隔爆电源电池特点及充放电特性技术分析

　　摘要：目前煤矿井下隔爆电源所用电池种类较多，包括了铅酸电池、镍氢电池、锂电池等多种电池，针对此类情况，文章对后备电池的种类、技术特点、充放电曲线等做了相关的技术分析，指出了隔爆电源中后备电池的发展方向，为六大系统的有效、可靠、安全的运行保驾护航。

　　1.引言

　　电源是矿井监控系统（含甲烷断电仪、甲烷风电闭锁装置）的重要设备之一。矿用隔爆电源（指矿井监控系统电源、甲烷断电仪电源、甲烷风电闭锁电源，以下同）除向分站、传感器、声光报警器、断电器等提供本质安全防爆直流电源外，还必须保证井下交流电网停电后，维持系统正常工作时间不少于2小时。因此矿井监控系统电源除具有将交流电转换成本质安全防爆直流电源外，还必须具有备用电池。本文介绍了铅酸电池、镍氢电池、锂电池在隔爆电源中应用的现状、使用效果，并指出了后备电池的发展方向。

　　2.铅酸电池

　　2.1 铅酸电池介绍

　　铅酸蓄电池制造工艺简单，价格便宜，容量大，可大电流放电，无记忆效应。近年来使用的全密封免维护铅酸蓄电池特别适用于井下长时间无人看守的场合。铅酸蓄电池对充放电电路要求不高，只要求充电时稳压限流，不过放电即可，因此可简化充放电电路。由于铅酸蓄电池的比能量不是很高，因此相对同容量的镉镍、镍氢等蓄电池体积、重量较大。总之，铅酸蓄电池可用做矿用备用电源。

　　铅酸蓄电池的电池反应可用如下化学方程式表示：

　　铅酸蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），负极板活性物质为海绵状纯铅（Pb），电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配置而成。放电过程中，正、负极板上的活性物质都转变为硫酸铅（PbS04）。由于硫酸铅的导电性能比较差，而且在放电过程中，硫酸逐渐变为水，使电解液浓度下降，因此蓄电池内阻增加，电动势降低。充电过程中，正极板上的硫酸铅逐渐变为二氧化铅，负极板上的硫酸铅逐渐变为海绵状铅，同时，电解液中的硫酸分子逐渐增加，水分子逐渐减少，电解液浓度逐渐增加，电池电动势也逐渐增加。

　　全密封免维护铅酸蓄电池正负极板均采用涂浆式极板，活性材料涂在铅钙合金骨架上，耐酸性强，导电性好，寿命较长，自放电速率较小。隔板采用超细玻璃纤维制成，全部电解液吸附在极板和隔板中，电池内没有流动的电解液，即使外壳破裂也能正常工作。电池顶部装有安全阀，当电池内部压力达到一定值时，安全阀自动开启，排出多余气体，当压力低于一定数值时，安全阀自动关闭。顶盖上还有内装陶瓷过滤器的气塞，可防止酸雾从电池中逸出。电解液全部吸附在隔板和极板中，负极活性物质（海绵状铅）在潮湿的条件下活性很高，能与氧气快速反应。充电过程中，正极板产生的氧气通过隔板扩散到负极板，与负极板活性物质快速反应，化合成水。因此，在整个使用过程中，不需要加水补酸。

　　2.2 充放电特性

　　单体铅酸蓄电池的标称电压为12V,放电终止电压随放电率的不同而不同，一般为10V.

　　在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅，正极板上的硫酸铅逐渐变为二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后，电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。这样，在非密封铅酸蓄电池中，电解液中的水将逐渐减少。在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧气能够重新化合为水。

　　过充电开始的时间与充电速率有关。当充电速率大于C/5时，电池容量恢复到放出容量的80%以前，即开始过充电反应，如图2.1所示。

　　只有充电速率小于C/100,才能使电池容量恢复到100%后，才开始过充电反应。由图2.2还可以看出，采用较大充电速率时，为了使电池容量恢复到100%,必须允许一定的过充电反应。过充电反应发生后，单格电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电压开始缓慢下降。

　　铅酸蓄电池的充电方法主要有：恒流充电法、分阶段电流充电法、恒压限流充电法和快速充电法。

　　（1）恒流充电法是用一恒定不变的电流对电池进行充电。随着充电的进行，电池的端电压将逐步升高。因此，如果充电电源的电压不变，随着电池端电压的升高，充电电流会随之减小。

　　（2）分阶段电流充电法是在充电过程中分阶段逐步减小充电电流，以更有效地利用电能的充电方法，又称为递减电流充电法。

　　（3）恒压限流充电法：在充电全过程中保持充电电源的电压恒定不变的一种充电方法，其电源电压按每个单体电池的充电电压为13.8-14.4V进行计算。因此，充电初期的电流很大，随着充电的进行，充电电流随电池端电压的升高而降低，到充电末期几乎没有电流通过。

　　（4）快速充电法：可采用脉冲快速充电法，使正常充电时间由12-15小时，缩短到1小时左右，但设备复杂。

　　3.镍氢电池

　　3.1 镍氢电池介绍

　　镍氢蓄电池对充放电电路要求较高，在充电时，镍氢电池的温度较高，尤其是在过充电时，内部温度急剧上升，可能使电池冒气。因此要求充电电路具有计算电池电压变化曲线斜率的功能，准确判断充电时电压拐点的出现，改变充电状态。同时要求在电池组中装入温度开关，防止电池温度过高，影响防爆性能。镍氢蓄电池的价格相对较贵，且单体容量越高，价格增加越大。总之，镍氢电池无记忆效应，经过严格控制充放电过程，可避免氢气的析出，可用于矿用备用电源。

　　镍氢蓄电池有两种类型：一种是以气体氢为活性物质，因电池内部处于较高压力，称为高压镍氢蓄电池；另一种是以具有吸、脱氢能力的金属氢化物为活性物质的电池，表示为MH-Ni,因电池内压较低，也称为低压镍氢蓄电池。在这两种电池中，电解液是碱性水溶液。高压镍氢蓄电池主要用于航天部门，投资大，电池内部压力达3Mpa-4Mpa,且为易爆的氧气。因此，高压镍氢蓄电池不适用于矿用备用电源，下面仅介绍MH-Ni蓄电池，以下简称镍氢蓄电池。

　　镍氢蓄电池是以金属氢化物为负极、氧化镍为正极组成的碱性蓄电池。反应方程式为：

　　镍氢蓄电池与镉镍蓄电池的反应类似，只是负极充放电过程中生成物不同，碱性电解液不直接参加反应。

　　3.2 充放电特性

　　单体镍氢蓄电池的标称电压为1.25V,充电终止电压为1.5V,放电终止电压为1V.

　　在常温（20℃）以下，采用lC、0.2C和0.5C充电速率时，电池电压随充入电量的变化规律如图3.1所示。镍氢电池充足电后，电压基本上保持不变，开始过充电时，电池电压出现很小负增量。通常，采用1C充电速率时，70分钟以内，镍氢电池可以充足电，采用0.2C充电速率时，充电时间约为7小时。

　　在常温（20℃）下，采用3C、1C和0.2C放电速率时，镍氢电池的电压随放电容量的变化规律如图3.2所示。由图可以看出，采用0.2C放电速率时，电压下降到1.2V时，镍氢电池已放出标称容量的90%以上。采用大电流放电速率为（lC）放电时，电池电压降到1.2V时，放出的容量也已达到70%以上。镍氢电池具有较好的低温放电特性。

　　当环境温度为-20°C时，采用0.2C放电速率时，镍氢电池放出的容量可达到标称容量的90%,采用大电流放电速率为1C）放电时，镍氢电池放出的容量也能达到标称容量的85%以上。镍氢电池的自放电率很小，在常温下，镍氢电池充满后，放置28天，电池容量仍能保持在标称容量的75%-80%之间。

　　4.锂电池

　　4.1 锂电池介绍

　　锂离子蓄电池相对体积小，重量轻，比能量高，性能好，无记忆效应，但价格较镍氢蓄电池更贵（约2倍以上）。锂离子电池目前的容量较小。锂离子蓄电池对充放电电路要求也很高，过充电不但会导致锂离子电池的永久性损坏，而且会在阴极析出金属锂，若遇高温或内部短路，就会发生爆炸。

　　在过放电时，电解液将被分解，电池内压力上升。在电池组内部需增加检测过充电与过放电的集成电路。因此，锂离子蓄电池可用于矿用备用电源。

　　锂离子电池的阳极为石墨晶体，阴极通常为二氧化钴锂（LiCoO2）。石墨晶体和LiCoO2都具有层状结构。这种层状结构化合物，允许锂离子进出，而材料结构不会发生不可逆变化。LiCoO2为一层氧（O）原子紧邻一层Li锂原子，再紧邻一层氧原子和钴（Co）原子，即O-Li-O-Co-O-Li-O.阳极采用碳电极，从理论上讲，每六个碳原了可吸藏一个锂离子。

　　充电时，阴极中的锂原子电离成锂离子和电子。得到外部输入能量的锂离子，在电解液中由能量较低的阴极向能量较高的阳极迁移，并且锂离子和电子在阳极上复合成锂原子。重新形成的锂原子插入到石墨晶体的晶状层之间。放电时，插入到石墨晶体晶状层中的锂原子从石墨晶体内部向阳极表面移动，并在阳极表面电离成锂离子和电子，锂离子和电子分别通过电解质和负载流向阴极，在阴极表面复合成锂原子，然后插入到二氧化钴锂的晶状层中。从以上反应可知，正常情况下在该电池中，锂永远以离子的形态出现，不会以金属的形态出现，所以这种电池叫做锂离子电池。

　　4.2 充放电特性

　　单体锂离子蓄电池的标称电压为3.6V,充电终止电压为4 . 2 V,放电终止电压为2.5V.以500mAh的AA型锂离子电池为例，其充电特性曲线如图4.1所示，单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.1V±50mV,充电电流通常应限制在1C以下，若充电电压超过4.5V,可能造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式，首先用1C（即500mA）充电速率允电，在此过程巾，充电电流稳定不变，电池电压逐渐上升。当单体电池的电压上升到4.1V（或4.2V）时，充电器应立即转入恒压充电，充电电压波动应控制在50mV以内。在恒压充电过程中，充电电流逐渐减小，当电池充足电时，电流下降到涓流充电电流。用这种方法，大约两小时，电池可充到额定容量门（5OOmAh）。

　　当环境温度为25°C时，500mAh的AA锂离子电池的放电特性曲线如图4.2所示。AA型锂离子电池放电电流通常不应超过3C.

　　放电时，单体电池电压不得低于2.2V.电池电压低于2.2V,就会造成永久性损坏。采用O.2C放电速率（即放电电流为100mA）时，单体电池电压下降到2.7V时，可放出额定容量（500mAh）。采用1C放电速率（即放电电流为500mA）时，能够放出额定容量的90%左右。环境温度对电池的放电容量有较大影响，采用0.2C放电速率时，当环境温度为25°C时，可放出额定容量（500mAh）；当环境温度为-1O°C时，电池容量下降约5%,当环境温度为-20°C时，电池容量下降约10%,锂离子蓄电池放电时，允许环境温度为-20℃-+60℃。

　　5.总结与展望

　　本文介绍了三种在煤矿井下广泛使用的隔爆电源电池特点及充放电特性，由于新的GB3836-2010的执行，对电池的使用、检验提出了更严格的规范、使用条件及检验方式，同时随着镍氢电池、锂电池技术的不断发展，特别是磷酸铁锂电池的在紧急避险系统中的大量使用，锂电池应为隔爆电源电池优先选择方案。