蓄电池的基础知识及使用寿命和放电率

蓄电池按电解液不同可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两种。比较常用的有铅酸性蓄电池和镉镍碱性蓄电池。

（一）铅酸性蓄电池

1.铅酸蓄电池的结构及类型

铅酸蓄电池由含有二氧化铅成分的正极板、金属铅负极板、硫酸电解液、隔板、测温及防爆元件、外壳等组成；正、负极板经引线输出直流电源。其中：

（1）铅酸蓄电池的正负极板，依构造和活性物质化成方法可分为四类：涂膏式极板，管式极板，化成式极板，半化成式极板。涂膏式极板（涂浆式极板）由板栅和活性物质构成的；板栅的作用为支撑活性物质和传导电流、使电流分布均匀；板栅的材料一般采用铅锑合金，免维护电池采用铅钙合金；正极活性物质主要成分为二氧化铅，负极活性物质主要成分为绒状铅。

（2）隔板。电池用隔板是由微孔橡胶、颜料玻璃纤维等材料制成的。其主要作用是：防止正负极板短路；使电解液中正负离子顺利通过；阻缓正负极板活性物质的脱落，防止正负极板因震动而损伤。

（3）电解液。它的作用是传导电流和参加电化学反应；电解液是由浓硫酸和净化水（去离子水）配制而成的，电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响。

（4）电池壳、盖。一般由塑料和橡胶材料制成，它是装正、负极板和电解液的容器。

（5）排气栓。一般由塑料材料制成，对电池起密封作用，阻止空气进入，防止极板氧化。同时可以将充电时电池内产生的气体排出电池，避免电池产生危险；电池使用前，必须将排气栓上的盲孔用铁丝刺穿，以保证气体溢出通畅。

（6）蓄电池除上述部件外，还有链条、极柱、鞍子、液面指示器等零部件。

铅酸蓄电池产品有防酸隔爆式固定铅酸蓄电池（GF型、GGF型、GGM型、消氢式GGM型等）和全密封阀控式免维护铅酸蓄电池。

阀控式铅酸蓄电池的英文名称为Valve Regulated Lead Battery（简称VRLA电池）。铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾；电池盖上设有单向排气阀（也叫安全阀），当电池内部气体量超过一定值（通常用气压值表示），排气阀自动打开，排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内部。

目前，大型发电厂和变电站广泛使用的是免维护铅酸蓄电池。

2.铅酸蓄电池原理

当铅酸蓄电池正、负极板分别与外加直流电源的正、负极对应相连，且外加直流电源的电压高于蓄电池的电势时，蓄电池内部有充电电流，充电电流从正极板流向负极板。蓄电池充电时正、负极板化学反应式如下：

正极　　　　　　　PbSO4+2H2O→PbO2+4H++SO42-

负极　　　　　　　　　PbSO4+2e→Pb+SO42-

则充电时，正、负极板总化学反应式为：

2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+4H++2SO42-

蓄电池充电时，其正、负极板上的物质与硫酸电解液化学反应，将电能转换成化学能储存，电解液浓度上升。

当铅酸蓄电池正、负极板外加直流负荷对外放电时，蓄电池内部的放电电流从负极板流向正极板。蓄电池放电时正、负极板化学反应式如下：

正极　　　　　　　　PbO2+4H++SO42-→PbSO4+2H2O

负极　　　　　　　　　　Pb+SO42-→PbSO4+2e

则放电时，正、负极板总化学反应式为：

Pb+PbO2+4H++2SO42-→2PbSO4+2H2O

蓄电池放电时，其正、负极板上的物质与硫酸电解液化学反应，将化学能转换成电能供直流负荷用电，消耗了硫酸，析出水，所以电解液浓度下降，比重降低。

由铅酸蓄电池原理分析可知，酸蓄电池充、放电过程是一个可逆的化学反应过程，其可逆化学反应式为：

铅酸蓄电池在其充、放电时，电解液浓度发生变化，同时伴随氧气、氢气及硫酸气体产生；在日常维护时，需对铅酸蓄电池进行补酸、环境通风，蓄电池室需设较复杂的防酸和防爆设施，以防止环境污染及气体爆炸现象发生。因此，铅酸蓄电池使用寿命短，运行维护工作量较大。但铅酸蓄电池端电压较高、冲击放电电流较大，常用于向断路器跳、合闸的冲击负荷供电。

3.铅酸蓄电池部分主要技术指标及电气特性

（1）放电率。蓄电池放电至终止电压的时间称放电率，单位为h。铅酸蓄电池以10h为正常放电率，镉镍碱性蓄电池以5h为正常放电率；放电率小，放电电流大，它与蓄电池的容量密切相关。(www.xing528.com)

（2）蓄电池的容量。蓄电池的容量（Q）是蓄电池蓄电能力的重要标志。一般分为额定容量和实际容量两种。

额定容量是指充满电的蓄电池在25℃时，以正常放电率为时间所放出的电能，即

式中　QN——蓄电池的额定容量，A·h；铅酸蓄电池也可以用C10（A·h）表示，镉镍碱性蓄电池也可以用C5（A·h）表示；

IN——额定放电电流，即放电率所对应的放电电流值，A；

tN——放电至终止电压的时间，即正常放电率，h。蓄电池的实际容量指充满电的蓄电池非额定工况条件下，放出的电能，即

式中　Q——蓄电池的实际容量，A·h；

I——实际放电电流，A；

T——放电终止电压的实际时间，h。

蓄电池实际容量与放电电流的大小关系甚大，以大电流放电，到达终止电压的时间就短；以小电流放电，到达终止电压的时间就长。通常用放电率来表示放电至终止电压的快慢。放电率可用放电电流表示，也可用放电终止电压的时间来表示。

例如，额定容量为21.6A·h的蓄电池，若用电流表示放电率，则为21.6；若用时间表示，则为10。如果放电电流大于21.6A，则放电时间就小于10h，而放出的容量就要小于额定容量。若以2h放电率放电，达到终止电压所放出的容量只有额定容量的60%，即130A·h左右；若放电电流小于21.6A，则放电时间就大于10h，此时放出的容量就允许大于额定容量。

正常时，蓄电池不允许以过大的电流放电；但在几秒钟的短时间内，可以承受较大的冲击电流，例如，电磁操作机构的断路器在合闸操作瞬间，需用直流电源提供较大的能量。蓄电池都有其允许的最大放电电流值及对应允许的放电时间，一般不超过为5s。

（3）充电特性。当蓄电池端以恒定不变的电流（10h充电电流）进行连续充电时，其端电压与充电时间的关系如图7-3所示。

图7-3　蓄电池端电压与充电时间的关系曲线

铅酸蓄电池电压在充电过程中分三个阶段变化。在充电初期，正、负极板上立即有硫酸析出，电解液比重骤增，蓄电池的电势也随之快速上升；要维持恒定充电电流不变，电压在短时间内必须急剧升高，如图7-3中曲线12段。在充电中期，电解液比重的增加与扩散速度趋于平衡，蓄电池的电势增加缓慢；同时电解液内电阻逐渐减小，要维持恒定充电电流不变，只要缓慢增加外加电压，如图7-3中曲线23段。在充电末期，正、负极板上的硫酸大部分还原成二氧化铅和铅，同时大量的水被电解，正、负极板上释放氧气和氢气，使内电阻增加，要维持恒定充电电流不变，外加电压必须升高，如图7-3中曲线34和45段。当到达曲线5点，正、负极板上的有效物质已全部还原，电解液呈现沸腾现象，充电的能量用于电解水，充电时间无论多长，蓄电池的充电电压不再升高，电压稳定在2.7V左右，充电可以停止。

蓄电池停止充电后，由于无充电电流，其端电压立即降为2.3V；此后，随着正、负极板中电解液扩散，比重逐渐下降，蓄电池内部电解液比重均匀，蓄电池的电势变为2.06V左右稳定，即到达曲线6点。

（4）放电特性。当蓄电池端以恒定不变的电流（10h放电电流）进行连续放电时，其端电压与放电时间的关系如图7-4所示。

图7-4　蓄电池端电压与放电时间的关系曲线

铅酸蓄电池电压在放电过程中分三个阶段变化。在放电初期，正、负极板上电解液比重聚减，蓄电池的电势也随之快速下降；要维持恒定放电电流不变，电压在短时间内必须急剧降低，如图7-4中曲线12段。在放电中期，极板上生成的水与渗入电解液量趋于平衡，电解液比重下降速度变缓，蓄电池的电势也随之下降缓慢；同时电解液内电阻逐渐增大，电压缓慢下降，如图7-4中曲线23段。在放电末期，极板上的有效物质大部分还原成硫酸铅，硫酸铅把极板上的细孔堵塞，使电解液很难渗入细孔内，同时内电阻迅速增加，于是蓄电池电压也迅速下降，如图7-4中曲线34段。当到达曲线4点时，电压为1.8V左右，放电可以停止。如果继续放电，极板细孔内已无电解液，几乎全变成水，电势急剧下降，同时内电阻迅速增加，蓄电池的端电压快速降低，如图7-4中曲线46段。

蓄电池在曲线4停止充电后，由于无放电电流，其电势立即上升；此后，随着正、负极板中电解液的渗入，比重逐渐上升，蓄电池的电势回升到2.0V左右，即到达曲线5点。

（5）放电终止电压。它指蓄电池放电时，其端电压急剧下降到临界电压值，如图7-4中曲线4点的电压值。铅酸蓄电池规定的终止电压为1.8V，镉镍碱性蓄电池规定的终止电压为1.0V。

（6）自放电特性。充满电的蓄电池在空载运行时（或存放期间），由于自身原因发生电能损失现象称为自放电。自放电产生的主要原因为：电池极板含有杂质，在极板上形成局部小电池的两极，小电池的两极形成短路回路，由此产生短路电流使蓄电池自放电；其次，蓄电池中电解液各处密度不同，使电池极板各处产生的电势大小不等，在电池正、负极间又发生蓄电池自放电。自放电会使电池极板硫化（蓄电池长期处于放电或半放电状态，极板上就会生成一种白色的粗晶粒硫酸铅，正常充电时它不能转化为二氧化铅和绒状铅，这称为硫酸铅的硬化，简称硫化）。为防止电池极板硫化，一般发电厂和变电站对蓄电池定期进行均衡充电，补充因自放电造成的电能损失。

均衡充电是蓄电池组的特殊充电运行方式。在蓄电池组完成经常充电后，再延长充电时间，并以恒压充电；其恒压值高于经常充电电压，充电时间与均衡充电电压有关。另外，蓄电池组在长期使用期间，由于整流充电设备调整问题而产生低浮充电电压，或者整流充电设备监测仪表不准确等原因，使个别蓄电池未充满电。若不采取措施，将影响蓄电池效率和使用寿命。因此，也必须采用均衡充电方式，使每节蓄电池恢复充满电状态。

（二）镉镍碱性蓄电池

镉镍碱性蓄电池由氧化镍成分的正极板、金属镉负极板、隔板、电解液及密封外壳等组成。其中，正负极之间隔膜栅状板一般由热缩性塑料注射而成；电解液一般为氢氧化钾；外壳有铁质和塑料外壳两种。

镉镍碱性蓄电池工作原理与铅酸性蓄电池相似。当外加直流电源充电时，电池将电能转换成化学能储存；当外加直流负载放电时，电池将化学能转换成电能向直流负载供电。

根据放电电流与镉镍碱性蓄电池的额定容量C5（A·h）关系分为：低倍频型、中倍频型、高倍频型和超高倍频型四种类型。低倍频型镉镍碱性蓄电池的放电电流不大于0.5C5（A），中倍频型在（0.5～3.5）C5（A）之间，高倍频型不大于7C5（A），超高倍频型大于7C5（A）。超高倍频型镉镍碱性蓄电池的内阻小，瞬时放电倍率高达20～30。

镉镍碱性蓄电池具有对环境污染小（产生腐蚀性气体少）、使用寿命长、体积小及维护工作量小等优点，但其价格较贵，具有放电电流较小等缺点。中、小型发电厂的辅助车间和110kV以下的变电站，一般采用中倍频型镉镍碱性蓄电池。