掌握铅酸电池系统：基础、选择和维护

介绍：铅酸电池的持久力量

尽管新型电池技术的浪潮不断涌现，铅酸电池仍然是全球电信、公用事业和不间断电源系统备用电源的支柱。它的技术可以追溯到1859年，当时加斯顿·普朗特将铅片浸入硫酸中，制造了第一个可充电电池。更令人惊讶的是，这个概念可以追溯到2000年前的“巴格达电池”——一个包含铜筒和铁棒的陶罐，可以产生近2伏的电压。

图1：巴格达电池

今天，基本的化学反应大致上没有改变，但工程设计已经发生了显著变化。对于技术员和设施经理来说，理解这些基础知识不仅仅是学术问题——它是预测性维护的基础，也是防止灾难性故障的关键。

1. 电池结构和化学原理

从根本上讲，一个铅酸电池单元大约产生2伏电压。它由两个不同的电极浸没在电解质（硫酸）中组成。

图2：电池结构和化学原理

• 正极板：二氧化铅 (PbO2) – 健康时为深巧克力棕色或黑色。
• 负极板：海绵铅 (Pb) – 颜色为灰色。
• 电解质：稀硫酸 (H2SO4)。

放电循环 在停电期间，电池放电。正负极板都转化为硫酸铅(PbSO4)，酸液变成水。当硫酸铅层在极板上生长时，电池的电压下降。

充电循环 充电会逆转这个过程。铅硫酸盐会重新转化为铅二氧化物和铅膏，水会变成硫酸。

• 如果电池长时间处于放电状态，硫酸铅晶体会变硬。这种“硫化”是永久性的，是容量损失的主要原因。
• 监测注意事项：这就是为什么跟踪放电深度和持续时间至关重要；一旦出现硫酸化，电池的内阻会上升，这可以通过现代监测系统检测出来。

图3：放电/充电循环

网格合金因子

“网格”支持活性材料并传导电流。用于制造该网格的合金决定了电池的行为：

• 铅钙：备用电源的标准。它具有低水耗、低自放电和稳定的浮充电流。
• 铅-锑/硒：较早的技术。非常适合循环，但随着时间的推移会遭受“中毒”，导致高水消耗和频繁的维护要求。

图4：浮子电流比较

2. VLA 与 VRLA：理解差异

行业将电池分为两大类：有通风的铅酸（VLA）和阀控式铅酸（VRLA）。

VLA（淹没/湿电池） 这些是传统的放在透明玻璃瓶中的电池。它们可以自由地排放氧气和氢气。

• 优点：最长寿命（20多年），更容易排除故障（你可以看到板子），极其可靠。
• 缺点：需要定期浇水，特定通风，防止溢出，并占用更大的空间。

VRLA（密封/免维护） 这些电池是密封的，除了一个压力释放阀。它们使用一个再组合过程，其中产生的氧气和氢气在电池内重新组合成水（效率约99%）。

图5：VLA/VRLA比较

• 类型:
  • AGM（吸收玻璃纤维隔板）：酸液储存在类似海绵的玻璃纤维 mat 中。高功率密度，广泛应用于 UPS。
  • 凝胶：酸与二氧化硅混合形成固体凝胶。更好的热性能，通常用于恶劣环境。
• 优点：紧凑，无需浇水，所需通风极少。
• 缺点：寿命短，对热敏感，”干涸“（永久性失水）是最大的故障模式。

注意：由于你无法打开罐子添加水，监测内阻/导电性是检测在负载下降之前是否缺水的唯一可靠方法。

3. 应用特定设计

并非所有的电池都是一样的。为电信机房设计的电池在数据中心的不间断电源中会过早失效。

图6：电池

申请	放电特性曲线	电池特性
电信	持续时间长（4-8小时），循环次数少。	更厚的正极板和高电解液量，专为长时间、缓慢的放电设计。
联合包裹速递服务公司	高强度，短时间（通常为15分钟）。	薄板紧密排列在一起，以最大化表面积，实现快速能量释放。
公用设施/开关设备	尖峰占空比（长时间排水 + 短暂的高电流脉冲）。	平衡设计。必须能够处理1分钟的短路和多小时的负载。

4. 收费的艺术

正确的充电是电池寿命的单个最重要因素。

浮充 这是正常工作模式。充电器提供的电流足以克服电池的自然自放电。

• 危险地带:
  • 欠充电：导致硫酸盐化。
  • 过充电：会导致“正极板腐蚀”（板子真的会生锈）和水损失（气化）。

温度补偿 电池是化学装置，而热量会加速化学反应。

• 经验法则：每上升15°F到18°F（8-10°C），电池寿命减半。
• 充电器必须进行温度补偿。随着温度的升高，充电电压应降低（约每华氏度降低2.8毫伏），以防止热失控。
• 监测提示：环境房间温度通常不足。传感器应放置在电池的负极以捕获串的真正内部温度。

图7：温度与电池寿命的关系

交流电纹波 从充电器来的脏电源（交流电纹波）会产生内部加热并加速老化。它像微循环一样磨损活性材料。

5. 安装和维护最佳实践

处理和安全

• 切勿通过端子板提升电池。这会破坏内部密封并使保修无效。
• 使用绝缘工具以防止短路
• 化学警告：切勿在电池箱上使用石油基润滑剂或清洁剂。它们会与塑料反应并导致应力裂纹。仅使用批准的硅脂（例如，NO-OX-ID）。

扭矩至关重要松动的连接会导致高电阻和发热量，可能会熔化端子（这是灾难性的故障）。始终使用校准过的扭矩扳手并遵循制造商的规格。

图8：不当连接扭矩

目视检查：技术员的最佳工具 高科技仪表很有用，但眼睛和手电筒是不可替代的。寻找：

• 沉积物：VLA罐底部是否有堆积物？
• 颜色：健康的正极板是深巧克力棕色。淡色或白色板表明硫化。
• 形状：膨胀的VRLA电池罐表明过充电或热问题。
• 腐蚀：端子上的白色粉末表明密封泄漏。

图9：目视检查

容量测试 虽然放电测试是获取电池真实容量的唯一方法，但在经济上往往不可行。通过内阻监测健康状态（SOH）可以提供每日的健康趋势，提前数月提醒您电池的退化，而不需要每年进行放电测试。

• IEEE标准：IEEE-450（VLA）和IEEE-1188（VRLA）建议在前两年内进行性能测试，然后在预期寿命的25%间隔进行测试，并且当电池容量降至85%时每年进行一次测试。
• 寿命终结：当电池达到其额定容量的80%时，被认为失效。

结论

铅酸电池具有韧性，但它们不是永恒的。它们是“牺牲性”设备，每天使用都会逐渐劣化。通过了解您应用的具体需求——无论是不间断电源的高电流需求，还是电信站点的长期稳定性——并严格遵守维护计划或持续监测结合年度目视检查，您可以确保在停电时，您的电力不会中断。