護(hù)延神:一種新型鉛酸電池的在線維護(hù)工具

文/肖德高 吳 兵 戎善培 鐘定清

一直以來(lái)，提高電池的使用壽命是蓄電池行業(yè)努力追求的目標(biāo)。近年來(lái)雖然在電池制造技術(shù)和質(zhì)量控制方面有了提高和改善，但仍存在相當(dāng)比例的電池失效。這種失效不是由于電池本身質(zhì)量的原因造成，而是由于使用維護(hù)技術(shù)和充電技術(shù)的欠缺導(dǎo)致了電池的壽命終止。所以如何改善電池充電技術(shù)和采用電池在線維護(hù)技術(shù)來(lái)提高電池的使用壽命仍是一項(xiàng)非常有意義的課題。

1.鉛酸電池的使用和維護(hù)現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)充電技術(shù)的研究開(kāi)始增多，但電池實(shí)際應(yīng)用的充電技術(shù)仍以傳統(tǒng)的多段式恒流恒壓組合充電模式為主，而對(duì)電池脈沖維護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)研究較少；一般仍采用以下一些傳統(tǒng)的維護(hù)手段：

(1)定期用萬(wàn)用表測(cè)量各單體電池的開(kāi)路電壓和充電電壓，以此來(lái)判斷電池性能的好壞；

(2)定期對(duì)蓄電池進(jìn)行容量放電測(cè)試；

(3)定期采取均衡充電等過(guò)充電方式對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)；

(4)出現(xiàn)硫化的電池根據(jù)容量衰減程度不同，分別采取過(guò)充電法、反復(fù)充電法、水療法等進(jìn)行電池修復(fù)。

在線維護(hù)修復(fù)電池的理論和技術(shù)研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，但相關(guān)產(chǎn)品僅在近幾年才開(kāi)始逐漸開(kāi)發(fā)并投入實(shí)踐應(yīng)用，這些產(chǎn)品包括以下幾種：

澳大利亞CSIRO Energy Technology 公司開(kāi)發(fā)出Novel Pulse產(chǎn)品用于電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池的使用維護(hù)，該產(chǎn)品采用超高頻（50–500 kHz）正脈沖技術(shù)；

德國(guó)NOVITE開(kāi)發(fā)出MEGAPULSE產(chǎn)品用于汽車(chē)、船舶、摩托車(chē)等的啟動(dòng)電池，電動(dòng)叉車(chē)等動(dòng)力電池的使用維護(hù)，該產(chǎn)品采用高頻8.33 kHz正脈沖技術(shù)；

日本加茂川啟明電機(jī)株式會(huì)社開(kāi)發(fā)出的ERUMA產(chǎn)品用于電動(dòng)助力車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)輪椅、電動(dòng)高爾夫球車(chē)和其他EB車(chē)輛配用電池的使用維護(hù)，該產(chǎn)品采用8.33kHz負(fù)脈沖技術(shù)等等。

上述電池維護(hù)修復(fù)產(chǎn)品雖各具其優(yōu)勢(shì)，但存在技術(shù)單一，適用面較窄等不足之處，而鉛酸電池應(yīng)用范圍非常廣，電池使用過(guò)程面臨的問(wèn)題也比較復(fù)雜。為擴(kuò)大電池維護(hù)修復(fù)的使用效果和適用范圍，筆者在融合相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了一種更合理的在線電池維護(hù)修復(fù)產(chǎn)品——護(hù)延神。

2.護(hù)延神的技術(shù)原理及應(yīng)用

護(hù)延神是上海錦鵬科技有限公司注冊(cè)的專利產(chǎn)品名稱，是針對(duì)鉛酸蓄電池使用壽命過(guò)短而研發(fā)的集維護(hù)與修復(fù)功能于一體的蓄電池智能在線管理裝置，其主要功能是延長(zhǎng)新電池使用壽命，對(duì)因硫化致容量下降的在用電池可通過(guò)逐步消除硫化而有效恢復(fù)電池容量。

護(hù)延神產(chǎn)品分為4種系列，即牽引系列、起動(dòng)系列、固定閥控系列和助動(dòng)車(chē)系列。其中：牽引系列適用于電動(dòng)叉車(chē)、鏟車(chē)、環(huán)衛(wèi)清運(yùn)車(chē)、游覽觀光車(chē)、高爾夫球車(chē)等；起動(dòng)系列適用于汽/柴油的轎車(chē)、客車(chē)、卡(集)車(chē)、工程車(chē)輛；固定閥控系列適用于電信、電力、銀行等機(jī)房和基站的備用電源；助動(dòng)車(chē)系列適用于電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)等。

2.1 護(hù)延神的技術(shù)原理

鉛酸電池以多孔性二氧化鉛作為正極活性物質(zhì)，高比表面積多孔結(jié)構(gòu)的海綿狀金屬鉛作為負(fù)極活性物質(zhì)，電解質(zhì)在充電狀態(tài)下是相對(duì)密度為1.28g/mL～1.34g/mL或者質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%～45%的硫酸溶液，電池放電時(shí)兩個(gè)電極的活性物質(zhì)分別轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，充電時(shí)，反應(yīng)向相反方向進(jìn)行。

鉛酸蓄電池失效可能是多種原因造成的，例如硫化、失水、熱失控、活性物質(zhì)軟化脫落等等，在充電不足或欠充的情況下，電池的硫酸鹽化將成為一種比例較高的失效模式。

護(hù)延神的主要技術(shù)原理是應(yīng)用電子學(xué)與電化學(xué)技術(shù)的協(xié)同作用和相互優(yōu)勢(shì)的有機(jī)結(jié)合，既采用了復(fù)合諧振多重脈沖技術(shù)，通過(guò)各種諧振波脈沖的作用，在電池充電的過(guò)程中有效地促進(jìn)極板上活性較低的硫酸鉛結(jié)晶的轉(zhuǎn)化，又在電池的擱置過(guò)程中有效地抑制惰性硫酸鉛的形成，還采用護(hù)延神設(shè)置的先進(jìn)電子控制技術(shù)，改善和優(yōu)化電池充電器的充電特性，有效地提高了在充電后期電池的充電接受能力，從而達(dá)到延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。

2.2 護(hù)延神中的脈沖充電技術(shù)對(duì)電池的維護(hù)作用

(1)改善活性物質(zhì)的顆粒結(jié)構(gòu)和電化學(xué)特性 脈沖充電能提高鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)和界面的活性。在電池循環(huán)壽命期間，較大活性物質(zhì)顆粒的形成或由于Pb02活性物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中水含量的減少使電化學(xué)活性降低，活性物質(zhì)孔隙度的變異以及Pb02活性物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解體等都影響正極板的循環(huán)壽命。護(hù)延神中所設(shè)置的特定脈沖充電電流對(duì)于活性物質(zhì)及界面的結(jié)構(gòu)有“焊接”和去鈍化層的作用，有利于形成更緊湊的正極活性物質(zhì)骨架，對(duì)正極活性物質(zhì)和表面的結(jié)構(gòu)施加有利的影響。脈沖充電形成的正極活性物質(zhì)由于來(lái)不及長(zhǎng)大而使活性物質(zhì)的顆粒尺寸較小，活性物質(zhì)之間的連接較緊湊，使得正極板的孔隙較大，從而有利于循環(huán)壽命的延長(zhǎng)。

(2)減少電極極化 蓄電池在充電過(guò)程如果采用的充電方法不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的極化效應(yīng)。歐姆極化和電化學(xué)極化只需充電電流下降到足夠小或停止即可在毫秒或微秒內(nèi)減小或消除，而濃度差極化消除時(shí)間較長(zhǎng)。消除濃度差極化有3個(gè)途徑：①高速旋轉(zhuǎn)電極或強(qiáng)制性對(duì)流電解液，②添加支持電解質(zhì)，③間隙中斷或降低充電電流，以保持離子通過(guò)遷移和擴(kuò)散而傳輸?shù)乃俣茸銐驖M足電極上電子交換反應(yīng)的需求。

當(dāng)充電電流流過(guò)被充電池時(shí)，電極的極化即已產(chǎn)生。電流密度加大，電池的極化也加大。可見(jiàn)，充電過(guò)程中出現(xiàn)電極極化是必然的。如何有效而合理地控制好電極極化對(duì)電池的充電是十分重要的。合理的極化是當(dāng)鉛酸電池充電時(shí)，期望在發(fā)生析氣前，電池能達(dá)到最大的充電接受。不合理的極化要么導(dǎo)致電池欠充，要么使電池電壓過(guò)高、電池溫度升高、充電效率降低以及過(guò)早地進(jìn)入析氣反應(yīng)。

護(hù)延神中所設(shè)置的特定脈沖充電方式通過(guò)充-停-放-停的工作模式，可以實(shí)現(xiàn)在最大限度地加大電流密度的同時(shí)又能有效消除或降低離子的濃差極化，有效地?cái)U(kuò)散聚集在電極上因極化而產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)高效、低析氣率的大電流快速充電。

(3)消除硫酸鉛積累 如果電池使用和維護(hù)不善，例如經(jīng)常充電不足或頻繁過(guò)放電，就會(huì)形成一種粗大堅(jiān)硬的不可逆硫酸鉛，這些不能完全反應(yīng)的硫酸鉛在負(fù)極板表面逐漸積累，直到電池電量降低到要求容量以下。如果采用常規(guī)恒壓或恒流充電，消除這種活性差的硫酸鉛非常困難。如果采用護(hù)延神所設(shè)定的脈沖充電，則恢復(fù)效率會(huì)大大提高。護(hù)延神所提供的脈沖電流可以看成是由一系列頻率的交流電流組成，由于集膚效應(yīng)，當(dāng)一定頻率的交流電流流過(guò)某一導(dǎo)體時(shí)，電流僅流過(guò)導(dǎo)體界面的外表面。集膚深度可以用下式表示：

其中，ρ是導(dǎo)體電阻率(如鉛為：2.053×10-7Ω·m)，μ是導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，對(duì)于非鐵磁材料電池極板，可以認(rèn)為是自由空間磁導(dǎo)率(4π×lO-7H/m)，f為頻率。

顯然，充電電流頻率越高，則電流越集中在極板表面，積累在極板表面的硫酸鉛越易于發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，充電反應(yīng)能夠進(jìn)行較充分，且抑制了析氫反應(yīng)的發(fā)生。然而，由于電容效應(yīng)，太高的脈沖頻率，會(huì)導(dǎo)致充電效率降低。護(hù)延神通過(guò)大量試驗(yàn)工作，充分考慮到采用脈沖充電時(shí)脈沖頻率對(duì)硫酸鉛轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響，選擇了合適的脈沖頻率，最大限度地消除了硫酸鉛在極板表面的積累，有效地提高了對(duì)電池的維護(hù)和修復(fù)功能。

護(hù)延神的修復(fù)效果可以通過(guò)掃描電子顯微鏡明顯地觀察到：（見(jiàn)圖1）

圖1 護(hù)延神修復(fù)前后負(fù)極活性物質(zhì)的SEM圖

(a)嚴(yán)重硫化的負(fù)極板

(b)經(jīng)護(hù)延神修復(fù)的負(fù)極板

蓄電池的充電問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，鉛酸蓄電池的充、放電過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其復(fù)雜性表現(xiàn)為：

⑴多變量 影響因素多，諸如電解液的濃度、極板的厚度、活性物質(zhì)的活性、環(huán)境溫度等。

⑵非線性 一般而言，蓄電池可接受充電電流在充電過(guò)程中隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能用恒流或恒壓充電方式獲得。

⑶離散性 即使同一類型、相同容量的蓄電池，隨著各自使用時(shí)放電條件和狀況的不同，可接受充電電流也有很大的不同。

圖2 不同充電方式的電流電壓設(shè)置曲線

如何選擇正確、良好的充電方法來(lái)確保電池的使用壽命？電池的充電方法多種多樣，充電方法的不同，對(duì)蓄電池的影響較大。傳統(tǒng)的充電模式有恒流充電、恒壓充電和恒流恒壓組合充電等，但這些充電方法充電時(shí)間長(zhǎng)，充電控制要求高，控制不當(dāng)或不及時(shí)會(huì)對(duì)蓄電池本身造成損害，影響蓄電池的使用壽命。隨著充電方法研究的深入，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)提出一些新的充電方法，如分級(jí)定流充電法、脈沖式充電法、變電流電壓間歇充電法等（如圖2中a～f所示），這些充電方法在改善和提高電池充電效率方面具有重要的借鑒作用。

結(jié)合先進(jìn)的充電特性曲線，護(hù)延神基于脈沖充電技術(shù)對(duì)電池所起的維護(hù)作用，設(shè)計(jì)軟件控制的電子線路發(fā)送一定參數(shù)的脈沖信號(hào)來(lái)觸發(fā)充電器進(jìn)行相應(yīng)的充電控制，只需將工作狀態(tài)下的電池在線接入護(hù)延神，即可對(duì)原有電池充電器的充電曲線進(jìn)行優(yōu)化改善及整合，由此可對(duì)整組或落后電池的性能起到顯著的修復(fù)和維護(hù)作用。

3.護(hù)延神的使用效果

實(shí)例1 上海賽科利汽車(chē)模具技術(shù)應(yīng)用有限公司(見(jiàn)表1)：

表1

實(shí)例2 南京中萃食品有限公司(見(jiàn)表2、3和圖3)：

南京中萃食品有限公司奮斗物流中心共計(jì)14組電池，分別是2008年3組、2009年5組、2010年6組。從2011年9月下旬全部使用護(hù)延神產(chǎn)品，歷時(shí)一年的使用過(guò)程中進(jìn)行效果跟蹤測(cè)試，其數(shù)據(jù)如下。

表2

備注：第一次測(cè)試為初始測(cè)試(見(jiàn)表4和圖4)：

表3

圖3 使用前后各電池組I5放電時(shí)間對(duì)比圖

實(shí)例3 上海貝爾物流中心

表4

該組48V-560Ah電池啟用時(shí)間為2006年6月，初始容量?jī)H為額定容量的4.82%，經(jīng)3個(gè)月護(hù)延神修復(fù)后達(dá)到額定容量的21.39%；從放電曲線看放電平臺(tái)提高了，曲線斜率（slope）也趨于緩和了，修復(fù)效果十分明顯。

實(shí)例4 杭州中萃食品有限公司(見(jiàn)表5和圖5)：

圖4 使用前后電池組放電時(shí)間與電壓的曲線

這二組電池使用前后的放電曲線變化明顯：放電曲線變緩，其曲線的（slope）斜率分別從原來(lái)的-84.8973和-84.4568變化為-49.1355和43.5782；放電電壓平臺(tái)抬高。總之，放電能力得到明顯的提高。

表5

圖5 修復(fù)前后電池組放電時(shí)間與電壓的曲線

4.經(jīng)濟(jì)技術(shù)社會(huì)效益分析

鉛礦是不可再生資源，儲(chǔ)量有限，按目前的開(kāi)采水平，我國(guó)鉛礦資源可采儲(chǔ)量只夠開(kāi)采 6～7 年。資源壓力、再生鉛技術(shù)滯后壓力制約蓄電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 2008年中國(guó)電鉛產(chǎn)量約286萬(wàn)噸，約占全球總量850萬(wàn)噸的33.6%，鉛酸蓄電池耗電鉛220萬(wàn)噸，占我國(guó)鉛總量70%左右(一部分為進(jìn)口鉛)。2009年電鉛產(chǎn)量約400萬(wàn)噸（再生鉛比例約占38%），年增長(zhǎng)維持在20%以上 。

（1）經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益分析

近年來(lái)，節(jié)能與環(huán)保已成為全世界共同關(guān)注的課題。在鉛酸蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域安裝使用護(hù)延神產(chǎn)品，可以在線對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)修復(fù)和延長(zhǎng)電池的使用壽命。

①直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值：提升電池容量，延長(zhǎng)電池壽命。

②間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值：節(jié)約能耗工時(shí)，降低電池購(gòu)買(mǎi)的漲價(jià)風(fēng)險(xiǎn)。

③社會(huì)公益價(jià)值：降低鉛污染；促進(jìn)節(jié)能減排。

（2）社會(huì)效益節(jié)能減排（耗）效果分析

①通過(guò)安裝護(hù)延神延長(zhǎng)鉛酸蓄電池使用壽命，可有效介入鉛的生命周期管理，明顯減少制造企業(yè)的用鉛量。

鉛酸蓄電池的制造主要原材料為鉛，僅2008年，我國(guó)用于生產(chǎn)鉛酸蓄電池的耗鉛量已達(dá)到近380萬(wàn)噸（電解鉛和再生鉛），年生產(chǎn)電池量1.4億KVAH(千伏安時(shí))以上。

目前國(guó)內(nèi)鉛酸蓄電池的生產(chǎn)增長(zhǎng)主要集中在以電動(dòng)車(chē)電池為主的動(dòng)力鉛酸蓄電池，數(shù)量占整個(gè)鉛酸蓄電池產(chǎn)量的40%左右，該類電池作為深循環(huán)使用，壽命僅為1.5年左右，每年用鉛量占20%以上，傳統(tǒng)的啟動(dòng)電池壽命約為2～3年，其他電池平均壽命約為3～5年。

按照護(hù)延神產(chǎn)品可以增加鉛酸電池使用壽命約1倍，以鉛酸蓄電池用鉛量400萬(wàn)噸計(jì)算，則每年鉛酸電池用鉛量減少為：

400×（0.2×1/1.5+0.2×1/2.5+0.6×1/4）=145.2(萬(wàn)噸)

②可以降低鉛酸蓄電池生產(chǎn)需求壓力，減少鉛酸蓄電池從鉛采礦、冶煉到電池制造產(chǎn)業(yè)鏈的建廠投資。

按照2003年的有關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)建造10000噸鉛/年規(guī)模的鉛冶煉廠項(xiàng)目總投資約2250萬(wàn)元，采礦部分投資約為冶煉部分的2倍，按用鉛量145.2萬(wàn)噸中的60%為電解鉛和40%為再生鉛計(jì)算，減少采礦冶煉建廠投資資金為：

145.2×0.6×2250×3+145.2×0.4×2250=718740（萬(wàn)元）

2010年鉛酸電池生產(chǎn)量1.4億KVAH(千伏安時(shí))以上，由于電池需求量降低36.3%，按年產(chǎn)30萬(wàn)KVAH制造廠投資7000萬(wàn)元計(jì)算，可減少電池制造廠投資資金為：

(14000×0.363/30)×7000=1185800(萬(wàn)元)

每年共計(jì)節(jié)約投資資金為：1904540（萬(wàn)元）

③通過(guò)安裝護(hù)延神延長(zhǎng)鉛酸蓄電池使用壽命，可減少制造企業(yè)的排鉛量，按目前的清潔生產(chǎn)要求，環(huán)保投資約占建廠總投資8%計(jì)算，每年可以減少環(huán)保投資為：

1185800×0.08=94864（萬(wàn)元）

可相應(yīng)減少電池制造帶來(lái)的水電煤等能源消耗和原材料、制造、人工等費(fèi)用。按鉛酸蓄電池平均制造成本0.55元/VAH計(jì)算，每年減少費(fèi)用為：

140000000000×0.363×0.55/10000=2795100（萬(wàn)元）

可減少因電池報(bào)廢帶來(lái)的環(huán)境污染壓力，目前每年鉛酸蓄電池的報(bào)廢量在1億只左右，按每年減少蓄電池報(bào)廢量的15%計(jì)算，每年可減少?gòu)U電池?cái)?shù)量為：

10000×0.15=1500（萬(wàn)只）

可給鉛酸蓄電池應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)高比例的成本節(jié)約，以48V-485AH鉛酸蓄電池20組為例(見(jiàn)表6)：

表6

5.結(jié)語(yǔ)

本文所論及的護(hù)延神產(chǎn)品相比目前市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品具智能化程度高、多種技術(shù)組合和使用效果明顯等特點(diǎn)，已在太古可樂(lè)、中糧可樂(lè)等企業(yè)和電動(dòng)助力車(chē)用戶中推廣使用。

多年的實(shí)踐結(jié)果表明：使用護(hù)延神后鉛酸電池的容量和放電時(shí)間均得到不同程度的提高，并能保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的狀態(tài)，各單體電池的一致性也趨于完好，電池的硫化問(wèn)題得到了有效的克服，電池的使用壽命也得到了延長(zhǎng)。

電池的在線修復(fù)與維護(hù)是一門(mén)包含多學(xué)科交叉的復(fù)雜的應(yīng)用技術(shù)，護(hù)延神中的技術(shù)參數(shù)與電池電性能參數(shù)的合理匹配選擇至關(guān)重要。在現(xiàn)有技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，筆者將繼續(xù)進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與測(cè)試，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，研究護(hù)延神工作脈沖參數(shù)與電池電性能參數(shù)合理匹配的關(guān)系，持續(xù)不斷地進(jìn)行技改創(chuàng)新，以盡快將該項(xiàng)技術(shù)延伸應(yīng)用于其他電池領(lǐng)域。

〔1〕王偉.“鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟硬件研究”，杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004

〔2〕潘尚智.“閥控式鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)”，杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，200l

〔3〕羅光毅.“蓄電池智能管理系統(tǒng)”，杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003

〔4〕丁昂.“閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池脈沖充電技術(shù)及其智能管理”， 杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006

〔5〕李開(kāi)貴.“WFK—XSC IOA一Ⅱ電池內(nèi)化成智能脈沖充／放電柜”，廣州：《蓄電池》2006年第4期

〔6〕朱松然.“鉛酸電池實(shí)用手冊(cè)”，機(jī)械工業(yè)出版社出版，1996