阀控式铅酸电池及其在铁路系统的应用

1　概述

本世纪70年代阀控式密封铅酸电池(英文简称VRLA电池)的出现，给古老的铅酸蓄电池带来了新的生命活力，它以优良的性能价格比、安全可靠的使用性能、简便的维护方法，迅速占领了市场。首先在邮电通信中使用，逐步发展到电力、铁路部门使用。铁路部门使用VRLA电池主要有3大部分：电务(铁路通信)、车辆(客车照明等)以及机务(内燃机车、电力机车的启动和牵引)。铁路通信和邮电通信(包括移动通信)机站用VRLA电池作为备用电源相类似，因而比较早地使用。铁路系统最初使用的电池为开口式铅酸蓄电池，但开口式铅蓄电池经常因正极板脱粉、断裂、膨胀等原因导致电池失效，造成机车无法起动，给铁道部带来了巨大的经济损失。1973年开口式电池被富液型管式铅酸蓄电池所取代。富液型管式铅蓄电池的寿命较开口式电池有了显著的提高，在铁路机车上的使用寿命为4年。但富液型管式铅酸蓄电池也存在着大电流放电性能不佳、低温性能差、需定期补加电解液等缺点。鉴于上述原因，铁道部曾试以大电流放电性能较好的镉镍电池作为内燃机车起动用电池，但终因镉镍电池浮充困难(镉镍电池浮充电压较低，与内燃机车充电设备不匹配，常导致过充)、电解液处理复杂、存在记忆效应及镉污染等原因而未被推广使用，我国内燃机车用电池仍以富液型管式铅蓄电池为主^［1］。90年代内燃机车的数量成倍增加，对电池的需求也越来越大，同时对电池质量的要求也越来越高，阀控电池出现以后，由于具有高性能、长寿命、免维护等优点，成为内燃机车用电池研究的焦点。英国Oakdale公司于1994年开发了少维护(Low maintenance)的内燃机车用阀控电池，并已成功地应用^［2］。我国也在这方面作了一定的研究，铁道部科学研究院于1995年11月在北京召开了密封铅酸蓄电池在内燃机车上应用的可行性研讨会，并讨论通过了《内燃机车用阀控密封免维护铅酸蓄电池技术要求和试验方法》^［3］。内燃机车和电力机车采用VRLA电池是一个重大的突破，有着重要意义，不仅为VRLA电池的应用开辟了一个新领域，也对电池的性能提出了新要求。如－40℃下以1700A大电池放电至终止电压为0.6V，要求放电时间不低于50s，电池具有耐高温、低温、耐震动性能等。
VRLA电池是铅酸蓄电池的高新技术产品，其工业应用仅十几年的历史。铅酸蓄电池从开口式发展到阀控式经历了漫长的过程，可见其密封技术的难度。国际上认为VRLA电池是最难掌握的电池技术之一。1859年Plante发明铅酸蓄电池至今已有140年的历史，以往的铅酸电池均为开口式或防酸隔爆式，充放电时析出的酸雾污染及腐蚀严重，又需经常维护即补加酸和水。
1957年西德Sonnenschein公司成功地将凝胶电解质技术用于铅酸蓄电池，制成接触变性凝胶工业电池并投入市场。英国Chloride公司推出了“Torquestarter”再化合免维护汽车电池，标志着实用密封启动铅酸蓄电池的诞生。
1970年美国Gates公司首次将超细玻璃纤维用于密封铅酸电池中，生产出吸液式卷绕极板圆筒形电池，获得专利并批量生产，产品为CYCLON”，有“D”型等4种型号，第一次把氧气复合原理在商品电池中实施，实现了铅酸蓄电池技术上的重大突破，这种吸液式密封铅酸蓄电池在美、日、欧等地得到了飞速的发展。
90年代末期，美国GNB公司，英国Chloride公司，日本Yuasa株式会社等先后申请了吸收式密封铅酸蓄电池技术专利。接着GNB公司推出了32～500Ah系列产品，日本Yausa推出了HSE系列60～100Ah产品。
80年代，世界程控数字通信设备迅速发展，欧洲电信部门数据通信网络启用分散式供电方案，要求基础电源设备与通信设备同装一室，因而对环境提出了更高要求。原有的防酸隔爆电池对设备有严重腐蚀，因而激励了密封铅酸蓄电池的发展。日本Yuasa公司又开发了HSE系列200～500Ah品种，1985年开始生产1 000～3 000Ah大容量电池。德国阳光公司推出了Dry-fit”600型，最大容量达1 500Ah的胶体电池。

图1　美国固定型与富液式电池的发展比较

1990年世界密封铅酸蓄电池产量达到1.5亿只／年，产值30亿美元／年，占世界电池总产值的15%。1996年欧洲铅酸蓄电池市场销售额为33亿美元，其中固定型电池为6亿美元，动力电池为5亿美元。1997年世界铅酸蓄电池的产值达到了105亿美元，占世界第一位的是Exide，占全球销售的23%，其余为Yuasa(15%)、松下(10%)、Hawker(8%)、GS(8%)，其中VRLA电池占领了主导地位，其技术已逐步完善和成熟。
我国VRLA电池研制和生产始于80年代末，到1996年已有厂家400多家。具有较大规模的有40多家，分为自行研制和引进技术设备两类，引进的主要是美国的GNB，欧洲Exide-Tudor和日本GS、Yuasa技术，产品质量接近或达到国外先进水平。1996年我国铅酸蓄电池产量达到7 206 491kVAh。其中汽车电池为6 500 496kVAh,固定型为118 496kVAh,销售额达到20.8亿元。
国内外阀控铅酸电池目前大多参照以下几个公司的技术而制作：
①以日本GS公司为代表的贫液式阴极吸收式薄形极板电池，这种电池具有良好大电流放电性能。
②以美国GNB公司为代表的采用混合板栅的电池，其正极板采用耐腐蚀的铅镉低锑合金材料，这种电池具有较好的过放电性能。
③以德国Sonnenschein公司为代表的凝胶阴极吸收电池，它具有很长的浮充寿命。
作为现代化高科技的阀控密封铅蓄电池厂，据测算当规模在8万kVAh／年以上，才能保证产品的高质量，并能经受住市场竞争的风险。随着国内高新技术的发展，如数字通信、宇航、能源及大规模计算机网络，均将需求大量的阀控密封铅蓄电池，到2000年，预测市场需求量为200万kVAh。

2　VRLA电池存在的主要问题及解决措施

2.1　电池漏液
国内外VRLA电池不同程度地存在漏液问题。漏液主要表现在极柱漏液和电池壳盖密封不良造成的漏液。电池壳盖的密封方法有两类：胶封和热封。胶封方法是壳盖之间采用环氧树脂胶密封，密封质量受环氧树脂胶的影响。环氧树脂存在老化和龟裂的问题而造成漏液的可能性。
热封是将ABS壳体加热到一定温度后具有一定的流动性和粘结性，因而填充了壳与盖之间的缝隙。冷却后壳盖注成一体，壳、盖粘结部分全部为ABS一种材料。因而热封具有较高的密封可靠性。南都电池是国内唯一引进国外先进技术采用热封的电池，解决了壳盖之间的漏液问题。
极柱与壳盖间的密封质量是影响电池循环寿命的主要因素之一。极柱密封结构有4类：
①树脂密封结构；②树脂二次密封结构；③机械压缩式密封结构；④HAGEN专利极柱密封结构。
南都电池引进了HAGEN专利技术，极柱内嵌有特殊工艺处理的铜芯，导电性更好，密封更可靠。
2.2　电池鼓胀变形
电池鼓胀是由于电池内部气体压力过高造成的。为了保证高的氧气复合效率，电池内部保持一定的压力是必要的。在保持高的氧复合效率前提下，主要取决于安全阀的质量。日本JISC 8707—1992标准规定开阀压为49kPa以下，闭阀压在1kPa以上。中国邮电部标准规定开阀压为10～49kPa,闭阀压在1kPa～10kPa。

表1　国外VRLA电池的开阀压与闭阀压kPa

3　“NM—420”内燃机车专用电池的开发

南都公司于1995年就开始参与由铁道部科学研究院组织的VRLA电池在内燃机车上的应用试验。并于1996年成立了内燃机车专题小组，根据内燃机车使用的特殊环境，在通信用VRLA电池的基础上，改进了电池的结构和铅膏配方，经过仅一年时间的攻关，研制成功了“NM—420”内燃机车专用电池。以下为该电池在铁道部科学研究院测试的地面试验和实车运行结果。
3.1　地面试验结果
根据《内燃机车用阀控密封免维护铅酸蓄电池技术要求和试验方法》，这次测试的内容包括封口剂耐高低温性能、密封性能、5h率额定容量、常低温启动性能、充电接受能力等，具体数据详见表2。

表2　各项性能试验结果汇总表

表3　“MN—420”专用电池的实车启动数据