Battery Maint

FACILITIES INSTRUCTIONS, STANDARDS, AND TECHNIQUES VOLUME 3-6

STORAGE BATTERY MAINTENANCE AND PRINCIPLES

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HYDROELECTRIC RESEARCH AND TECHNICAL SERVICES GROUP

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UNITED STATES DEPARTMENT OF THE INTERIOR BUREAU OF RECLAMATION DENVER, COLORADO

TABLE OF CONTENTS Section

Page

Flooded, wet cell, lead-acid battery maintenance schedule (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 Condensed instructions: lead-acid batteries (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1 Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Battery charging and specific gravity temperature correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Voltage readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Specific gravity readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Temperature readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.6 Connection resistance readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.7 Visual inspections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.8 Battery care . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.9 Chargers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.10 Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.11 Battery troubles summarized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.12 Recommended actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.13 Cell replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 Lead-acid battery principles (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Full charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Appearance of normal cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Chemical changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Internal self-discharge and effect of impurities on floating voltage . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Temperature characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Proper amount of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 High-rate overcharging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Low-rate overcharging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Undercharging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 Over discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12 Sedimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.13 Replacement water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14 Water replacement rate for lead-antimony cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.15 Water replacement rate for lead-calcium cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.16 Water replacement for lead-selenium cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17 Adjusting specific gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.18 Hydrometer readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19 Constant voltage charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.20 Battery life for different types and services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.21 Cleanliness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22 Internal shorts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23 Normal sulfate and over sulfation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.24 Elimination of over sulfation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.25 Water treatment for over sulfation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 12 12 12 13 13 14 14 15 15 15 16 16 16 16 17 17 17 17 18 18 18 18 19 19 20

3 Battery testing (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1 Acceptance testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Capacity tests to determine replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4 Optional instructions lead-calcium batteries (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.1 Float charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.2 Initial charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

i

TABLE OF CONTENTSCCONTINUED Section 4.3 4.4 4.5 4.6

Page Voltage readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Specific gravity readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heavy discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Water replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22 23 23 23

Valve regulated lead-acid battery (gel cell) maintenance schedule (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 5 Condensed instructions—valve regulated lead-acid batteries (gel cells) (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Float charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Equalizing charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Charger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Battery maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Visual inspections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Voltage readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Temperature readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9 Connection resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10 Internal resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.11 Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25 25 25 26 26 26 26 27 27 28 28 29

Vented nickel cadmium battery maintenance schedule (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6 Vented nickel cadmium battery principles (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Upon installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Voltage readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Temperature readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Visual inspections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Battery discharge testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Electrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 Electrolyte level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12 Specific gravity readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13 Electrolyte renewal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14 General care . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.15 Battery records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16 Wall card records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32 32 32 32 33 33 34 35 35 35 36 37 37 38 39 39 39

7 Batteries for microwave and VHF radio equipment (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7.1 Lead-acid batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7.2 Nickel-cadmium batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 8 Battery safety (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 8.1 Explosive hazard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 8.2 Electrolyte hazard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

ii

8.3

Flame arresters purpose and cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Section

Page

8.4 8.5 8.6

Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Battery rooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Safety meetings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

9 Battery charging equipment (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 9.1 Motor-generator sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 9.2 Static rectifier chargers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 10 Replacement storage battery sizing (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 11 Standards (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

TABLES Table 1 2 3 4

Flooded, wet cell, lead-acid battery maintenance schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Common voltage ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Valve regulated lead-acid battery maintenance schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Vented nickel cadmium battery maintenance schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

FIGURES Figure 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Water consumption for lead-acid battery sizes and types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Placement of meter probes for connection resistance measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Percent capacity of batteries with pasted and plante ´ type plates for various discharge rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Effect of concentration of electrolyte on cell capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Final voltage at various rates after charge is fully completed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Percent local action in 1.280 electrolyte versus specific gravity of electrolyte . . . . . . . . . . . . . . 73 Approximate variation of local action in lead-acid storage cells with changes in specific gravity of electrolyte and changes in temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Approximate variation of capacity with temperature in lead-acid chlorideaccumulator type storage cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Typical recharge curves at constant voltages following 100-percent discharges . . . . . . . . . . . . 77 Voltage probe placement for nickel-cadmium cells with different type connectors . . . . . . . . . 79

iii

TABLE OF CONTENTSCCONTINUED REPORT FORMS Form POM-133A POM-133B POM-133C POM-134A POM-134B POM-157 POM-159

Page Flooded lead-acid battery maintenance report (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . Valve regulated lead-acid battery maintenance report (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nickel-cadmium battery maintenance report (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . Flooded lead acid batter connection resistance annual report (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valve regulated lead-acid battery connection and internal resistance annual report (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lead-acid storage battery data (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nickel cadmium storage battery data (last updated 12/31/97) . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

51 53 55 57 59 61 63

TABLE 1. - FLOODED, WET CELL, LEAD-ACID BATTERY MAINTENANCE SCHEDULE Maintenance

New Battery

Shift

Visual Inspection See 1.7

Monthly Also See 1.10C &D

Battery Float Voltage See 1.3

Panel Meter Float Voltage See 1.3A

3-Month

Battery Terminals with Digital Voltmeter

Compare Panel Meter to Digital Voltmeter

1

All Cells with Digital Voltmeter

Pilot Cells with Digital Voltmeter

All Cells with Digital Voltmeter

Specific Gravity Readings See 1.4

All Cells

Pilot Cells

10 Percent of all Cells

Pilot Cells

10 Percent of All Cells

All Cells

Connection Resistance See 1.6

All Connections

All Connections

Battery Testing See 3.0

Acceptance Test After 1 week

Yearly Capacity Tests if 5-Year Test