再谈电动车铅酸电池的基本原理及维护

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电池工作原理和特点
　　电动自行车电瓶是一种电能与化学能互相转换的可逆装置，也就是说，将电能储存起来（充电），将化学能变为电能释放出来（放电）。
　　电动自行车电瓶由正极板、负极板、玻璃纤维隔板、电解液和电解槽所组成，充电后正极的活性物质为二氧化铅，负极板活性物质为海绵状铅，放电后两极板的活性物质都转变为硫酸铅，充电后由恢复为原来物质。化学反应方程式如下：
　　充电
　　PbO2 + 2H2SO4 + Pb            
　　正极    电解液    负极
　　放电
　　PbSO4 + 2H2O +  PbSO4                       
　　正极     电解液     负极
　　从化学反应的方程式中可以看出，在放电过程中消耗了硫酸，生成了水，因此电解液的浓度越来越小，而充电过程则相反。
　　电动自行车采用了负极活性物质过量的设计。当蓄电池充电的时候，正极充足100%后，负极尚未充到90%，这样蓄电池内只有正极产生的氧，不存在负极产生的难以复合的氢气。为了解决水的消耗问题，和必须为氧的复合创造条件。采用贫电解液设计加上超细玻璃纤维隔膜板膜，解决了氧的传输问题，使氧复合反应得以进行，完成了氧的再化合，蓄电池实现了密封和免维护。氧的再化合过程如下：
　　（正极）PbSO4—— PbO—— O2
　　（负极）PbSO4—— Pb——(O2）
　　电池的失效模式及对策
　　A 电池的正极板软化
　　①电池的正极板是由板栅和活性物质组成的，其中活性物质的有效成分就是氧化铅。放电的时候氧化铅转换为硫酸铅，充电的时候硫酸铅转换为氧化铅。
　　②氧化铅是由α氧化铅和β氧化铅组成的，其中α氧化铅主要起支撑作用；β氧化铅主要起荷电作用。为了减少α氧化铅参与放电，一般控制放电深度为40％为好。电池放电深度越深，α氧化铅损失也越多，正极板软化也越严重，导致电池容量下降越快，形成恶性循环。电池经常大电流放电同样会引起极板软化。所以电动车控制器要实行限流保护,正是基于此原因。
　　B 电池的负极板硫化
　　1、电池放电以后，负极板的铅转换为硫酸铅，如果不及时充电或者充电电压较低，有部分硫酸铅晶体就会逐步聚积而形成粗大的硫酸铅结晶，采用普通的充电方式是无法恢复的所以称为“不可逆硫酸盐化”，简称硫化。
　　2、在冬季环境温度比较低的时候，电池的浮充电压应该相应的提高，否则电池欠充电就会产生，电池硫化也就产生了。
　　3、失水的电池相当于电解液的硫酸浓度变高，也形成了加速电池硫化的条件。
　　4、电池一旦出现硫化，靠单纯的浮充和均充是无法解决的，必须采取其它措施。目前消除密封电池硫化的方法有化学法和采用小电流脉冲去硫化。化学法虽然会较快的消除负极板硫化，但是其副作用——增加电池自放电。这样会形成新的失效模式。
　　C 电池的失水及热失控
　　1、电池充电达到单体电池2.35V（25℃）以后，就会进入正极板大量析氧状态，虽然对于密封电池来说，负极板具备了氧复合能力。但如果充电电流过大，负极板的氧复合反应跟不上析氧的速度，气体会顶开排气阀而形成失水。充电电压达到2.42V（25℃），电池的负极板会析氢，而氢气不能够被正极板吸收，只能够增加电池气室的气压，最后会被排出气室而形成失水。定期对电池补水是非常必要的,但对水的质量和对操作者技术的要求很严格。
　　2、电池的热失控。
　　电池充电电压达折合单格2.4V，这个电压超过了电池正极板大量析氧的电压，特别是在高温环境中，大量析氧电压会下降，这样产生的析氧量会大幅度的增加。而正极板产生的氧气在负极板会被吸收，吸收氧气是明显的放热反应，电池的温度会升高。而且氧复合反应也要产生电流，增加的电流导致充电器不能转绿灯，一直维持在高压阶段。如果电池已经出现过量失水，玻璃纤维隔板的无酸孔隙大大增加，会加速负极板吸收氧气，产生的热量会更多，电池温升也更高。而电池的温升也会加速正极板析氧，形成恶性循环——热失控。在热失控状态下，析氧量增加，电池内的气压增加，当达到塑料电池外壳的玻璃点温度的时候，电池开始鼓胀变型，这种变型除了影响电池内部的机械结构以外，还会形成电池漏气，而导致更加严重的失水漏酸。尽管电池热失控现象发生的不多，但是一旦发生热失控，电池的寿命会迅速提前结束。
　　D 电池的不均衡
　　1、电池在制造工艺中必然存在的微小差距。比如电池开阀压的区别，会导致电池失水不同。还有组装压力和极板重量不均衡等。
　　2、失水多的电池相当于电池的硫酸比重上升，导致电池开路电压增加，也是该单体电池的充电电压相当于其它电池电压高，而在串联电池组中的其它电池分配的电压就会下降，形成其它电池的欠充电。欠充电的电池内阻会增加，放电的时候电池电压会更低，充电电压跟不上，导致电池电压高的更高，低的更低。电池正极板软化的差异随着充放电也会被扩大。
　　3、当电池正极板发生软化的时候，脱落的活性物质会堵塞一部分微孔，正极板上单位面积的电流密度会增加，导致充放电活性物质的膨胀收缩更加厉害，正极板软化被加速，这样就形成的容量落后的电池更加落后。
　　4、电池的负极板发生硫化，放电的电流密度也会增加，相当于增加了放电深度，硫酸铅结晶会比较集中在放电部位，形成较大的硫酸铅结晶。硫酸铅结晶体积越大，其吸附能力也相对增加，导致硫化更加严重。所以，电池容量的下降也会形成恶性循环。
　　5、对于电池组的不均衡，目前唯一的方式是采用定期地对单个电池的充电和放电。
　　E 脉冲修复消除硫化
　　对高电阻率的硫酸铅结晶施加瞬间的高电压，也可以击穿大的结晶，如果这个高电压足够短，并且进行限流，在打穿绝缘层的条件下，充电电流不大，也不至于形成大量析气。如这样，实现了无损消除硫化。
　　F 电池的容量表示及检测
　　常用电动车电池额容量表示方法为12v10Ah（2hr）
　　其含义为：电池额定电压为12v，容量为10Ah，2hr表示2小时放电率
　　标准的容量检测设备是12v恒流放电仪，常见的有5A恒流，10A恒流，以及可调恒流的。

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平圆

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