電動自行車鉛酸善電池的維護(hù)

摘要：提高鉛酸電池的使用壽命，除需要對生產(chǎn)技術(shù)要素進(jìn)行改進(jìn)外，電池的維護(hù)和修復(fù)也是一個很重要的環(huán)節(jié)，有效的電池維護(hù)和修復(fù)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(hù)方法以及現(xiàn)有修復(fù)儀器的使用情況。
關(guān)鍵詞：電動自行車；鉛酸蓄電池；維護(hù)

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(yù)見的將來，電動車發(fā)展的大多數(shù)重要方面都會與開發(fā)不同種類的能源有關(guān)。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(shù)成熟性和經(jīng)濟(jì)性，蓄電池在現(xiàn)在和將來很長一段時間內(nèi)，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(dá)不到正常的使用期限便不能使用了。從國內(nèi)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(chǎn)工藝方面的問題，更多的卻是使用過程中充放電不當(dāng)所造成的。本文主要針對鉛酸蓄電池充電和放電不當(dāng)對蓄電池使用壽命的影響問題進(jìn)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(hù)方法，以及相關(guān)的修復(fù)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(hù)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(jìn)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(jìn)一步推廣使用。而鉛酸蓄電池由于性能可靠，生產(chǎn)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(fù)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(zhì)，在比重為1．28的硫酸水溶液(電解液)中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
放電反應(yīng)：Pb+Pb02+2H2S04=2PbSO4+2H2O
充電反應(yīng)：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
鉛酸蓄電池充電時，變成硫酸鉛的正負(fù)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(fù)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(fù)極板上的海綿狀的鉛與電解液中的硫酸發(fā)生反應(yīng)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(gòu)件
鉛酸密封蓄電池由正、負(fù)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(fù)極板(負(fù)極板比正極板多一片)，間隔重疊而成，中間用超細(xì)玻璃纖維隔板隔離。數(shù)片正極板用鉛合金焊接在一起組成正極群，同樣數(shù)片負(fù)極板用鉛合金焊接在一起組成負(fù)極群，正、負(fù)兩極群都裝于電池槽內(nèi)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(jié)。首尾單格作引出端子，引出正負(fù)極。
極板是蓄電池的核心部件，被譽(yù)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?fù)p壞的主要因素之一。隔板被譽(yù)為蓄電池“第三電極”。它用以隔離正、負(fù)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(kuò)散(離子導(dǎo)電)的作用。對密封蓄電池而言，隔板還作為正極板產(chǎn)生氧氣到達(dá)負(fù)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(xì)玻璃纖維是讓隔板式蓄電池實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的關(guān)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(xué)反應(yīng)，是蓄電池活性物質(zhì)之一；二是起導(dǎo)電作用，蓄電池使用時通過電解液中離子遷移，起到導(dǎo)電作用，使電化學(xué)反應(yīng)得以順利進(jìn)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(fù)擔(dān)。正常使用蓄電池的充放電循環(huán)可達(dá)300次以上，而實(shí)際使用過程中往往發(fā)現(xiàn)蓄電池的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個充放電循環(huán)次數(shù)。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(guān)重要的影響。
1)充電不足和過充電
當(dāng)鉛酸蓄電池充電不足時，正負(fù)兩極板的硫酸鉛不能完全轉(zhuǎn)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(jié)晶。如果長期充電不足，則會造成硫酸鉛結(jié)晶，使極板硫化，電池品質(zhì)變劣、壽命降低。
反之如果電池過充，負(fù)極產(chǎn)生的氧氣量大于負(fù)極的吸附能力，使得蓄電池內(nèi)壓增大，導(dǎo)致氣體外溢，電解液減少，還可能導(dǎo)致活性物質(zhì)軟化或脫落，活性物質(zhì)因脫落而減少，使蓄電池容量下降，當(dāng)極板上活性物質(zhì)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(dāng)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(jié)底，大都是嚴(yán)重地過充電導(dǎo)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(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使蓄電池內(nèi)阻增大、電壓降低，速率提高，不能發(fā)揮出應(yīng)有的效能。如果駕駛?cè)藛T常連續(xù)使用電起動，使得蓄電池更進(jìn)一步過度地大電流放電。這樣造成短時間內(nèi)生成大量的硫酸鉛，體積過分膨脹，對活性物質(zhì)的結(jié)合力下降，使極板變形、彎曲，加速活性物質(zhì)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(zhì)界面產(chǎn)生高電阻層，并引起正極活性物質(zhì)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(yùn)行維護(hù)
1)蓄電池正確維護(hù)
蓄電池的壽命主要是由其內(nèi)在質(zhì)量決定的。蓄電池在一定意義上是可以通過修復(fù)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(hù)，就能充分發(fā)揮蓄電池潛力，達(dá)到應(yīng)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(yīng)(硫化反應(yīng))，及時充電可以將具有活性的硫酸鉛及時轉(zhuǎn)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(jié)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(yùn)行達(dá)6個月等情況，應(yīng)及時對電池進(jìn)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(shù)，所以，充電器應(yīng)采用充電參數(shù)與蓄電池特性匹配和有防止熱火、失控保護(hù)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(chǎn)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(dāng)加上人力騎行，切忌突然加速。因?yàn)樵谏鲜銮闆r下，瞬間電流可達(dá)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(zhì)脫落等現(xiàn)象，使電池壽命縮短；騎行中應(yīng)根據(jù)路況巧妙利用滑行，盡量減少強(qiáng)行剎車和反復(fù)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。滑行過程是不耗電的，就電池來說，偶爾讓它休息一下比較好，電池內(nèi)的兩種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，就會產(chǎn)生電力。但是它們發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，其實(shí)是從一端流到另一端的。物質(zhì)在它們原始位置時的化學(xué)反應(yīng)是最大的，所以暫停供電時段就給這些成分一個均衡的機(jī)會。如果這些液態(tài)物質(zhì)回流到它們應(yīng)該處的位置，電池就能夠產(chǎn)生更大的電力。所以，用不同的騎行方法對電池的保護(hù)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(diǎn)火時單向放電，點(diǎn)火后發(fā)電機(jī)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(jīng)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(jìn)行定期深度放電，一般2個月進(jìn)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(fù)荷條件下騎行到第一次欠壓保護(hù)的完全放電，或者用放電儀進(jìn)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(jìn)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(bǔ)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(guān)，建議啟用電壓一溫度補(bǔ)償功能。單只電壓一溫度補(bǔ)償系數(shù)要視電池類型而區(qū)別，通?？扇?～3．6mV／℃。
2)蓄電池修復(fù)儀器的使用
近年來，國內(nèi)的蓄電池各種各樣的脈沖修復(fù)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(jié)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(diào)制解調(diào)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(jié)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(jié)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(jié)晶。可除硫充電器可以在充電時除硫，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(shí)。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(fù)投資的除硫方式。
(2)鉛酸蓄電延生器
據(jù)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(fù)作用，可延長電池壽命一倍上，但經(jīng)過試驗(yàn)，效果并不明顯。
(3)蓄電池延壽修復(fù)器
利用電子的脈沖功能，通過設(shè)備發(fā)出電子脈沖波，連續(xù)清除極板上的硫酸結(jié)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(jié)晶物的產(chǎn)生，從而使廢舊蓄電池恢復(fù)原動力，實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池再生。經(jīng)過近幾年的實(shí)踐驗(yàn)證，是一個行之有效、切實(shí)可行的方法。
蓄電池延壽修復(fù)器的工作原理：根據(jù)原子物理學(xué)和固體物理學(xué)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(zhuǎn)化為溶解于電解液的自由離子，參與電化學(xué)反應(yīng)。
蓄電池延壽修復(fù)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(chǎn)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(fù)器產(chǎn)生的特殊脈沖可以清除極板上的這些氣泡，保護(hù)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(fù)器是利用脈沖電波形對蓄電池進(jìn)行修復(fù)和維護(hù)的，是需要長期使用的。蓄電池延壽修復(fù)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(fù)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(fù)極上，再用雙面膠將蓄電池延壽修復(fù)器固定在電瓶組盒內(nèi)的空檔中。安裝好以后24小時工作，能更好地起到修復(fù)和維護(hù)蓄電池的作用。在實(shí)踐中證實(shí)：后一種方式更適合對電動自行車蓄電池的修復(fù)和維護(hù)。

4 結(jié)束語
上述蓄電池使用過程中充放電不當(dāng)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(jìn)行分析，進(jìn)一步了解充放電不當(dāng)對蓄電池?fù)p壞的影響，提高用戶的維護(hù)意識。讓用戶自主加入到維護(hù)工作當(dāng)中來，對蓄電池的使用來說，無疑是可行的、有現(xiàn)實(shí)意義的。