摘要：柴油发电机所用的启动电瓶一般为阀控式铅酸蓄电池，其基本特点是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，电池盖子上设有单向排气阀，该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值，即当电池内部气压升高到一定值时，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。阀控式铅酸蓄电池的设计寿命一般为10～15年。本文系统阐述阀控式铅酸蓄电池的浮充电流作用、端电压偏差特性、紧装配结构原理、温度影响及使用寿命等关键技术参数，为柴油发电机组启动电瓶的正确使用与维护提供技术指导。
一、阀控式铅酸蓄电池的基本结构与工作原理
阀控式铅酸蓄电池（VRLA，Valve-Regulated Lead-Acid Battery）是柴油发电机组启动电瓶的主要形式，其结构外形如图1、图2、图3所示。
蓄电池极栅主要采用铅钙合金，以提高其正负极析气（H₂和O₂）过电位，达到减少充电过程中析气量的目的。正极板在充电达到70%时，氧气就开始发生，而负极板达到90%时才开始发生氧气。在生产工艺上，一般情况下正负极板的厚度之比为6:4。根据这一正、负极活性物质量比的变化，当负极上绒状Pb达到90%时，正极上的PbO₂接近90%，再经少许充电，正、负极上的活性物质分别氧化还原达95%，接近完全充电，这样可使H₂O、O₂气体析出减少。
采用超细玻璃纤维（AGM隔板，Absorbent Glass Mat，即超细玻璃纤维隔板）或硅胶来吸储电解液，并同时为正极上析出的氧气向负极扩散提供通道。这样，氧一旦扩散到负极上，立即为负极吸收，从而抑制了负极上氧气的产生，导致浮充电过程中产生的气体90%以上被消除（少量气体通过安全阀排放出去）。这一“氧复合”机理是阀控式铅酸蓄电池实现密封免维护的核心技术基础。
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图1 电池盖方向俯视图 |
图2 阀控铅酸蓄电池侧面剖析图 |
图3 阀控铅酸蓄电池内部结构图 |
二、阀控式铅酸蓄电池的浮充电流作用
阀控式铅酸蓄电池在浮充运行状态下，浮充电流具有以下三方面作用：
（1）补充蓄电池自放电的损失。蓄电池在储存或闲置期间，即使未连接任何负载，内部也会因极板活性物质与电解液之间的化学反应而发生自放电，浮充电流可补偿这部分容量损失。
（2）向日常性负载提供电流。在柴油发电机组待机状态下，控制系统的监控模块、电池充电器、缸套加热器等辅助设备需从蓄电池汲取少量电流，浮充电流满足这部分用电需求。
（3）浮充电流足以维持电池内氧循环。当电池处于浮充状态时，正极析出的氧气通过AGM隔膜中的孔隙扩散至负极，被负极海绵状铅吸收，形成氧复合循环，从而维持电池内部的气体平衡，减少水分损失。
三、端电压的偏差特性
1. 动态偏差与静态偏差的定义
动态偏差在浮充运行初期较大。实际上，刚出厂的蓄电池可能因为部分电池中处于电解液饱和状态而影响了氧复合反应的进行，从而使浮充电压过高。电解液饱和的电池会因不断的充电使水分解而“自动调整”至非饱和状态，6个月后端电压偏差逐渐减小。但偏差较大也不排除与有的制造商制造质量有关。
2. 各行业标准对端电压偏差的规定
（1）中国GB 13337.1—Q1及德国DIN 43539—84规定：固定型电池静态偏差范围为电压平均值的+0.1～-0.05 V。
（2）邮电部YD/T 799—1996规定：静态时，最高电压与最低电压偏差为20 mV；动态时，最高电压与最低电压偏差不超过50 mV。
（3）电力部DL/T 637—1997规定：静态时，最高电压与最低电压偏差为30 mV；动态时，最高电压与最低电压偏差不超过50 mV。
3. 偏差控制的重要性
端电压偏差过大可能导致部分电池长期处于过充或欠充状态——过充会加速正极板腐蚀和水分损失，欠充则导致负极硫酸盐化，均会缩短电池使用寿命。在柴油发电机组启动电瓶组中，应定期测量各单体电池的端电压，发现偏差超出标准时应进行均衡充电或更换故障电池。
四、紧装配方式的结构原理
阀控式密封铅酸蓄电池的电解液处于贫液状态，即大部分电解液被吸附在超细玻璃纤维隔膜中，其余的被极板所吸收。为了保证氧气能顺利扩散到负极，要求隔膜和极板活性物质不能被电解液所饱和，否则会阻碍氧气经过隔膜的通道，影响氧气在负极上的还原。为了使电化学反应能正常进行，必须使极板上的活性物质与电解液充分接触，而贫电解液结构的电池只有采取紧装配的组装方式，才能达到此目的。
采用紧装配的组装方式有三个优点：
（1）使隔膜与极板紧密接触，有利于活性物质与电解液的充分接触，提高电化学反应效率。
（2）保持住极板上的活性物质，特别是减少正极活性物质的脱落。正极活性物质（PbO₂）在充放电过程中体积会周期性变化，紧装配可有效抑制活性物质的软化脱落，延长电池寿命。
（3）防止正极在充电后期析出的氧气沿着极板表面上窜到电池顶部，使氧气充分地扩散到负极被吸收，以减少水分的损失。这是维持电池内部氧循环的关键结构设计。
小容量阀控式密封铅酸蓄电池通常制成电池组，为内连接方式，安全阀上面有一盖子通过几个点与电池壳相连，留下的缝隙为气体逸出通道。所以在阀控式密封铅酸蓄电池盖上没有连接条和安全阀，只有正负极柱。
五、温度对阀控式铅酸蓄电池的影响
电池充电时其内部气体复合本身就是放热反应，使电池温度升高，浮充电流增大，析气量增大，促使电池温度升得更高。电池本身是“贫液”，装配紧密，内部散热困难，如不及时将热量排除，将造成热失控。浮充末期电压太高，电池周围环境温度升高，都会使电池热失控加剧。
温度每升高1 ℃，电池电压下降约3 mV/单电池，致使浮充电流升高，使温度进一步升高。温度高于50 ℃会使电池槽变形。温度低于-40 ℃时，阀控式铅酸蓄电池还能正常工作，但蓄电池容量会减小。
阀控式铅酸蓄电池由于结构问题对温度要求很高，为此，在设计充电设备时都考虑了温度补偿措施，但温度采样点的选取至关重要，它直接关系着补偿的效果。温度采样点有三处：
（1）蓄电池附近的空气温度——最容易实现，基本都采用此法，但这种方法很不准确，因为由于某种原因使蓄电池温度升高，但蓄电池温度的升高很难引起其附近空气温度的升高，因此这种补偿措施基本无效。
（2）蓄电池外壳的表面温度——最实际，也较容易实现，有企业根据第二处的采样设计温度补偿单元。此方法虽不能完全代表电池内部温度，但可较好地反映电池的热状态变化趋势。
（3）蓄电池内部电解液温度——最能反映蓄电池的实际情况，但较难实现，需要在电池内部预埋温度传感器，不适用于已投入使用的电池。
六、使用寿命与容量衰减
工业电池可分为两类：一类为深循环使用的电池，另一类为浮充使用的“备用电源”电池（柴油发电机启动电瓶）。循环使用的电池以深循环次数来表示其使用寿命，以0.8C₁₀深度充放电循环使用的电池，其寿命达到1200次以上；而浮充使用的电池，年限可达到10～12年，有的可达到15～20年。蓄电池只有80%容量时认为寿命终止。
在实际应用中，影响阀控式铅酸蓄电池寿命的主要因素包括：
（1）浮充电压的准确设定：浮充电压过高会加速正极板腐蚀和水分损失；过低则导致长期充电不足，负极硫酸盐化。对于12 V电池，浮充电压一般设定为13.5～13.8 V（25 ℃基准）。
（2）环境温度控制：电池房温度应保持在15～25 ℃之间。温度每升高10 ℃，电池寿命约缩短一半（阿伦尼乌斯定律）。
（3）放电深度控制：深度放电会加速活性物质软化和负极硫酸盐化。应避免启动电瓶深度放电超过额定容量的80%。
（4）定期维护性充电：长期处于浮充状态的备用电池，应每3～6个月进行一次均衡充电（提高浮充电压2～3 V，持续1～2小时），以消除极板硫化和均衡各单体电池电压。
总结
阀控式铅酸蓄电池作为柴油发电机组启动电瓶，通过铅钙合金极栅、AGM隔板紧装配结构和氧复合机理，实现了密封免维护运行。浮充电流承担补充自放电、维持氧循环和供给待机负载电流三项功能，其合理设定是保障电池长期稳定运行的关键。端电压偏差受制造工艺和使用初期调整的影响，应依据GB、YD、DL等标准定期检测。紧装配结构在保证氧复合效率、减少活性物质脱落和防止气体上窜方面具有重要作用。温度管理是阀控式铅酸蓄电池运行维护的核心——温度补偿需合理选择采样点（以外壳表面温度为佳），防止热失控。在正常浮充条件下，备用电源电池的设计寿命可达10～15年，但实际寿命受浮充电压精度、环境温度、放电深度和定期维护等因素综合影响。规范的温度管理、精确的浮充电压设定和定期的均衡充电是延长阀控式铅酸蓄电池使用寿命、保障柴油发电机组可靠启动的关键措施。
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