）

；壳体裂纹等；

2、漏液

电池组出现漏液

，

比如安全阀

、

极柱

、

槽盖等部位出现液体溢出或堆积白色结晶体

，

如图8所示

。

漏液经外壳流向电池架

、

下层电池

，

造成电池架腐蚀

、

甚至有可能造成下层电池短路

，

发生起火

、

爆炸情况

。

图8 电池漏液

产生的主要原因有：热封

、

胶封工艺不良；安装

、

搬运过程磕碰

，

导致电池密封性能破坏

。

中国电信在建设规范和维护规程中明确要求：新装电池必须铺设电池缓冲绝缘垫

，

电池室内宜安装早期烟雾报警

。

3、硫化

（

负极板盐化

）

当蓄电池经常处于充电不足或者过放电后

，

负极板的表面附着一层白色坚硬的硫酸铅结晶体

，

充电后依旧无法转化为活性物质

，

导致电池容量下降

，

这种现象称为“不可逆硫酸盐化”

，

简称“硫化”

，

如图9所示

。

图9 极板硫化

硫化的原因：蓄电池长期充电不足或放电后没有及时充电

，

部分PbSO4溶解后析出并在极板结晶形成硫化；电解液液面过低

，

使极板上部与空气接触而被氧化后硫化；长期过量放电或小电流深度放电

，

使极板深处活性物质的孔隙内生成PbSO4

。

4、极板腐蚀

电池极板发生腐蚀

，

导致电池失效

。

极板栅腐蚀的因素：参数设置不合理

，

充电电压过高

，

电池过充电

，

板栅腐蚀速率越快

。

电池使用环境温度过高

，

腐蚀速度加快

。

电解液密度越高

，

板栅腐蚀速率越快

。

板栅合金材质不纯

，

或铸造工艺不合理

，

板栅内部存在气孔

。

板栅厚度设计太薄

，

设计板栅厚度应高于3.0 mm

。

5、热失控

电池工作环境温度过高或充电电压过高

，

没有配置温度补偿功能

，

蓄电池内部温度升高

，

电池内阻下降

，

充电电流又升高

，

电池内阻进一步降低

，

形成恶性循环

，

图10为某蓄电池机房空调长时间故障导致电池热失控起火案例

。

图10 空调故障导致电池热失控

引起电池热失控的原因：环境温度过高；电池参数设置不合理

，

导致电池过充电

。

安全阀失效

，

电池内部压力过大

。

电池安装时

，

中间需要预冷散热通道

，

最小不得少于10mm

。

6、正极板泥化脱落

泥化原因：电池充放电过程中

，

正极活性物质在PbO2和PbSO4之间转化

。

正极反应物的体积变化

，

PbSO4体积是PbO2体积的2.68倍

。

正极活性物质是非常坚硬的网络结构

，

正极活性物质的体积在不断反复收缩和膨胀

，

就使二氧化铅粒子之间的相互结合逐渐减弱

，

造成正极活性物质泥化

。

影响因素：频繁放电

，

加速正极活性物质的体积膨胀和收缩

，

从而导致电池极板的快速软化

。

参数设置不合理

，

电池过充电或过度放电

，

正极活性物质体积变化过大

，

加快活性物质软化速率

，

提前失效

。

05.

阀控蓄电池注意事项和使用寿命

蓄电池在使用和维护时应注意“三防一及时”：防高温

、

防过放电

、

防过充电

、

及时充电

。

中国电信规定：在正常使用及维护条件下

，

设备有效使用年限按下表1要求：

表1 阀控电池使用寿命

同时要求：对于已超过有效使用年限的蓄电池应退出A

、

B类机房

。

对于已超过有效使用年限的设备

，

经过检测评估

，

性能仍然良好者并满足运行质量要求

，

具有使用价值的

，

经过主管部门的批准

，

可继续使用

，

但应增加维护检查频次以及时发现设备劣化变化

。

性能指标达不到要求的设备

，

应报废和退网。

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