電動(dòng)自行車(chē)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(chǎn)技術(shù)要素進(jìn)行改進(jìn)外，電池的維護和修復也是一個(gè)很重要的環(huán)節，有效的電池維護和修復方法有助于延長(cháng)電池壽命。本文描述了電動(dòng)車(chē)鉛酸蓄電池工作原理及壽命的定義，分析了電動(dòng)自行車(chē)電池充放電過(guò)程中的問(wèn)題，提出了延長(cháng)電池使用壽命的方法，介紹一些日常的維護方法以及現有修復儀器的使用情況。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē)；鉛酸蓄電池；維護

0 引言
車(chē)載能源系統是電動(dòng)車(chē)商業(yè)化的主要障礙，無(wú)論是現在還是可以預見(jiàn)的將來(lái)，電動(dòng)車(chē)發(fā)展的大多數重要方面都會(huì )與開(kāi)發(fā)不同種類(lèi)的能源有關(guān)。電動(dòng)車(chē)的車(chē)載能源包括蓄電池、燃料電池、超級電容和飛輪等多個(gè)種類(lèi)。而由于蓄電池的技術(shù)成熟性和經(jīng)濟性，蓄電池在現在和將來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內，都將成為電動(dòng)車(chē)的主要車(chē)載能源。長(cháng)期以來(lái)，電動(dòng)自行車(chē)蓄電池存在的主要問(wèn)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(dòng)自行車(chē)蓄電池使用情況看，發(fā)現它們除了有制造材料和生產(chǎn)工藝方面的問(wèn)題，更多的卻是使用過(guò)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(wèn)題進(jìn)行分析，提出一些對用戶(hù)在使用過(guò)程中有助于延長(cháng)電池壽命的維護方法，以及相關(guān)的修復儀器的使用情況。

1 電動(dòng)車(chē)鉛酸蓄電池
目前能夠被電動(dòng)自行車(chē)采用的有以下四種動(dòng)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(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(jià)格昂貴，還沒(méi)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(jià)格低廉，是目前業(yè)已商品化的可用于電動(dòng)車(chē)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(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。
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(shí)，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(shí)，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(xiàn)端子和排氣閥等組成。一只蓄電池一般由3個(gè)單格(6V電池)或6個(gè)單格(12V電池)組合而成。
每個(gè)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(yù)為蓄電池的“心臟”。極板硫化是鉛蓄電池常見(jiàn)的故障，也是電池損壞的主要因素之一。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(chǎn)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(shí)現免維護的關(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，是蓄電池活性物質(zhì)之一；二是起導電作用，蓄電池使用時(shí)通過(guò)電解液中離子遷移，起到導電作用，使電化學(xué)反應得以順利進(jìn)行。

2 蓄電池充放電問(wèn)題及其危害
電動(dòng)車(chē)電池一般一年左右就要更換新電池，對電動(dòng)車(chē)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(shí)際使用過(guò)程中往往發(fā)現蓄電池的壽命遠遠低于這個(gè)充放電循環(huán)次數。蓄電池的一個(gè)工作循環(huán)為充電與放電過(guò)程，因此，充放電過(guò)程對蓄電池壽命起著(zhù)至關(guān)重要的影響。
1)充電不足和過(guò)充電
當鉛酸蓄電池充電不足時(shí)，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(shí)還原而殘留在極板上，殘留的硫酸鉛又會(huì )析出并在極板上重新結晶。如果長(cháng)期充電不足，則會(huì )造成硫酸鉛結晶，使極板硫化，電池品質(zhì)變劣、壽命降低。
反之如果電池過(guò)充，負極產(chǎn)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(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。當前許多電動(dòng)自動(dòng)車(chē)的電池，使用一年甚至幾個(gè)月，大量電池就出現失水脹肚的報廢原兇，歸根結底，大都是嚴重地過(guò)充電導致熱失控造成的。
2)大電流放電與過(guò)放電
蓄電池放電過(guò)程中主要的損壞因素有兩個(gè)：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(dòng)自行車(chē)選用膠體電池，所以最大放電電流更小。電動(dòng)自行車(chē)在采用電起動(dòng)時(shí)，蓄電池屬于大電流放電，這時(shí)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，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使用電起動(dòng)，使得蓄電池更進(jìn)一步過(guò)度地大電流放電。這樣造成短時(shí)間內生成大量的硫酸鉛，體積過(guò)分膨脹，對活性物質(zhì)的結合力下降，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(guò)放電，過(guò)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(zhì)量決定的。蓄電池在一定意義上是可以通過(guò)修復來(lái)延長(cháng)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(huì )明顯縮短。
(1)要及時(shí)充電
蓄電池放電時(shí)就開(kāi)始了鹽化反應(硫化反應)，及時(shí)充電可以將具有活性的硫酸鉛及時(shí)轉化為活性的海綿狀的鉛和二氧化鉛，若放置12小時(shí)以上，活性的硫酸鉛就會(huì )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(shí)充電，使電池處于淺循環(huán)狀態(tài)，會(huì )延長(cháng)電池的使用壽命。遇到電池系統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(shí)間超過(guò)3個(gè)月，或全浮充電運行達6個(gè)月等情況，應及時(shí)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，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(mǎn)，不會(huì )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(huì )因過(guò)充而產(chǎn)生熱失控。
(3)養成良好的騎行方法
首先，不要在無(wú)初速度狀態(tài)下直接電啟動(dòng)，騎行時(shí)，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(cháng)時(shí)間大電流放電會(huì )加重鹽化，會(huì )因電池溫度過(guò)高形成失水、極板變形、活性物質(zhì)脫落等現象，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(chē)和反復啟動(dòng)，這樣既可以節約能源，又可以延長(cháng)蓄電池的使用壽命?；羞^(guò)程是不耗電的，就電池來(lái)說(shuō)，偶爾讓它休息一下比較好，電池內的兩種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電力。但是它們發(fā)生化學(xué)反應時(shí)，其實(shí)是從一端流到另一端的。物質(zhì)在它們原始位置時(shí)的化學(xué)反應是最大的，所以暫停供電時(shí)段就給這些成分一個(gè)均衡的機會(huì )。如果這些液態(tài)物質(zhì)回流到它們應該處的位置，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是有用的。此外，減小車(chē)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(chē)上的鉛酸蓄電池只是在點(diǎn)火時(shí)單向放電，點(diǎn)火后發(fā)電機會(huì )對電池自動(dòng)充電，不造成電池深度放電。而電動(dòng)自行車(chē)在騎行時(shí)不可能充電，經(jīng)常會(huì )超過(guò)60％的深度放電，深度放電時(shí)，硫酸鉛濃度增加，會(huì )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(gè)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(jìn)行完全放電，也就是使每個(gè)單體電壓下降到1．75V。然后再給電動(dòng)車(chē)進(jìn)行完全充電，這樣會(huì )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(guān)，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(lèi)型而區別，通?？扇?～3．6mV／℃。
2)蓄電池修復儀器的使用
近年來(lái)，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(shuō)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?jì)x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?jì)x對同一塊電池的測量結果相差較大。造成用戶(hù)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(guò)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(shí)除硫，但會(huì )造成欠充或過(guò)充，也忽略了電池放電過(guò)程才是最主要的硫化過(guò)程這一事實(shí)。所以，效果并不理想，大部分用戶(hù)在具備電動(dòng)車(chē)配備的充電器后會(huì )放棄這種重復投資的除硫方式。
(2)鉛酸蓄電延生器
據稱(chēng)，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(shí)都能對電池有修復作用，可延長(cháng)電池壽命一倍上，但經(jīng)過(guò)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(guò)設備發(fā)出電子脈沖波，連續清除極板上的硫酸結晶物，去除鉛酸蓄電池的硫化現象，并有效防止新的硫化結晶物的產(chǎn)生，從而使廢舊蓄電池恢復原動(dòng)力，實(shí)現鉛酸蓄電池再生。經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)踐驗證，是一個(gè)行之有效、切實(shí)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(xué)和固體物理學(xué)的原理，硫離子具有5個(gè)不同的能級狀態(tài)，每一個(gè)特定的能級都有唯一的諧振頻率，處于亞穩定能級狀態(tài)的離子會(huì )趨向或遷落到最穩定的最低能級(共價(jià)鍵能級)，通過(guò)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(xué)反應。
蓄電池延壽修復器的作用：①通過(guò)連續充放特殊脈沖電流，把覆蓋電極板上的硫酸鉛沉淀物逐漸催化分解，且不會(huì )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(cháng)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(shí)，極板析氣會(huì )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。蓄電池延壽修復器產(chǎn)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(cháng)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(jìn)行修復和維護的，是需要長(cháng)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(gè)插頭，一個(gè)插頭插在電瓶充電接座上，另一個(gè)插頭與充電器插頭對接；另一種是有紅、黑二根接線(xiàn)，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(kāi)電瓶組的盒子，用電烙鐵將接線(xiàn)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(shí)工作，能更好地起到修復和維護蓄電池的作用。在實(shí)踐中證實(shí)：后一種方式更適合對電動(dòng)自行車(chē)蓄電池的修復和維護。

4 結束語(yǔ)
上述蓄電池使用過(guò)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(guò)對鉛酸蓄電池充放電過(guò)程進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解充放電不當對蓄電池損壞的影響，提高用戶(hù)的維護意識。讓用戶(hù)自主加入到維護工作當中來(lái)，對蓄電池的使用來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是可行的、有現實(shí)意義的。