温度对 VRLA 电池浮动寿命的影响

温度对阀控式铅酸电池的寿命有很大影响。 工作温度每升高 10°C，预期寿命就会减少一半。 下面给出的数字证实了这一事实。 Panasonic 的特定产品在 20°C 下的浮动寿命约为 10 年。 但在 30°C 时，寿命约为 5 年。 同样，40°C 下的寿命约为 2 年 6 个月[Figure 10 i

因此，如果消费者想要购买新电池，他应该考虑平均环境温度和该温度下的寿命。 如果他希望电池在 30 到 35 ^o C 下可以使用 5 年，那么他应该选择在 20 ^o C 下可以使用 10 年的电池。

图1 Panasonic VR产品不同温度下的浮子寿命
 

图 2 汤浅（英国）VR产品不同温度下的浮子寿命

 

英国标准 6240-4:1997 给出了寿命对 20 到 40°C 温度的依赖性。

VRLA 电池的循环寿命

与浮动寿命相比，VR 电池的循环寿命将更短，因为每个循环使用的活性材料量。 在浮动操作中，仅在电源中断时才要求电池供电。 但是，在循环模式下，电池每次放电到所需的放电深度（ DO D）并立即充电。 充电之后的这种放电称为“循环”。循环寿命取决于每个循环转换的材料量，即 DOD。 转化率越低，寿命越高。 下表显示了 Panasonic VRLA 产品在 60 % 和 80 % 容量寿命终止 DOD 的三个 DOD 级别的寿命。

表 2。 在 25 ^o C 的环境温度下，松下 VRLA 产品的大约生命周期为 60 % 和 80 % 的 3 个 DOD 寿命结束。 [改编自 https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/downloads/files/id_vrla_handbook_e.pdf第 22 页上的图]

• 温度和浮动电流

表3。 三种铅酸电池在不同温度下每节 2.3 V的浮动电流

图 19，第 22 页]

• 浮动操作适用性测试 [ IEC 60896-21 和 22:2004 ]

IEC给出了检查 VR 电池是否适合浮动操作的测试程序。 电池或电池应承受 V _Float的浮动电压，制造商应在 2.23 至 2.30 伏特每电池的典型范围内指定该电压。 应测量并记录每个电池或单体电池的初始电压。 3个月后，应测量并记录每个电池或单体电池的电压。 浮式运行6个月后，电池或单体应进行容量测试。 实际放电容量应大于或等于额定容量。

• 电池间浮动电压变化

由于固有的过程变量，单个电池或电池组的电压必然会在浮动工作电压范围内变化。 极板内部参数的微小差异，如活性材料的重量、活性材料的孔隙率、极板压缩和 AGM 压缩的差异、电解液体积的变化等，都会导致这种变化。 即使采用严格的质量控制步骤（包括单元操作中的材料和工艺控制），VR 产品仍显示出电池间的差异，从而导致浮动操作期间电池电压的“双峰”分布。

在具有过量溢流电解质的传统电池中，两个极板彼此独立充电。 氧气和氢气在硫酸溶液中的扩散率很低。 充电过程中产生的气体会离开电池，因为它们没有足够的时间与极板相互作用。

在 VRLA 电池中，氧循环现象使这幅图变得复杂。 与浸没电池的情况一样，正极板上会发生水分解；网格腐蚀也会发生。 尽管在浮充的早期阶段（由于非饥饿条件），一些氧气从 VR 电池中逸出，但在饱和度从最初的 90% 到 95% 降低到较低水平之后，就会形成气路。

现在，正极板上发生的水分解逆反应开始在负极板上发生：

PP遇水分解：2H ₂ O → 4H ⁺ + O ₂ ↑ + 4e ^– …………………………。 (1)

NP 上的 O ₂还原（= O ₂重组）：O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^– → 2H ₂ O +（热）…………… (2)

[2Pb + O ₂ + 2H ₂ SO ₄ → 2PbSO ₄ + 2H ₂ O+ 加热] ..…… (3)

从上述反应可以看出以下几点：

• 可以看出，最终结果是将电能转换为热能。
• 因此，当 VR 电池进入氧气循环阶段时，电池会变热。
• 氧气不会流失到大气中
• NAM 中的铅转化为硫酸铅，因此 NP 的潜力变得更加积极；这将导致防止析氢
• 为了补偿降低的 NP 电压，正极板变得更加正极，并且发生更多的氧气析出和腐蚀（因此施加的浮动电压不会改变）。 如此产生的氧气将在 NP 上减少，进一步经历极化，导致 NP 的电位更正。

正如 Berndt [D. Berndt，第五届 ERA 电池研讨会和展览，英国伦敦，1988 年 4 月，第 1 部分，论文 4。 2. RF Nelson 在兰德，DAJ；莫斯利，PT；加什。 Ĵ; Parker, CD(Eds.) Valve-Regional Lead-Acid Batteries, Elsevier, New York, 2004, Chapter 9 , page 258 et seq. ]。

表 4。 浮充：比较通风电池和 VRLA 电池的浮充电流、放热和散热

• 充气和充电电压

通常，在推荐浮动电压下的氧气循环效率将正极板产生的所有氧气重新结合到负极板的水，因此不会发生或可忽略不计的水损失，并且抑制了氢的析出。

但是，如果超过推荐的电压或电流，就会开始产生气体。 也就是说，氧气的产生超过了电池重组气体的能力。 在极端情况下，氢气和氧气都会释放出来，并且会发生水分流失，并伴随着更多的热量产生。

表 5。 凝胶电解质 VR 电池在不同浮动电压下的气体排放和浮动电流，170 Ah

图 17，第 21 页]

º 计算值

• 充电电压和电流

表 6。 凝胶和 AGM VRLA 电池的浮动电压与浮动电流

图 18，第 22 页]

表 7。 不同温度下富液钙、凝胶和 AGM VRLA 电池的浮充电流，每个电池浮充电 2.3 伏

图 19，第 22 页]

• 浮充电压、工作温度和寿命

在高于推荐的浮动电压的情况下过度充电会大大缩短电池的寿命。 此图表显示了过度充电凝胶电池对寿命的影响。

表 8。 凝胶电池的循环寿命百分比与充电电压的关系（每个电池的推荐充电电压为 2.3 至 2.35 V）

罗恩·D·布罗斯特 [罗恩 D. Brost，PROC。 第十三届年度电池大会。 Applications and Advances，加利福尼亚大学，长滩，1998 年，第 25-29 页。] 已报告在 12V 上循环的结果

VRLA (Delphi) 在 30、40 和 50 ^o C 时达到 80% DOD。电池在 25 ^p C 下每 25 个循环在 2 小时内进行 100% 放电以确定容量。 结果表明，30 ^o C 时的循环寿命约为 475，而在 40 o C 和 50 ^o C 时，循环寿命降至 360 和 135。

浮动电压、浮动温度和寿命之间的相互关系

图 3。 浮子寿命对浮子电压和浮子温度的依赖性

[Malcolm Winter，^第三届ERA 电池研讨会，1982 年 1 月 14 日，伦敦，（ERA 报告第 81-102 号，第 3.3.1 页。 到

• 浮充期间电解液体积和温度升高

充电期间的温升在富液电池中最小，在 AGM VR 电池中最高。 原因在于不同类型电池所具有的电解质体积。 下表说明了这一事实。 由于与 AGM 电池相比电解质体积更大，凝胶电池可以承受更深的放电。

表 9。 电池类型和电解质的相对体积

• 浮充上的电压分布

在浮充开始后，一串浮充式 VR 电池中的电压分布在不同时期会发生变化。 最初，当电池的电解质比饥饿状态多时，电池将承受更高的电压，而具有良好重组的电池将表现出较低的电池电压（由于负极板电位降低）；具有较高酸体积的电池将具有极化的负极板，该负极板将表现出较高的电池电压，从而导致析氢。

虽然所有单个电池电压的总和等于施加的串电压，但单个电池电压不会对所有电池都相同；有些电压（由于非饥饿状态和析氢）比施加的每个电池电压更高，而另一些电压较低（由于氧气循环）。 一个例子

Nelson [1. RF Nelson 在兰德，DAJ；莫斯利，PT；加什。 Ĵ; Parker, CD(Eds.) Valve-Regulated Lead-Acid Batterys, Elsevier, New York, 2004, Chapter 9, page 266 et seq . 2. RF Nelson，第 4 届国际铅酸电池研讨会论文集，美国加利福尼亚州旧金山，1990 年 4 月 25-27 日，第 31-60 页。]。

表 10。 48-V/600-Ah 阵列中 300 Ah 棱柱形 VR 电池的单个电池电压扩展数据以每个电池 2.28 伏的电压浮动。

[RF Nelson in Rand, DAJ;莫斯利，PT；加什。 Ĵ; Parker, CD(Eds.) Valve-Regulated Lead-Acid Batteries , Elsevier, New York, 2004, Chapter 9 , page 266 et seq ]

可以看出，有些电池可能会进入充气阶段（2.42 V），有些电池可能低于每个电池 2.28 V 的外加电压。

一些作者认为，电池电压在浮动操作的六个月内稳定，电池电压的变化将在平均值的 ±2.5% 以内。 这意味着对于 2.3 的平均值

VOLTS PER CELL，变化将在 2.24 – 2.36 的范围内（即，对于 2.3V 操作，60mV 更少或更多）。 [ Hans Tuphorn, J. Power Sources, 40 (1992) 47-61 ]

单击 “编辑” 按钮更改此文本。这是测试文本。

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图 4。 电池与新 370V UPS 电池电压的变化 电池浮动充电，浮动电压 = 2.23 Vpc

[Hans Tuphorn, J. Power Sources, 40 (1992) 47-61]

• 浮充和控制电池电压的重要性：

在浮充期间控制电池电压非常重要。 实验 在 48V/100Ah 电信 VR 电池上进行的测试说明了这一事实。

电池以每个电池 2.3 V 的电压浮动，电流为 0 。 4 – 0 。 6 mA/Ah和末端温度

细胞、中心细胞和周围环境是相等的）。 电池串的浮动电压为 2.3 V x 24 节电池 = 55.2 V。

表 11。 2.3 V 电信电池浮充 48 V，100 Ah电池，电流为0 。 4 – 0 。 6毫安/啊

[马修斯，K； Papp, B, RF Nelson，在Power Sources 12中，Keily, T； Baxter, BW(eds) International Power Sources Symp。 委员会，Leatherhead，英格兰，1989 年，第 1 – 31 页。]

上述数据表明，从热的角度来看，1 或 2 节电池的短路不会造成灾难性的后果。

前提是 VR 单元不用于虐待条件（例如， > 60°C 和高充电电流或高于每节 2.4 V 的浮动电压），它们不会排放 H2S 或 SO2 气体。 如果产生这些气体，周围的铜和黄铜部件以及其他电子部件将受到污染和失去光泽。 因此，必须监控浮子上电池的电池电压。

• 热失控

高浮动电压和浮动电流会导致更高的电池温度。 因此，良好的通风对于所有类型的电池都是必须的。 当 VR 电池内部产生的温度（由于氧气循环和其他因素）无法通过电池系统消散时，温度会升高。 当这种情况持续较长时间时，由于产生气体（O ₂和 H ₂ ），电解液干涸和温度升高将导致电池罐损坏并可能发生爆裂。

下图显示了热失控现象结果的一些示例：

图 5。 热失控效应

• 浮充电压与正极板腐蚀加速因子

充电电压与温度一样对 VRLA 寿命有很大影响。 正栅的腐蚀速率取决于极板保持的电位。 图 [ Piyali Som and

乔 Szymborski，PROC。 第 13 届年度电池大会 应用与进展，1998 年 1 月，加利福尼亚州立大学，加利福尼亚州长滩，第 285-290 页]表明栅腐蚀速率有一个最小值范围，即最佳极板极化水平（即 40 至 120 mV）。 该极板极化水平对应于最佳浮动电压设置。 如果正极板极化 (PPP) 水平低于或高于最佳水平，则栅腐蚀速率迅速增加。

图 6。 正栅腐蚀加速与正极板极化

[Piyali Som 和 Joe Szymborski，PROC。 第 13 届年度电池大会 应用与进展，一月

1998 年，加利福尼亚州立大学，加利福尼亚州长滩，第 285-290 页]

• 板电位和极化

浮动电压和正极板极化 (PPP) 之间的关系非常重要。图 7显示了四种不同温度下各种浮动电压的正极板极化 (PPP) 水平示例。 极化是与开路电压 (OCV) 或平衡电位的偏差。 因此，当 OCV 为 2.14 V（OCV 取决于用于填充电池的酸密度（OCV = 比重 + 0.84 V）的铅酸电池在 2.21 V 电压下浮动时，它被 2210-极化2140 = 70 毫伏。 最佳的极板极化水平在 40 到 120 毫伏之间。 建议的浮动电压为每节电池 2.30 V。

图 7。 浮动电压对正极板极化的影响示例 [Piyali Som 和 Joe Szymborski，Proc。 13日 年度电池大会 Applications & Advances，1998 年 1 月，加利福尼亚州立大学，加利福尼亚州长滩，第 285-290 页]

• 为汽车电池充电

如果想对汽车电池（或汽车启动器电池或 SLI）电池进行浮充，他应该选择还可以设置电流限制的恒电位充电器。 车载汽车系统旨在以改进的恒电位充电模式为汽车电池充电。 这种模式永远不会让电池超过设定的电压限制，因此是安全的。

汽车电池完全充电的持续时间取决于其充电状态，即电池是完全放电、半放电还是完全放电并且几个月不充电。

取决于充电器的额定电流（额定安培）和电池的容量，几个小时或超过 24 小时。

例如，如果充电器能够以 2 到 3 安培的电流为电池充电，则 12V、60 Ah 容量的汽车电池如果完全放电，可以在 25 到 30 小时内充电。

如果不知道Ah容量，可以通过以下几种方法查出容量：

1. 从电池上的标签
2. 从经销商处了解该特定汽车的电池型号。
3. 如果在电池上给出了备用容量 (RC) 额定值
4. 如果在电池上给出 CCA（冷启动电流）额定值（请参阅印度标准或任何给出 RC 和 CCA 额定值的启动器电池标准。示例 IS 14257）。

相应地，我们可以调整充电时间。

始终建议在充满电后将电池与充电器断开连接。 如果电池充满电，电压将保持恒定。 此外，充电器上的电流表将显示 0.2 至 0.4 安培恒定范围内的极低电流，持续两到三个小时。

• 浮充 LiFePO ₄电池

VR电池的充电与LiFePO ₄是电池在以下方面相似：

1. 第 1 阶段：两者都可以在恒流 (CC) 模式下开始充电（高达 80 % 的输入）
2. 第 2 阶段：一旦达到设定电压，切换到 CP 模式（完全充电）
3. 第 3 阶段：第三阶段是涓流充电（在 VR 电池的情况下是可选的，而在 LiFePO ₄电池的情况下则不需要，因为存在过度充电的风险以及伴随的两个电极上的有害反应）。

两种电池在第一阶段的区别在于充电电流。 在 LiFePO ₄电池的情况下，电流可以高达 1 C 安培。 但对于 VR 电池，建议最大为 0.4 CA。 因此，在 LiFePO ₄电池的情况下，第一阶段的持续时间将非常短，低至一小时。 但对于 VR 电池，此阶段在 0.4 CA 下需要 2 小时，在 0.1 CA 下需要 9 小时。

与第一阶段一样，在 LiFePO ₄电池的情况下，第二阶段也需要更少的时间（低至 15 分钟），而需要 4 小时（0.4 CA）到 2 小时（0.1 CA）。

因此，总体而言，LiFePO ₄电池需要大约 3 到 4 小时，而 VR 电池需要 6 小时（0.4 CA 和 2.45 V CP 充电）到 11 小时（0.1 CA 和 2.30 V CP 充电）

图 8。 Panasonic VR 电池在不同初始电流下以 2.45 V 和 2.3V 的恒定电压充电

笔记：

测试条件：

放电：0.05 CA恒流放电（20小时率）

截止电压：每节电池 1.75 V

充电：每节 2.45 V —————–

每个电池 2.30 V ___________

温度：20°C

图 9。 VRLA 电池充电曲线

 

图 10。 LiFePO ₄电池充电曲线

[https://www. power-sonic.com/blog/how-to-charge-lithium-iron-phosphate-lifepo4-batteries/]

如开头所述，涓流充电阶段对于 LiFePO ₄电池来说不是必需的。 在几个月的存储期后，VR 细胞可能需要它。 但是，如果设想在任何时候使用，VR 电池可以以每节 2.25 至 2.3 V 的电压进行涓流充电。

LiFePO ₄电池不应以 100% SOC 存储，如果它们在 180 天至 365 天的存储时间内放电和充电至 70% SOC 就足够了。

充电电压（例如，每节电池的最大值为 4.2 V）应控制在每节电池的 ± 25 至 50 mV 范围内，具体取决于电池化学成分、电池尺寸和制造商。 最初施加 1C 安培的电流，直到达到电池电压限制。 此后，CP 模式被打开。 当接近最大电压时，电流以稳定的速率下降，直到充电以大约 0.03 C 的电流结束，具体取决于电池的阻抗。 在 1 C 安培的初始电流下，锂离子电池可在 2.5 至 3 小时内实现完全充电。

一些制造商允许将初始电流增加到 1.5 C 安培。 但是制造商通常不允许 2.0 C 安培的初始电流，因为更高的电流不会明显减少充电时间。 [Walter A. van Schalkwijk 在锂离子电池的进展中， Walter A. van Schalkwijk 和 Bruno Scrosati (Eds.), Kluwer Academic, New York, 2002, Ch 15, page 463 et seq. ]

尽管 LiFePO ₄电池的充电时间很短，但应该注意的是，考虑到充电器的功率，这种充电器的投资将非常高。

实际上，我们可以以 100 安培（1C 安培）的电流为 100 Ah 锂离子电池充电，而等效 VR 电池的最大充电电流为 40 安培（0.4 C 安培）。 该电池的锂电池尾端电流为 3 安培，而对于 VR 电池，充电结束时的浮动电流约为 50 mA。 锂电池和 VR 电池的总充电时间为 3 到 4 小时，大约为 10 小时。

锂电池不需要涓流充电，而 VRLA 电池可能需要 3 到 4 个月后进行涓流充电。 VR 电池可以以 100% SOC 存储，而锂电池必须以低于 100% SOC 存储。

充满电的锂离子电池不应再充电。 提供给完全充电的锂离子电池的任何电流都会导致电池损坏。 可以容忍一点过度充电，但如果没有电池管理系统 (BMS) 的保护，极端条件会导致爆裂和起火

如需进一步阅读，请参阅https://battlebornbatteries.com/charging-battleborn-lifepo4-batteries/

https://www.electronicsweekly.com/market-sectors/power/float-charging-lithium-ion-cells-2006-02/

图 11。 标准锂离子充电算法的充电阶段

[Walter A. van Schalkwijk 在锂离子电池的进展中， Walter A. van Schalkwijk 和 Bruno Scrosati（编辑），Kluwer Academic，纽约，2002 年，第 15 章，第 464 页。]

• 浮充锂离子电池-浮充电压锂离子

锂离子电池不需要浮充电。 它们也不应在充满电的情况下存放。 如果设想长期储存，它们可以在 6 到 12 个月内放电和充电至 70% SOC。