蓄电池工作原理

在数据中心和通信行业，会用到很多蓄电池，这些蓄电池可作为交流不间断电源系统、直流电源系统备用电源，又可作为油机等起动动力电源，还可作为高压配电系统中的直流操作及控制电源。当外部交流供电突然中断时，蓄电池作为系统供电的后备保护，将担负起对负载继续供电的任务，从而保证了数据中心设备的正常工作。

一、铅酸蓄电池结构

        蓄电池主要由正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽和安全阀等组成，结构如下图1所示。

图1 蓄电池结构

二、铅酸蓄电池工作原理

        “双极硫酸盐化理论”最能说明铅酸蓄电池工作原理，铅酸蓄电池在放电时，正负极的活性物质均变成硫酸铅（PbSO4），充电后又恢复到原来的状态，即正极转变成二氧化铅（PbO2），负极转变成海绵状铅（Pb）。如下图2所示。

2.1蓄电池放电

        电流从正极经外电路流向负极，再由负极经内电路流向正极，电池向外电路输送电流的过程，叫做电池的放电，图3。

在放电过程中，两极活性物质逐渐被消耗，正极二氧化铅（PbO2）和负极铅（Pb）放电过程中两极都生成了硫酸铅，随着放电的不断进行，硫酸逐渐被消耗，同时生成水，使电解液的浓度逐渐降低，图4（PbSO4）。

2.2蓄电池充电

        放电以后，外来直流电源以适当的反向电流注入，这种反向电流使活性物质还原的过程叫做充电。铅酸蓄电池的充电反应是放电反应的逆反应，正负极板上的硫酸铅分别变成二氧化铅和海绵状铅，电解液中的水分子不断消耗，硫酸分子不断生成，电解液密度不断升高，图5所示。

三、蓄电池装配

         把正极板、隔板、负极紧密压合在一起后，装入电池壳体，连接极柱，安装盖板和安全阀后，注入稀硫酸，这样就形成了一个电池，如图6所示。

在电池的使用中，当电池的实际放电容量低于额定容量80%时，认为电池失效或者寿命终止。典型的失效模式为：电池失水、硫酸盐化、板栅腐蚀、正极板腐蚀泥化脱落等情况会导致电池容量下降或者提前失效。

 4.1失水干涸

        电池充电后期存在副反应，电解水反应导致气体析出；板栅腐蚀消耗水分；自放电消耗水分；当水分损失一定程度后，内阻增大，电池容量下降，图7所示。

导致电池失水原因：充电电压过高；充电电流大；电池内部温度高；运行环境温度高；电池密封不良（安全阀、端子、槽盖）；壳体裂纹等；

4.2漏液

        电池组出现漏液，比如安全阀、极柱、槽盖等部位出现液体溢出或堆积白色结晶体，如图8所示。漏液经外壳流向电池架、下层电池，造成电池架腐蚀、甚至有可能造成下层电池短路，发生起火、爆炸情况。    

产生的主要原因有：热封、胶封工艺不良；安装、搬运过程磕碰，导致电池密封性能破坏。中国电信在建设规范和维护规程中明确要求：新装电池必须铺设电池缓冲绝缘垫，电池室内宜安装早期烟雾报警。

  4.3硫化（负极板盐化）

       当蓄电池经常处于充电不足或者过放电后， 负极板的表面附着一层白色坚硬的硫酸铅结晶体，充电后依旧无法转化为活性物质，导致电池容量下降，这种现象称为“不可逆硫酸盐化”，简称“硫化”，如图9所示。

硫化的原因：蓄电池长期充电不足或放电后没有及时充电，部分PbSO4溶解后析出并在极板结晶形成硫化；电解液液面过低，使极板上部与空气接触而被氧化后硫化；长期过量放电或小电流深度放电，使极板深处活性物质的孔隙内生成PbSO4。

4.4极板腐蚀

        电池极板发生腐蚀，导致电池失效。

        极板栅腐蚀的因素：参数设置不合理，充电电压过高，电池过充电，板栅腐蚀速率越快。电池使用环境温度过高，腐蚀速度加快。电解液密度越高，板栅腐蚀速率越快。板栅合金材质不纯，或铸造工艺不合理，板栅内部存在气孔。板栅厚度设计太薄，设计板栅厚度应高于3.0 mm。

4.5热失控

        电池工作环境温度过高或充电电压过高，没有配置温度补偿功能，蓄电池内部温度升高，电池内阻下降，充电电流又升高，电池内阻进一步降低 ，形成恶性循环，图10为某蓄电池机房空调长时间故障导致电池热失控起火案例。

    引起电池热失控的原因：环境温度过高；电池参数设置不合理，导致电池过充电。安全阀失效，电池内部压力过大。电池安装时，中间需要预冷散热通道，最小不得少于10mm。

4.6正极板泥化脱落

        泥化原因：电池充放电过程中，正极活性物质在PbO2和PbSO4之间转化。正极反应物的体积变化，PbSO4体积是PbO2体积的2.68倍。正极活性物质是非常坚硬的网络结构，正极活性物质的体积在不断反复收缩和膨胀，就使二氧化铅粒子之间的相互结合逐渐减弱，造成正极活性物质泥化。 

        影响因素：频繁放电，加速正极活性物质的体积膨胀和收缩，从而导致电池极板的快速软化。参数设置不合理，电池过充电或过度放电，正极活性物质体积变化过大，加快活性物质软化速率，提前失效。

五、阀控蓄电池注意事项和使用寿命

        蓄电池在使用和维护时应注意“三防一及时”：防高温、防过放电、防过充电、及时充电。中国电信规定：在正常使用及维护条件下，设备有效使用年限按下表1要求：

阀控电池使用寿命

        同时要求：对于已超过有效使用年限的蓄电池应退出A、B类机房。对于已超过有效使用年限的设备，经过检测评估，性能仍然良好者并满足运行质量要求，具有使用价值的，经过主管部门的批准，可继续使用，但应增加维护检查频次以及时发现设备劣化变化。性能指标达不到要求的设备，应报废和退网。