真兇1硫化

 

德國銀杉鉛酸蓄電池充放電的過程是電化學(xué)反應(yīng)的過程，放電時(shí)，生成硫酸鉛，充電時(shí)硫酸鉛還原為氧化鉛。

 

這個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程正常情況下是循環(huán)可逆的，但硫酸鉛是一種容易結(jié)晶的鹽化物，當(dāng)電池中電解溶液的硫酸鉛濃度過高或靜態(tài)閑置時(shí)間過長時(shí)，就會(huì)"抱成"團(tuán)，結(jié)成小晶體，這些小晶體再吸引周圍的硫酸鉛，就象滾雪球相同形成大的惰性結(jié)晶，這就破壞了原本可逆的循環(huán)，導(dǎo)致硫酸鉛部分不可逆。結(jié)晶后的硫酸鉛充電時(shí)不但不能再還原成氧化鉛，還會(huì)吸附在柵板上，造成了柵板工作面積下降，鉛酸蓄電池發(fā)熱失水，鉛酸蓄電池容量下降，這一現(xiàn)象叫硫化，也就是常說的老化。硫化還會(huì)導(dǎo)致短路、活性物質(zhì)松弛脫落、柵板變形斷裂等"并發(fā)癥"。

 

只要是德國銀杉鉛酸蓄電池，在使用的過程中都會(huì)硫化，但其它領(lǐng)域的鉛酸電蓄池卻比電動(dòng)自行車上使用的鉛酸蓄電池有著更長的壽命，這是因?yàn)殡妱?dòng)汽車的鉛酸蓄電池有著一個(gè)更容易硫化的工作環(huán)境。

 

與汽車用啟動(dòng)電池不同，汽車電池點(diǎn)火放電后，電池始終處于浮充狀態(tài)，放電形成的硫酸鉛很快又被轉(zhuǎn)化為氧化鉛，而電動(dòng)汽車放電時(shí)，不可能同時(shí)進(jìn)行充電，這就造成硫酸鉛大量堆集，假如深放電，這時(shí)硫酸鉛濃度更高，而且電動(dòng)汽車騎行后很難有條件及時(shí)充電，放電形成的硫酸鉛不能及時(shí)充電轉(zhuǎn)化為氧化鉛，就會(huì)形成結(jié)晶。

 

所以，循環(huán)壽命，根據(jù)放電深度不同而差別很大，放電深度越深，循環(huán)次數(shù)越少，放電深度越淺，循環(huán)次數(shù)越多，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果放電深渡與循環(huán)次數(shù)聯(lián)系如下表：

 

一些鉛酸蓄電池在做70%的1C充電和60%的2C放電中，由于采用持續(xù)大電流循環(huán)，破壞了電池生成大硫酸鉛結(jié)晶的條件，所以可能看不到鉛酸蓄電池硫化對(duì)電池的破壞。假如試驗(yàn)中途停頓，鉛酸蓄電池硫化的問題就會(huì)顯現(xiàn)。

 

由于電池重量大，一些用戶經(jīng)常采取電池經(jīng)過多次使用放完電才再次充電，這樣電池放電以后沒有及時(shí)充電，鉛酸蓄電池硫化就比較嚴(yán)重。

 

另外，鉛酸蓄電池的硫酸比重比較高，也是鉛酸蓄電池硫化的重要因素。而鉛酸蓄電池硫化，破壞了負(fù)極板氧循環(huán)的能力，形成加速失水。這樣，鉛酸蓄電池的硫酸比重更加高，導(dǎo)致更加容易導(dǎo)致鉛酸蓄電池硫化。所以，鉛酸蓄電池硫化的程度可能不同，但是對(duì)鉛酸蓄電池的壽命影響卻是普遍的。
 

真兇2失水

 

密封鉛酸蓄電池的最基本原理之一就是正極板析氧以后，氧氣直接到負(fù)極板與負(fù)極板的析氫還原為水，考核鉛酸蓄電池這個(gè)技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)叫做"密封反應(yīng)效率"，這種現(xiàn)象叫做"氧循環(huán)"。這樣，鉛酸蓄電池的失水很少，實(shí)現(xiàn)了"免維護(hù)"，就是免加水。但密封鉛酸蓄電池的這種氧循環(huán)在電動(dòng)自行車上卻被破壞，導(dǎo)致電池大量失水。

 

為了滿足電池在8小時(shí)以內(nèi)充滿電，所以在三段式恒壓限流充電中，如36伏充電器的恒壓為44.4伏，3個(gè)單體電池共有18個(gè)單格，折合單格電壓就為2.466V。這樣，大大超過電池正極板析氧電壓的2.35V和負(fù)極板析氫電壓的2.42V。一些充電器制造商的產(chǎn)品為了降低充電時(shí)間的指示，提高了恒壓轉(zhuǎn)浮充的電流，而使得充電指示充滿電以后，還沒有充滿電，就靠提高浮充電壓來彌補(bǔ)。這樣，很多充電器的浮充電壓超過單格電壓2.35V，這樣在浮充階段還在大量析氧。而鉛酸蓄電池的氧循環(huán)又不好，這樣在浮充階段也在不斷的排氣。

 

一組36伏鉛酸蓄電池有3個(gè)單體電池，每個(gè)單體電池有6個(gè)單格，每個(gè)單格有15塊以上正負(fù)柵板，一組電池就最少有270個(gè)焊點(diǎn)，假如出現(xiàn)千分之一的虛焊就會(huì)導(dǎo)致每4組電池必然有一組不合格，而鉛鈣板非常容易因析鈣而造成虛焊，所以電池制造商普遍采用低銻合金板，而低銻合金的析氣電壓更低，電池出氣量更大，失水就更加嚴(yán)重。

 

浮充鉛酸蓄電池的硫酸標(biāo)準(zhǔn)比重應(yīng)該在1.21~1.28之間，但為適應(yīng)電動(dòng)自行車大容量、大電流放電的要求，電池的硫酸比重一般都在1.36~1.38左右。由于電池的硫酸比重相對(duì)高了很多，所以，電池的硫化也相對(duì)嚴(yán)重。電池放電以后到第二天充電以前，硫酸比重高的電池的硫化明顯。這樣，更加降低了負(fù)極板氧循環(huán)的能力。而失水以后的電池，失去的重要是水，留下了硫酸的成分，相當(dāng)于進(jìn)一步提高了硫酸的比重，這樣就使鉛酸蓄電池更加容易硫化。所以，鉛酸蓄電池硫化加重了失水，失水又加重了硫化。對(duì)用戶而言，"密封"是必要的，否則酸液溢出的后果不堪設(shè)想，但在電動(dòng)汽車領(lǐng)域過份地推廣"免維護(hù)"的概念是不合適的。

 

真兇3熱失控

 

鉛酸蓄電池在充入電量達(dá)到70%以后，鉛酸蓄電池的極化電壓相比較較高，充電的副反應(yīng)開始逐步新增，電解水開始了。在充電的單格電壓達(dá)到2.35V以后，首先正極板析氧，在達(dá)到2.42V以后，負(fù)極板開始析氫。這時(shí)候充電的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能減少，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娊馑哪芰啃略觥３潆娺^程的是否析氣取決于充電電壓，析氣量取決于達(dá)到析氣電壓以后的充電電流。

 

所以，在充電過程中，充電電壓在進(jìn)入恒壓以后，電壓開始接近于最高，充電電流也保持限流值。這時(shí)候析氣量最大。在進(jìn)入恒壓以后，充電電流應(yīng)該逐步下降，析氣量也應(yīng)該逐步下降。充電本身是放熱反應(yīng)，一般鉛酸蓄電池的熱設(shè)計(jì)是可以控制溫升的。在鉛酸蓄電池大量析氣以后，氧氣在負(fù)極板復(fù)合為水，發(fā)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電時(shí)的發(fā)熱。密封鉛酸蓄電池希望負(fù)極板具有良好的氧循環(huán)能力，但是，氧循環(huán)會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱。所以，氧循環(huán)是一把雙刃劍，好處是減少了水損失，壞處是電池會(huì)發(fā)熱。

 

在恒壓充電的條件下，氧循環(huán)電流也參與了充電電流，所以充電電流下降速率放緩。而鉛酸蓄電池發(fā)熱，會(huì)引起充電電流下降速率更加緩慢，甚至電流反升。而充電電流在電池發(fā)熱的用途下，一旦電流反升，又新增了發(fā)熱。這樣，充電電流一直會(huì)上升到限流值。電池發(fā)高熱，并且積累熱，一直到電池外殼發(fā)生熱軟化變形。而電池的熱變形時(shí)，內(nèi)部氣壓高，所以呈現(xiàn)電池時(shí)鼓脹的。這就是電池?zé)崾Э囟鴵p壞電池。鉛酸蓄電池一旦出現(xiàn)嚴(yán)重鼓脹，漏酸和漏氣的問題也出現(xiàn)了，鉛酸蓄電池會(huì)出現(xiàn)急性失效。誘發(fā)電池鼓脹的原因有很多。假如充電電壓高，析氣量大，會(huì)出現(xiàn)熱失控。假如某一組電池或者某一個(gè)單格電池發(fā)生嚴(yán)重落后，而充電的恒壓值不變，其他的單格電池也會(huì)出現(xiàn)充電電壓相對(duì)過高，也會(huì)出現(xiàn)熱失控問題。為降低電池的熱失控機(jī)率，很多充電器廠家將恒壓值降低至43伏，這也必然導(dǎo)致欠充。

 

導(dǎo)致鉛酸蓄電池充電發(fā)熱的另一個(gè)原因就是硫化，硫化直接導(dǎo)致電池內(nèi)阻新增，這就進(jìn)一步造成鉛酸蓄電池充電發(fā)熱，發(fā)熱又使氧循環(huán)電流上升，所以硫化嚴(yán)重的電池，熱失控發(fā)生的機(jī)率很大。從解剖電動(dòng)自行車鉛酸蓄電池的失效模式證明，90%的失效電池同時(shí)伴有嚴(yán)重失水現(xiàn)象。膠體電池失水少于普通電池，所以其壽命應(yīng)該長于普通電池。膠體電池內(nèi)部自放電在貯存期間不比普通的電池大，這可以通過貯存以后容量下降比對(duì)可以證明。在同樣的鉛酸蓄電池內(nèi)壓條件下，膠體電池析氣失水少于普通電池。而每次開閥析氣都會(huì)帶走部分熱量。膠體鉛酸蓄電池開閥少于普通鉛酸蓄電池，失水少是其優(yōu)點(diǎn)，但是析氣失水少，開閥少，帶走電池內(nèi)部的熱量就少，所以電池內(nèi)部溫升就高于普通電池。而電池內(nèi)部溫升高，自放電也大，出現(xiàn)的熱量就更高。因此在夏季環(huán)境溫度較高的條件下，由于析氣電平的下降，析氣量最近，同時(shí)溫升也高。這樣膠體鉛酸蓄電池進(jìn)入熱失控的概率就大得多了。

 

真兇4活性物質(zhì)脫落、極板軟化

 

鉛酸蓄電池正極板活性物質(zhì)的有效成分是氧化鉛，氧化鉛分α-PbO2和β-PbO2，其中，α-PbO2物理特性堅(jiān)硬，容量比較小，以多孔狀附著在極板，用于擴(kuò)大極板面積和支撐極板；β-PbO2依附α-PbO2構(gòu)成的骨架上面，其荷電能力比α-PbO2強(qiáng)很多，氧化鉛放電放電以后形成硫酸鉛，充電時(shí)硫酸鉛又還原為氧化鉛，但在強(qiáng)酸環(huán)境中硫酸鉛只能夠生成β-PbO2，活性物質(zhì)脫落就是α-PbO2脫落。造成活性物質(zhì)脫落的原因很多：

 

1、鉛酸蓄電池極板活性物質(zhì)分布不均勻，造成放電時(shí)膨脹張力不同而脫落。

 

2、鉛酸蓄電池過放電欠壓時(shí)，β-PbO2大量減少，α-PbO2就會(huì)參與放電反應(yīng)生成硫酸鉛。

 

3、硫化結(jié)晶在極板上生長的膨脹張力也會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)脫落。正極板一旦出現(xiàn)軟化，起到支持用途的多孔結(jié)構(gòu)就被破壞了，正極板的多孔被電池極板的壓力壓實(shí)了，就降低了參與反應(yīng)的真實(shí)面積，鉛酸蓄電池容量就下降了。這樣，防止過放電、抑制和消除硫化是控制正極板軟化的重要措施。放電的時(shí)候，每次放電，或多或少的總要有一點(diǎn)點(diǎn)α-PbO2參與反應(yīng)。

 

所以，一個(gè)正常使用的鉛酸蓄電池，在不失水也不硫化，也沒有過放電的情況下，電池的壽命就取決于正極板軟化。電池容量受活性物質(zhì)和利用率影響。電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池外形尺寸一定，極板的質(zhì)量已被限制到一定的程度，只有提高活性物質(zhì)的利用率，才能提高容量。要提高鉛酸蓄電池容量，必然新增孔率，提高PbO2含量、硫酸比重，但是這些措施都會(huì)加速正極板的軟化，造成鉛酸蓄電池壽命加速衰減，充放電過程中活性物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)膨脹、收縮(特別是正極板)，放電深度越深，活性物質(zhì)膨脹收縮量越大，更加速活性物質(zhì)軟化。因此，初始容量偏大時(shí)直接影響鉛酸蓄電池壽命。

 

真兇5短路

 

鉛酸蓄電池的短路指鉛電池內(nèi)部正負(fù)極群相連。為了新增鉛酸蓄電池的容量，目前電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池電池的極板數(shù)量普遍采用新增極板方式，這就導(dǎo)致隔板相比較其他電池的隔板薄一些，負(fù)極板的硫酸鉛結(jié)晶長大，充電以后出現(xiàn)少量硫酸鉛遺留在隔板中，遺留在隔板中的硫酸鉛一旦被還原稱為鉛，積累多了，鉛酸蓄電池電池就會(huì)出現(xiàn)微短路，這種現(xiàn)象叫做"鉛枝搭橋"。微短路輕的出現(xiàn)該單格電壓落后，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)單格短路。極板上活性物質(zhì)膨脹脫落，也會(huì)造成正負(fù)極板相連。

 

真兇6均衡問題

 

不少鉛酸蓄電池在單體測(cè)試中，可以獲得比較好的結(jié)果，但是，關(guān)于串連鉛酸蓄電池組來說，由于容量差、開路電壓差等原始配組誤差，充電時(shí)電壓高的電池會(huì)新增失水，電壓低的電池會(huì)欠充電，放電的時(shí)候，電壓低的會(huì)出現(xiàn)過放電，形成鉛酸蓄電池硫化。隨著充放電的循環(huán)，鉛酸蓄電池硫化的單體更易硫化，這個(gè)差異被擴(kuò)大，最終影響整組電池壽命。

 

真兇7無法充電

 

12V鉛酸電池的終止放電電壓為10.5伏，假如強(qiáng)行放電至終止電壓以下，鉛酸蓄電池就有極大的機(jī)率失去再充電能力。電動(dòng)汽車的控制器內(nèi)都有一個(gè)保護(hù)裝置，當(dāng)鉛酸蓄電池達(dá)到終止電壓時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)強(qiáng)行斷開電路，但假如這個(gè)保護(hù)裝置出現(xiàn)上漂移時(shí)，或者斷電后電池出現(xiàn)電壓回升，保護(hù)裝置就無法正確判斷。

 

真兇8鉛酸蓄電池自行放電

 

充足電的鉛酸蓄電池放置不用，逐漸失去電量的現(xiàn)象，稱之自行放電。自行放電是不可防止的，在正常情況下，每天放電率不應(yīng)超過0.35%~0.5%。鉛酸蓄電池自行放電的重要原因：

 

1、極板或電解液中含有雜質(zhì)，雜質(zhì)與極板間或不同雜質(zhì)間出現(xiàn)了電位差，變成一個(gè)局部電池，通過電解液構(gòu)成回路，出現(xiàn)局部電流，使鉛酸蓄電池放電。

 

2、隔板破裂，導(dǎo)致正負(fù)極板短路。

 

3、鉛酸蓄電池殼表面上有電解液或水，在極樁間成為導(dǎo)體，導(dǎo)致鉛酸蓄電池放電。

 

4、活性物質(zhì)脫落過多，并沉積在電池底部，使極板短路造成放電。

 

⑺UPS在運(yùn)行過程中，要注意監(jiān)視蓄電池組的端電壓值、浮充電流值、每只蓄電池的電壓值、蓄電池組及直流母線的對(duì)地電阻和絕緣狀態(tài)。

 

⑻不要單獨(dú)新增或減少電池組中幾個(gè)單體電池的負(fù)荷，這將造成單體電池容量的不平衡和充電的不均一性，降低電池的使用壽命。

 

⑼電池應(yīng)盡可能安裝在清潔、陰涼、通風(fēng)、干燥的地方，并要防止受到陽光、加熱器或其他輻射熱源的影響。電池應(yīng)正立放置,不可傾斜角度。每個(gè)電池間端子連接要牢固。

 

⑽定期保養(yǎng)。電池在使用一按時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行定期檢查，如觀察其外觀是否異常、測(cè)量各電池的電壓是否平均等。假如長期不停電，電池會(huì)一直處于充電狀態(tài)，這樣會(huì)使電池的活性變差。因此，即使不停電，UPS也要定期進(jìn)行放電試驗(yàn)以便使電池保持活性。放電試驗(yàn)一般可以三個(gè)月進(jìn)行一次,做法是UPS帶載－－最好在50%以上,然后斷開市電，使UPS處于電池放電狀態(tài),放電持續(xù)時(shí)間視電池容量而言一般為幾ms至幾十ms,放電后恢復(fù)市電供電，繼續(xù)對(duì)電池充電。