電動自行車鉛酸善電池的維護

摘要：提高鉛酸電池的使用壽命，除需要對生產技術要素進行改進外，電池的維護和修復也是一個很重要的環(huán)節(jié)，有效的電池維護和修復方法有助于延長電池壽命。本文描述了電動車鉛酸蓄電池工作原理及壽命的定義，分析了電動自行車電池充放電過程中的問題，提出了延長電池使用壽命的方法，介紹一些日常的維護方法以及現(xiàn)有修復儀器的使用情況。
關鍵詞：電動自行車；鉛酸蓄電池；維護

0 引言
車載能源系統(tǒng)是電動車商業(yè)化的主要障礙，無論是現(xiàn)在還是可以預見的將來，電動車發(fā)展的大多數重要方面都會與開發(fā)不同種類的能源有關。電動車的車載能源包括蓄電池、燃料電池、超級電容和飛輪等多個種類。而由于蓄電池的技術成熟性和經濟性，蓄電池在現(xiàn)在和將來很長一段時間內，都將成為電動車的主要車載能源。長期以來，電動自行車蓄電池存在的主要問題就是使用壽命短，往往達不到正常的使用期限便不能使用了。從國內外電動自行車蓄電池使用情況看，發(fā)現(xiàn)它們除了有制造材料和生產工藝方面的問題，更多的卻是使用過程中充放電不當所造成的。本文主要針對鉛酸蓄電池充電和放電不當對蓄電池使用壽命的影響問題進行分析，提出一些對用戶在使用過程中有助于延長電池壽命的維護方法，以及相關的修復儀器的使用情況。

1 電動車鉛酸蓄電池
目前能夠被電動自行車采用的有以下四種動力蓄電池，即閥控鉛酸免維護蓄電池、膠體鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。膠體鉛酸蓄電池是鉛酸蓄電池的改進型，用膠體電解液代換硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面都優(yōu)于閥控鉛酸蓄電池。鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池成本太高，價格昂貴，還沒有得到進一步推廣使用。而鉛酸蓄電池由于性能可靠，生產工藝成熟，價格低廉，是目前業(yè)已商品化的可用于電動車的電池之一。
1)蓄電池電池工作原理
鉛酸蓄電池的負極是海綿狀的鉛制成，正極是二氧化鉛制成，海綿狀的鉛和二氧化鉛均為活性物質，在比重為1．28的硫酸水溶液(電解液)中進行電化學反應。
放電反應：Pb+Pb02+2H2S04=2PbSO4+2H2O
充電反應：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
鉛酸蓄電池充電時，變成硫酸鉛的正負兩極的海綿狀的鉛，把固定在其中的硫酸成分釋放到電解液中，在電流作用下能重新生成正極的二氧化鉛和負極的海綿狀的鉛，電解液中的硫酸濃度不斷增大；反之，放電時，正極中的氧化鉛和負極板上的海綿狀的鉛與電解液中的硫酸發(fā)生反應變成硫酸鉛，而電解液中的硫酸濃度漸漸降低。
2)電池的組合與主要構件
鉛酸密封蓄電池由正、負極板、隔板和電解液、電池槽及連接條(或鉛零件)、接線端子和排氣閥等組成。一只蓄電池一般由3個單格(6V電池)或6個單格(12V電池)組合而成。
每個單格由若干片正極板與若干片負極板(負極板比正極板多一片)，間隔重疊而成，中間用超細玻璃纖維隔板隔離。數片正極板用鉛合金焊接在一起組成正極群，同樣數片負極板用鉛合金焊接在一起組成負極群，正、負兩極群都裝于電池槽內組成單體蓄電池。單體電池之間用鉛零件或連接條從單格之間的電池槽隔板頂端(或穿孔或穿壁焊)以串聯(lián)形式連在一起。電池槽蓋用密封膠粘結。首尾單格作引出端子，引出正負極。
極板是蓄電池的核心部件，被譽為蓄電池的“心臟”。極板硫化是鉛蓄電池常見的故障，也是電池損壞的主要因素之一。隔板被譽為蓄電池“第三電極”。它用以隔離正、負極，防止短路。作為電解液的載體，它能夠吸收大量電解液，起到離子良好擴散(離子導電)的作用。對密封蓄電池而言，隔板還作為正極板產生氧氣到達負極板的“通道”，使其順利地建立氧循環(huán)，減少水損失。采用超細玻璃纖維是讓隔板式蓄電池實現(xiàn)免維護的關鍵。電解液主要由蒸餾水與硫酸組成，配以一些添加劑混合而成。主要作用：一是參與電化學反應，是蓄電池活性物質之一；二是起導電作用，蓄電池使用時通過電解液中離子遷移，起到導電作用，使電化學反應得以順利進行。

2 蓄電池充放電問題及其危害
電動車電池一般一年左右就要更換新電池，對電動車用戶來說是一個比較重的負擔。正常使用蓄電池的充放電循環(huán)可達300次以上，而實際使用過程中往往發(fā)現(xiàn)蓄電池的壽命遠遠低于這個充放電循環(huán)次數。蓄電池的一個工作循環(huán)為充電與放電過程，因此，充放電過程對蓄電池壽命起著至關重要的影響。
1)充電不足和過充電
當鉛酸蓄電池充電不足時，正負兩極板的硫酸鉛不能完全轉化變成海綿狀鉛和氧化鉛，部分硫酸鉛得不到及時還原而殘留在極板上，殘留的硫酸鉛又會析出并在極板上重新結晶。如果長期充電不足，則會造成硫酸鉛結晶，使極板硫化，電池品質變劣、壽命降低。
反之如果電池過充，負極產生的氧氣量大于負極的吸附能力，使得蓄電池內壓增大，導致氣體外溢，電解液減少，還可能導致活性物質軟化或脫落，活性物質因脫落而減少，使蓄電池容量下降，當極板上活性物質減少到一定的程度后，蓄電池便不能發(fā)揮作用，電池壽命大大縮短。當前許多電動自動車的電池，使用一年甚至幾個月，大量電池就出現(xiàn)失水脹肚的報廢原兇，歸根結底，大都是嚴重地過充電導致熱失控造成的。
2)大電流放電與過放電
蓄電池放電過程中主要的損壞因素有兩個：一是大電流放電。一般的鉛酸電池最大放電電流為12A，而電動自行車選用膠體電池，所以最大放電電流更小。電動自行車在采用電起動時，蓄電池屬于大電流放電，這時極板表面快速生成一層硫酸鉛，它隔絕了電解液與深層中的活性物質發(fā)生反應，使蓄電池內阻增大、電壓降低，速率提高，不能發(fā)揮出應有的效能。如果駕駛人員常連續(xù)使用電起動，使得蓄電池更進一步過度地大電流放電。這樣造成短時間內生成大量的硫酸鉛，體積過分膨脹，對活性物質的結合力下降，使極板變形、彎曲，加速活性物質脫落，直至極板斷裂損壞。二是過放電，過放電可加劇板柵腐蝕，在板柵活性物質界面產生高電阻層，并引起正極活性物質軟化脫落，使電池放電容量迅速下降，促使電池早期失效。

3 蓄電池的運行維護
1)蓄電池正確維護
蓄電池的壽命主要是由其內在質量決定的。蓄電池在一定意義上是可以通過修復來延長使用壽命，但這是有條件的。正常的蓄電池，若能有良好的使用維護，就能充分發(fā)揮蓄電池潛力，達到應有的使用壽命；否則，不但不能充分發(fā)揮蓄電池潛力，而且使用壽命也會明顯縮短。
(1)要及時充電
蓄電池放電時就開始了鹽化反應(硫化反應)，及時充電可以將具有活性的硫酸鉛及時轉化為活性的海綿狀的鉛和二氧化鉛，若放置12小時以上，活性的硫酸鉛就會再次結晶成為較大晶體顆粒，成為不可逆鹽化(硫化)。如果每次騎行都需要及時充電，使電池處于淺循環(huán)狀態(tài)，會延長電池的使用壽命。遇到電池系統(tǒng)有兩只電池端電壓低于2．18V，或電池放電量在20％以上或擱置停用時間超過3個月，或全浮充電運行達6個月等情況，應及時對電池進行充電。
(2)選擇與蓄電池匹配的充電器
充電器決定了對蓄電池的充電電流大小、充電的控制方式，直接影響蓄電池的壽命。蓄電池組的容量和電壓決定了充電的參數，所以，充電器應采用充電參數與蓄電池特性匹配和有防止熱火、失控保護的充電器。確保電池可充滿，不會因欠充造成電池容量不正常的衰減，又要確保電池在全壽命期間不會因過充而產生熱失控。
(3)養(yǎng)成良好的騎行方法
首先，不要在無初速度狀態(tài)下直接電啟動，騎行時，遇到爬坡，可以適當加上人力騎行，切忌突然加速。因為在上述情況下，瞬間電流可達到十幾安培，長時間大電流放電會加重鹽化，會因電池溫度過高形成失水、極板變形、活性物質脫落等現(xiàn)象，使電池壽命縮短；騎行中應根據路況巧妙利用滑行，盡量減少強行剎車和反復啟動，這樣既可以節(jié)約能源，又可以延長蓄電池的使用壽命?；羞^程是不耗電的，就電池來說，偶爾讓它休息一下比較好，電池內的兩種物質發(fā)生化學反應時，就會產生電力。但是它們發(fā)生化學反應時，其實是從一端流到另一端的。物質在它們原始位置時的化學反應是最大的，所以暫停供電時段就給這些成分一個均衡的機會。如果這些液態(tài)物質回流到它們應該處的位置，電池就能夠產生更大的電力。所以，用不同的騎行方法對電池的保護是有用的。此外，減小車身自重，去掉不必要的裝飾件，不要搭載重物。
(4)要盡量少深度放電，但也要定期深度放電用在汽車上的鉛酸蓄電池只是在點火時單向放電，點火后發(fā)電機會對電池自動充電，不造成電池深度放電。而電動自行車在騎行時不可能充電，經常會超過60％的深度放電，深度放電時，硫酸鉛濃度增加，會在極板深處生成較多的硫酸鉛。但也有必要進行定期深度放電，一般2個月進行1～2次深度放電，對電池容量的提升是有益的。所謂深度放電是指在平坦路面上，正常負荷條件下騎行到第一次欠壓保護的完全放電，或者用放電儀進行完全放電，也就是使每個單體電壓下降到1．75V。然后再給電動車進行完全充電，這樣會使電池容量略有提升。
(5)啟用電壓一溫度補償功能
蓄電池對溫度非常敏感，電池電壓與環(huán)境溫度有關，建議啟用電壓一溫度補償功能。單只電壓一溫度補償系數要視電池類型而區(qū)別，通?？扇?～3．6mV／℃。
2)蓄電池修復儀器的使用
近年來，國內的蓄電池各種各樣的脈沖修復儀多得讓人眼花繚亂，其功能也被說得天花亂墜。不同型號的儀表測量結果的差異性較大，由于各種測量儀的測量頻率、測量方法(相位差法、有效值法、調制解調法、比較法等等)和測量電流相差較大，使得使用不同的測量儀對同一塊電池的測量結果相差較大。造成用戶選擇儀表的困難，以及對于儀表測量結果的可信度的懷疑。
(1)可除硫充電器
可除硫充電器的工作原理：周期性地采用10％～20％的過充電的方法，還原電池的硫酸鉛結晶?？沙虺潆娖骺梢栽诔潆姇r除硫，但會造成欠充或過充，也忽略了電池放電過程才是最主要的硫化過程這一事實。所以，效果并不理想，大部分用戶在具備電動車配備的充電器后會放棄這種重復投資的除硫方式。
(2)鉛酸蓄電延生器
據稱，只要將鉛酸蓄電延生器接在電池組上，靠電池組自身供電，可在充電、存放和放電時都能對電池有修復作用，可延長電池壽命一倍上，但經過試驗，效果并不明顯。
(3)蓄電池延壽修復器
利用電子的脈沖功能，通過設備發(fā)出電子脈沖波，連續(xù)清除極板上的硫酸結晶物，去除鉛酸蓄電池的硫化現(xiàn)象，并有效防止新的硫化結晶物的產生，從而使廢舊蓄電池恢復原動力，實現(xiàn)鉛酸蓄電池再生。經過近幾年的實踐驗證，是一個行之有效、切實可行的方法。
蓄電池延壽修復器的工作原理：根據原子物理學和固體物理學的原理，硫離子具有5個不同的能級狀態(tài)，每一個特定的能級都有唯一的諧振頻率，處于亞穩(wěn)定能級狀態(tài)的離子會趨向或遷落到最穩(wěn)定的最低能級(共價鍵能級)，通過提供給一定的能量阻止這種情況發(fā)生，使得被激活的分子遷移到更高的能級狀態(tài)，從而才能轉化為溶解于電解液的自由離子，參與電化學反應。
蓄電池延壽修復器的作用：①通過連續(xù)充放特殊脈沖電流，把覆蓋電極板上的硫酸鉛沉淀物逐漸催化分解，且不會損傷電極板；②將硫酸鉛分解為鉛、二氧化鉛、水，還原在電解溶液中，還原蓄電池容量，延長使用壽命(剝離的硫酸鉛還原在電解液中)；③蓄電池在大電流放電或深度放電時，極板析氣會產生大量的氣泡，這些附在極板上的絕緣的氣泡使電極板有效面積減少，造成極板的不可逆損傷。蓄電池延壽修復器產生的特殊脈沖可以清除極板上的這些氣泡，保護了蓄電池電極板，非常有效地延長了蓄電池壽命。
家用的蓄電池延壽修復器是利用脈沖電波形對蓄電池進行修復和維護的，是需要長期使用的。蓄電池延壽修復器一般有二種方式接在蓄電池上(并聯(lián))。一種是有二個插頭，一個插頭插在電瓶充電接座上，另一個插頭與充電器插頭對接；另一種是有紅、黑二根接線，分別接在電瓶組的正、負極上。這種方式對安裝要求高些，需要打開電瓶組的盒子，用電烙鐵將接線焊在正、負極上，再用雙面膠將蓄電池延壽修復器固定在電瓶組盒內的空檔中。安裝好以后24小時工作，能更好地起到修復和維護蓄電池的作用。在實踐中證實：后一種方式更適合對電動自行車蓄電池的修復和維護。

4 結束語
上述蓄電池使用過程中充放電不當對蓄電池所造成的破壞是不容忽視，它直接影響到蓄電池使用壽命。通過對鉛酸蓄電池充放電過程進行分析，進一步了解充放電不當對蓄電池損壞的影響，提高用戶的維護意識。讓用戶自主加入到維護工作當中來，對蓄電池的使用來說，無疑是可行的、有現(xiàn)實意義的。