电动自行车铅酸善电池的维护

摘要：提高铅酸电池的使用寿命，除需要对生产技术要素进行改进外，电池的维护和修复也是一个很重要的环节，有效的电池维护和修复方法有助于延长电池寿命。本文描述了电动车铅酸蓄电池工作原理及寿命的定义，分析了电动自行车电池充放电过程中的问题，提出了延长电池使用寿命的方法，介绍一些日常的维护方法以及现有修复仪器的使用情况。
关键词：电动自行车；铅酸蓄电池；维护

0 引言
车载能源系统是电动车商业化的主要障碍，无论是现在还是可以预见的将来，电动车发展的大多数重要方面都会与开发不同种类的能源有关。电动车的车载能源包括蓄电池、燃料电池、超级电容和飞轮等多个种类。而由于蓄电池的技术成熟性和经济性，蓄电池在现在和将来很长一段时间内，都将成为电动车的主要车载能源。长期以来，电动自行车蓄电池存在的主要问题就是使用寿命短，往往达不到正常的使用期限便不能使用了。从国内外电动自行车蓄电池使用情况看，发现它们除了有制造材料和生产工艺方面的问题，更多的却是使用过程中充放电不当所造成的。本文主要针对铅酸蓄电池充电和放电不当对蓄电池使用寿命的影响问题进行分析，提出一些对用户在使用过程中有助于延长电池寿命的维护方法，以及相关的修复仪器的使用情况。

1 电动车铅酸蓄电池
目前能够被电动自行车采用的有以下四种动力蓄电池，即阀控铅酸免维护蓄电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。胶体铅酸蓄电池是铅酸蓄电池的改进型，用胶体电解液代换硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面都优于阀控铅酸蓄电池。镍氢蓄电池和锂离子蓄电池成本太高，价格昂贵，还没有得到进一步推广使用。而铅酸蓄电池由于性能可靠，生产工艺成熟，价格低廉，是目前业已商品化的可用于电动车的电池之一。
1)蓄电池电池工作原理
铅酸蓄电池的负极是海绵状的铅制成，正极是二氧化铅制成，海绵状的铅和二氧化铅均为活性物质，在比重为1．28的硫酸水溶液(电解液)中进行电化学反应。
放电反应：Pb+Pb02+2H2S04=2PbSO4+2H2O
充电反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
铅酸蓄电池充电时，变成硫酸铅的正负两极的海绵状的铅，把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中，在电流作用下能重新生成正极的二氧化铅和负极的海绵状的铅，电解液中的硫酸浓度不断增大；反之，放电时，正极中的氧化铅和负极板上的海绵状的铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度渐渐降低。
2)电池的组合与主要构件
铅酸密封蓄电池由正、负极板、隔板和电解液、电池槽及连接条(或铅零件)、接线端子和排气阀等组成。一只蓄电池一般由3个单格(6V电池)或6个单格(12V电池)组合而成。
每个单格由若干片正极板与若干片负极板(负极板比正极板多一片)，间隔重叠而成，中间用超细玻璃纤维隔板隔离。数片正极板用铅合金焊接在一起组成正极群，同样数片负极板用铅合金焊接在一起组成负极群，正、负两极群都装于电池槽内组成单体蓄电池。单体电池之间用铅零件或连接条从单格之间的电池槽隔板顶端(或穿孔或穿壁焊)以串联形式连在一起。电池槽盖用密封胶粘结。首尾单格作引出端子，引出正负极。
极板是蓄电池的核心部件，被誉为蓄电池的“心脏”。极板硫化是铅蓄电池常见的故障，也是电池损坏的主要因素之一。隔板被誉为蓄电池“第三电极”。它用以隔离正、负极，防止短路。作为电解液的载体，它能够吸收大量电解液，起到离子良好扩散(离子导电)的作用。对密封蓄电池而言，隔板还作为正极板产生氧气到达负极板的“通道”，使其顺利地建立氧循环，减少水损失。采用超细玻璃纤维是让隔板式蓄电池实现免维护的关键。电解液主要由蒸馏水与硫酸组成，配以一些添加剂混合而成。主要作用：一是参与电化学反应，是蓄电池活性物质之一；二是起导电作用，蓄电池使用时通过电解液中离子迁移，起到导电作用，使电化学反应得以顺利进行。

2 蓄电池充放电问题及其危害
电动车电池一般一年左右就要更换新电池，对电动车用户来说是一个比较重的负担。正常使用蓄电池的充放电循环可达300次以上，而实际使用过程中往往发现蓄电池的寿命远远低于这个充放电循环次数。蓄电池的一个工作循环为充电与放电过程，因此，充放电过程对蓄电池寿命起着至关重要的影响。
1)充电不足和过充电
当铅酸蓄电池充电不足时，正负两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，部分硫酸铅得不到及时还原而残留在极板上，残留的硫酸铅又会析出并在极板上重新结晶。如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣、寿命降低。
反之如果电池过充，负极产生的氧气量大于负极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，活性物质因脱落而减少，使蓄电池容量下降，当极板上活性物质减少到一定的程度后，蓄电池便不能发挥作用，电池寿命大大缩短。当前许多电动自动车的电池，使用一年甚至几个月，大量电池就出现失水胀肚的报废原凶，归根结底，大都是严重地过充电导致热失控造成的。
2)大电流放电与过放电
蓄电池放电过程中主要的损坏因素有两个：一是大电流放电。一般的铅酸电池最大放电电流为12A，而电动自行车选用胶体电池，所以最大放电电流更小。电动自行车在采用电起动时，蓄电池属于大电流放电，这时极板表面快速生成一层硫酸铅，它隔绝了电解液与深层中的活性物质发生反应，使蓄电池内阻增大、电压降低，速率提高，不能发挥出应有的效能。如果驾驶人员常连续使用电起动，使得蓄电池更进一步过度地大电流放电。这样造成短时间内生成大量的硫酸铅，体积过分膨胀，对活性物质的结合力下降，使极板变形、弯曲，加速活性物质脱落，直至极板断裂损坏。二是过放电，过放电可加剧板栅腐蚀，在板栅活性物质界面产生高电阻层，并引起正极活性物质软化脱落，使电池放电容量迅速下降，促使电池早期失效。

3 蓄电池的运行维护
1)蓄电池正确维护
蓄电池的寿命主要是由其内在质量决定的。蓄电池在一定意义上是可以通过修复来延长使用寿命，但这是有条件的。正常的蓄电池，若能有良好的使用维护，就能充分发挥蓄电池潜力，达到应有的使用寿命；否则，不但不能充分发挥蓄电池潜力，而且使用寿命也会明显缩短。
(1)要及时充电
蓄电池放电时就开始了盐化反应(硫化反应)，及时充电可以将具有活性的硫酸铅及时转化为活性的海绵状的铅和二氧化铅，若放置12小时以上，活性的硫酸铅就会再次结晶成为较大晶体颗粒，成为不可逆盐化(硫化)。如果每次骑行都需要及时充电，使电池处于浅循环状态，会延长电池的使用寿命。遇到电池系统有两只电池端电压低于2．18V，或电池放电量在20％以上或搁置停用时间超过3个月，或全浮充电运行达6个月等情况，应及时对电池进行充电。
(2)选择与蓄电池匹配的充电器
充电器决定了对蓄电池的充电电流大小、充电的控制方式，直接影响蓄电池的寿命。蓄电池组的容量和电压决定了充电的参数，所以，充电器应采用充电参数与蓄电池特性匹配和有防止热火、失控保护的充电器。确保电池可充满，不会因欠充造成电池容量不正常的衰减，又要确保电池在全寿命期间不会因过充而产生热失控。
(3)养成良好的骑行方法
首先，不要在无初速度状态下直接电启动，骑行时，遇到爬坡，可以适当加上人力骑行，切忌突然加速。因为在上述情况下，瞬间电流可达到十几安培，长时间大电流放电会加重盐化，会因电池温度过高形成失水、极板变形、活性物质脱落等现象，使电池寿命缩短；骑行中应根据路况巧妙利用滑行，尽量减少强行刹车和反复启动，这样既可以节约能源，又可以延长蓄电池的使用寿命。滑行过程是不耗电的，就电池来说，偶尔让它休息一下比较好，电池内的两种物质发生化学反应时，就会产生电力。但是它们发生化学反应时，其实是从一端流到另一端的。物质在它们原始位置时的化学反应是最大的，所以暂停供电时段就给这些成分一个均衡的机会。如果这些液态物质回流到它们应该处的位置，电池就能够产生更大的电力。所以，用不同的骑行方法对电池的保护是有用的。此外，减小车身自重，去掉不必要的装饰件，不要搭载重物。
(4)要尽量少深度放电，但也要定期深度放电用在汽车上的铅酸蓄电池只是在点火时单向放电，点火后发电机会对电池自动充电，不造成电池深度放电。而电动自行车在骑行时不可能充电，经常会超过60％的深度放电，深度放电时，硫酸铅浓度增加，会在极板深处生成较多的硫酸铅。但也有必要进行定期深度放电，一般2个月进行1～2次深度放电，对电池容量的提升是有益的。所谓深度放电是指在平坦路面上，正常负荷条件下骑行到第一次欠压保护的完全放电，或者用放电仪进行完全放电，也就是使每个单体电压下降到1．75V。然后再给电动车进行完全充电，这样会使电池容量略有提升。
(5)启用电压一温度补偿功能
蓄电池对温度非常敏感，电池电压与环境温度有关，建议启用电压一温度补偿功能。单只电压一温度补偿系数要视电池类型而区别，通常可取2～3．6mV／℃。
2)蓄电池修复仪器的使用
近年来，国内的蓄电池各种各样的脉冲修复仪多得让人眼花缭乱，其功能也被说得天花乱坠。不同型号的仪表测量结果的差异性较大，由于各种测量仪的测量频率、测量方法(相位差法、有效值法、调制解调法、比较法等等)和测量电流相差较大，使得使用不同的测量仪对同一块电池的测量结果相差较大。造成用户选择仪表的困难，以及对于仪表测量结果的可信度的怀疑。
(1)可除硫充电器
可除硫充电器的工作原理：周期性地采用10％～20％的过充电的方法，还原电池的硫酸铅结晶。可除硫充电器可以在充电时除硫，但会造成欠充或过充，也忽略了电池放电过程才是最主要的硫化过程这一事实。所以，效果并不理想，大部分用户在具备电动车配备的充电器后会放弃这种重复投资的除硫方式。
(2)铅酸蓄电延生器
据称，只要将铅酸蓄电延生器接在电池组上，靠电池组自身供电，可在充电、存放和放电时都能对电池有修复作用，可延长电池寿命一倍上，但经过试验，效果并不明显。
(3)蓄电池延寿修复器
利用电子的脉冲功能，通过设备发出电子脉冲波，连续清除极板上的硫酸结晶物，去除铅酸蓄电池的硫化现象，并有效防止新的硫化结晶物的产生，从而使废旧蓄电池恢复原动力，实现铅酸蓄电池再生。经过近几年的实践验证，是一个行之有效、切实可行的方法。
蓄电池延寿修复器的工作原理：根据原子物理学和固体物理学的原理，硫离子具有5个不同的能级状态，每一个特定的能级都有唯一的谐振频率，处于亚稳定能级状态的离子会趋向或迁落到最稳定的最低能级(共价键能级)，通过提供给一定的能量阻止这种情况发生，使得被激活的分子迁移到更高的能级状态，从而才能转化为溶解于电解液的自由离子，参与电化学反应。
蓄电池延寿修复器的作用：①通过连续充放特殊脉冲电流，把覆盖电极板上的硫酸铅沉淀物逐渐催化分解，且不会损伤电极板；②将硫酸铅分解为铅、二氧化铅、水，还原在电解溶液中，还原蓄电池容量，延长使用寿命(剥离的硫酸铅还原在电解液中)；③蓄电池在大电流放电或深度放电时，极板析气会产生大量的气泡，这些附在极板上的绝缘的气泡使电极板有效面积减少，造成极板的不可逆损伤。蓄电池延寿修复器产生的特殊脉冲可以清除极板上的这些气泡，保护了蓄电池电极板，非常有效地延长了蓄电池寿命。
家用的蓄电池延寿修复器是利用脉冲电波形对蓄电池进行修复和维护的，是需要长期使用的。蓄电池延寿修复器一般有二种方式接在蓄电池上(并联)。一种是有二个插头，一个插头插在电瓶充电接座上，另一个插头与充电器插头对接；另一种是有红、黑二根接线，分别接在电瓶组的正、负极上。这种方式对安装要求高些，需要打开电瓶组的盒子，用电烙铁将接线焊在正、负极上，再用双面胶将蓄电池延寿修复器固定在电瓶组盒内的空档中。安装好以后24小时工作，能更好地起到修复和维护蓄电池的作用。在实践中证实：后一种方式更适合对电动自行车蓄电池的修复和维护。

4 结束语
上述蓄电池使用过程中充放电不当对蓄电池所造成的破坏是不容忽视，它直接影响到蓄电池使用寿命。通过对铅酸蓄电池充放电过程进行分析，进一步了解充放电不当对蓄电池损坏的影响，提高用户的维护意识。让用户自主加入到维护工作当中来，对蓄电池的使用来说，无疑是可行的、有现实意义的。