浅谈内燃机车用阀控式密封铅酸蓄电池

1、浅谈内燃机车用阀控式密封铅酸蓄电池使用寿命及可靠性 (广东省广梅汕铁路有限责任公司龙川机务段技术科 黄水泉）摘要：对阀控式密封铅酸蓄电池的制造工艺与使用方面进行了分析与探讨，提出了阀控铅酸蓄电池寿命与安全可靠性的一些问题焦点，提出了新的充电器的设计原理。关键词：蓄电池 充放电 寿命 可靠性 新型充电器课题来源：阀控式密封铅酸蓄电池（VRLAB）伴随进口的国外电信设备一起进入中国市场已有约十年历史了，在铁路系统使用也有七八年历史，而今中国大陆及世界各地遍布阀控式密封铅酸蓄电池的生产厂家。然而，在实际应用当中，阀控式密封铅酸蓄电池不断出现新的问题，特别是阀控式密封铅酸蓄电池的使用寿命及安全可靠性始

2、终是用户和厂家关注的焦点。笔者段内有深圳华达、长沙丰日、苏州华源、武汉七一二所等厂家阀控式密封铅酸蓄电池，使用寿命达6年很少，使用寿命大部分在4年左右，使用寿命区区只有2年多的也有相当一部分。笔者从事蓄电池的技术管理工作，现提出几点不成熟的想法，仅供与蓄电池相关行业的工程技术人员及现场作业人员参考。 1.阀控式密封铅酸蓄电池发展历史1982年，阀控式密封铅酸蓄电池诞生（其实最初的碱性可充电电池等，早已具有阀控式功能）；1985年，美国GNB公司开发、研制出大容量阀控式密封铅酸蓄电池，由于其免维护（不加电池水）、安全性好（无外逸气体）及紧凑设计（相对传统满液式开口电池，占地空间少），立刻受到电信

3、行业的欢迎（电信行业的现代化电子设备对环境要求较高，而阀控式密封铅酸蓄电池可与电信设备同处一室）。1995年，美国“费城科技”（PhiladephiaScientific）发表研究报告，建立了以电池水损失为阀控式密封铅酸蓄电池寿命的判定依据，即当阀控式密封铅酸蓄电池内10的水分散失后，使电池实际容量降至额定容量的80以下时，称电池的使用寿命已到期。许多厂家接受了此标准，并根据此标准制造电池，加酸、加水及密封，以期达到20年设计寿命。然而19951996年，欧美各国最先使用阀控式密封铅酸蓄电池的电信用户开始投诉阀控式密封铅酸蓄电池的可靠性不稳定，主要问题有浮充电流增大、极板腐蚀、容量下降、充电热

4、失控及电池干涸等。1997年在布达佩斯（Budpest）电联会议上（TelesconConference）才发现阀控式密封铅酸蓄电池的电化学设计上有缺陷。电池失效问题很多是由于负极板自放电效应造成的。同样，虽然氧气的循环复合可不必加电池水，但会引起自放电效应及容量下降，早期的阀控式密封铅酸蓄电池容量甚至降到65Ce以下。1998年之后，针对上述设计缺陷，许多厂家开发出了阀盖上加钯催化剂的新型阀控式密封铅酸蓄电池。2000年，新型的添加催化剂金属钯的阀控式密封铅酸蓄电池大量问世，它改进了密封工艺，强化了壳盖设计，力图解决阀控式密封铅酸蓄电池负极板自放电，这一缩短电池寿命的根本缺陷。2.国内内燃机

5、车用阀控式密封铅酸蓄电池使用寿命情况阀控式密封铅酸蓄电池失效或电池寿命提前终止（不到6年或机车一个大修期设计寿命）有多种原因。相对开口电池而言，阀控式密封铅酸蓄电池的理论要点主要有：1）阴极吸收式电池（因此负极板比正极板多一块，易于吸收氧气）；2）阀控式电池（内部压力由特制安全阀控制，易于气体复合）；3）密封式电池（特殊材料外壳，特别密封，因而水分不会逸出）；4）H抑制式电池（特制负极板，使得H离子不会析出或少析出，不会变成H2逸出）。现在看来，上述要点均有局限性，导致制造上差异大，产品质量存在问题，使电池的设计寿命及可靠性指标令人难以信服。换个角度来思考：1）负极板比正极板大多少，可使吸收氧

6、气最佳？2）安全阀控制的电池内部压力值为多少，最易于气体复合？3）如何特别密封，可使水分不会逸出？4）如何特制负极板，使得H离子不会析出或少析出？对以上问题，生产厂家各有不同的看法和作法。目前，各种阀控式密封铅酸蓄电池现场使用的结果表明，好的阀控式密封铅酸蓄电池运行已超过6年以上（华达及丰日早期电池在龙川机务段），但许多电池都在4年左右开始出现容量下降失效，有的产品在设计上有缺陷，使用只有区区2年不到，甚至才几个月，频繁出现各种各样故障。事实上，从第一只阀控式密封铅酸蓄电池开发出来至今，也不到9年时间，质量承保期也只是理想概念，并不是实践数据。尽管今天阀控式密封铅酸蓄电池在结构设计与使用原材料

7、方面比过去有了很大的改进，性能有了相当大的提高，许多设计和用料精良的内燃机车用免维护阀控式密封铅酸蓄电池浮充使用的理论寿命为6年以上，但真正能在使用中达到如此寿命的电池是少之又少。通过调查发现，很少能达到以上水平，大部份二至四年就夭折了，究其原因，笔者认为除以上电池设计不完善外还有以下几点：1）充电设备的设计不够完善。2）阀控式密封铅酸蓄电池放电后得不到及时的补充电，特别是过放电对电池造成致命之伤。3）少数厂家的产品质量低劣，以次充好。以上原因，笔者认为2）、3）从技术上讲是比较容易预防和做好的，唯1）牵涉比较难以解决的技术问题，下面着重谈谈这方面存在的问题。3. 阀控式密封铅酸蓄电池的充电技

8、术要求厂家提供的阀控式密封铅酸蓄电池保证使用寿命的技术指标是在环境温度为25下给出的。由于单体阀控式密封铅酸蓄电池电压具有温度每上升1下降约4mV的特性，那么一个由48个单体电池串联组成的96V蓄电池，25时的浮充电压为108V；当环境温度降为0时，浮充电压应为112.8V；当环境温度升至40时，浮充电压应为105.12V；当环境温度升至60时，浮充电压应为101.28V。同时阀控式密封铅酸蓄电池还有一个特性，当环境温度一定，充电电压比要求的电压高100mV，充电电流将增大数倍，因此，将导致电池的热失控和过充损坏。当充电电压比要求电压低100mV时，又将使电池充电不足，也会导致电池损坏。另外阀

9、控式密封铅酸蓄电池的容量也和温度有关，大约是温度每降低1，容量将下降1，所以厂家要求阀控式密封铅酸蓄电池的使用者在夏天电池放出额定容量的50后，冬天放出25后就应及时充电。显然，日常使用中的阀控式密封铅酸蓄电池不可能长期处在25的环境中，一日中尚有早、中、晚的温差变化，更何况一年中还有春、夏、秋、冬四季更大的温差，机车上的温度变化更不用说了，因此目前市面上普遍使用的各种晶闸管整流型、变压器降压整流型、以及一般的开关稳压电源型的阀控式密封铅酸蓄电池充电器，以恒压或恒流方式对电池进行的充电，是无法达到阀控式密封铅酸蓄电池补充充电所需要满足的严格技术要求；机车上也只是粗略的恒压充电方式，更加无法达到

10、阀控式密封铅酸蓄电池补充充电所需要满足的严格技术要求。纵观过去所采用的这些对阀控式密封铅酸蓄电池充电的方法，以及根据这些方法开发的阀控式密封铅酸蓄电池充电器，我们不难看出，其技术是不够完善的，用这些产品给阀控式密封铅酸蓄电池充电，势必直接影响阀控式密封铅酸蓄电池的使用寿命，同时这些充电器还存在着工作电压适应范围窄、体积大、效率低、安全系数差等问题。4. 启示与思考1）科学技术是不断向前发展的，阀控式密封铅酸蓄电池必将有新的发展，理论与实际使用寿命差距将会缩短。2）电池生产厂家应及时了解行业最新动态，切忌盲目跟风，一窝蜂做同类产品（例如，极板生产厂家同一类型极板被数十家电池组装厂通用，何有质量高

11、下？）估计阀控式密封铅酸蓄电池厂家会面临新的一轮淘汰，如同开口电池厂的淘汰一样。3）电池的寿命不宜盲目宣传长达6年或机车一个大修期，甚至更长，并无实验证据支持。其实影响寿命的原因有阀盖的制作、阀压的设定、极板的制造等厂家原因，也有过充电、欠充电、高温等使用原因，还有负极板去极化的阀控式密封铅酸蓄电池理论局限性。4）电池的安全可靠性，任何电池在不适当条件下贮存、运输、使用过程中均可能发生危险，包括逸出有毒气体（事实如此）爆炸、漏酸液等。5.对策自然平衡充电器现在简要介绍一下蓄电池充电新法自然平衡充电法。何为蓄电池充电的自然平衡法？请看图1所示蓄电池充电的连接简图。 EAEB+-+-图1 自然平衡

12、充电原理简示图图1中有二个电源EA、EB，当电源EA与电源EB处在同一环境温度下，正极和正极相连接，负极与负极相连接，在它们所形成的闭合电路中，存在着如下的关系，如果EA高出EB，EA将向EB提供EAEB=E的电压，同时将按E的大小，提供一i电流向电源EB流通和灌注，当EB吸收EA提供的i电流，使EB上升到完全等于EA时（在蓄电池中表现为，蓄电池端电压的上升和电荷存储量的增加），电源EA将停止向电源EB提供电流，也就是EA=EB，E=0，i=0。在上面描述中，我们把EB换成被充电的蓄电池，算出在不同放电深度与环境温度下，蓄电池对应的电压。将EA精心设计成不同环境温度下，能按蓄电池充电平衡需要，

13、自动调节输出电压和电流的电源，与之对应连接。完全理想化的情况下，电源EA能根据蓄电池在任一环境温度下，能够接受的电流，对电池进行充电，电池充足电后，E=0，i=0，EA电源将不再消耗功率，此后，EA只随环境温度的变化，对被充蓄电池提供跟踪平衡补偿，由于蓄电池充电的整个过程完全是自动完成的，所以我们称之为自然平衡法。此方法完全理想化的情况是：蓄电池在充足电后，EA与被充电的蓄电池EB之间的电压差E=0，自然也就i=0，由于EA无功率供给蓄电池（EB），所以蓄电池电解液不可能产生沸腾，也不可能使蓄电池内电解液中的水分解，更不可能使蓄电池内的压力和温度升高，产生安全隐患。因此，该方法提供给蓄电池的是

14、既不会使蓄电池过充电，也不会使蓄电池充电不足，而是更方便，更安全，更可靠的充电。从上面的分析中，我们不难看出，该方法特别适合免维护与少维护阀控式密封铅酸蓄电池的维护性充电，更能适应那些间歇性放电使用的蓄电池日常维护充电，有利于提高蓄电池日常使用中的可靠性，提高蓄电池的使用寿命。6.结语1）阀控式密封铅酸蓄电池在环境温度变化时对其充电设备有苛刻要求。由于目前的充电设备在设计上的缺陷，因此影响了蓄电池的正常使用寿命。2）对阀控式密封铅酸蓄电池内部设计如何去进行改进，从原材料到各部件制造工艺，都直接影响蓄电池的正常使用寿命。3）由于阀控式铅酸蓄电池是新型的产物，在设计、维护、使用等方面存在改进空间，延长使用寿命和提高可靠性有广泛的前景，笔者就现阶段生产的阀控工密封铅酸蓄电池充电设备方面提出自己的见解，和同行一起共同探讨和交