護延神:一種新型鉛酸電池的在線維護工具

文/肖德高 吳 兵 戎善培 鐘定清

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

1.鉛酸電池的使用和維護現狀

近年來，國內對充電技術的研究開始增多，但電池實際應用的充電技術仍以傳統的多段式恒流恒壓組合充電模式為主，而對電池脈沖維護技術的系統研究較少；一般仍采用以下一些傳統的維護手段：

(1)定期用萬用表測量各單體電池的開路電壓和充電電壓，以此來判斷電池性能的好壞；

(2)定期對蓄電池進行容量放電測試；

(3)定期采取均衡充電等過充電方式對電池進行維護；

(4)出現硫化的電池根據容量衰減程度不同，分別采取過充電法、反復充電法、水療法等進行電池修復。

在線維護修復電池的理論和技術研究已經進行了幾十年，但相關產品僅在近幾年才開始逐漸開發并投入實踐應用，這些產品包括以下幾種：

澳大利亞CSIRO Energy Technology 公司開發出Novel Pulse產品用于電動車動力電池的使用維護，該產品采用超高頻（50–500 kHz）正脈沖技術；

德國NOVITE開發出MEGAPULSE產品用于汽車、船舶、摩托車等的啟動電池，電動叉車等動力電池的使用維護，該產品采用高頻8.33 kHz正脈沖技術；

日本加茂川啟明電機株式會社開發出的ERUMA產品用于電動助力車、電動汽車、電動輪椅、電動高爾夫球車和其他EB車輛配用電池的使用維護，該產品采用8.33kHz負脈沖技術等等。

上述電池維護修復產品雖各具其優勢，但存在技術單一，適用面較窄等不足之處，而鉛酸電池應用范圍非常廣，電池使用過程面臨的問題也比較復雜。為擴大電池維護修復的使用效果和適用范圍，筆者在融合相關技術的基礎上開發出了一種更合理的在線電池維護修復產品——護延神。

2.護延神的技術原理及應用

護延神是上海錦鵬科技有限公司注冊的專利產品名稱，是針對鉛酸蓄電池使用壽命過短而研發的集維護與修復功能于一體的蓄電池智能在線管理裝置，其主要功能是延長新電池使用壽命，對因硫化致容量下降的在用電池可通過逐步消除硫化而有效恢復電池容量。

護延神產品分為4種系列，即牽引系列、起動系列、固定閥控系列和助動車系列。其中：牽引系列適用于電動叉車、鏟車、環衛清運車、游覽觀光車、高爾夫球車等；起動系列適用于汽/柴油的轎車、客車、卡(集)車、工程車輛；固定閥控系列適用于電信、電力、銀行等機房和基站的備用電源；助動車系列適用于電動自行車、電動摩托車等。

2.1 護延神的技術原理

鉛酸電池以多孔性二氧化鉛作為正極活性物質，高比表面積多孔結構的海綿狀金屬鉛作為負極活性物質，電解質在充電狀態下是相對密度為1.28g/mL～1.34g/mL或者質量分數為37%～45%的硫酸溶液，電池放電時兩個電極的活性物質分別轉化為硫酸鉛，充電時，反應向相反方向進行。

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。

護延神的主要技術原理是應用電子學與電化學技術的協同作用和相互優勢的有機結合，既采用了復合諧振多重脈沖技術，通過各種諧振波脈沖的作用，在電池充電的過程中有效地促進極板上活性較低的硫酸鉛結晶的轉化，又在電池的擱置過程中有效地抑制惰性硫酸鉛的形成，還采用護延神設置的先進電子控制技術，改善和優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，從而達到延長電池使用壽命的目的。

2.2 護延神中的脈沖充電技術對電池的維護作用

(1)改善活性物質的顆粒結構和電化學特性 脈沖充電能提高鉛酸蓄電池的正極活性物質和界面的活性。在電池循環壽命期間，較大活性物質顆粒的形成或由于Pb02活性物質網絡結構中水含量的減少使電化學活性降低，活性物質孔隙度的變異以及Pb02活性物質網絡結構的解體等都影響正極板的循環壽命。護延神中所設置的特定脈沖充電電流對于活性物質及界面的結構有“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骨架，對正極活性物質和表面的結構施加有利的影響。脈沖充電形成的正極活性物質由于來不及長大而使活性物質的顆粒尺寸較小，活性物質之間的連接較緊湊，使得正極板的孔隙較大，從而有利于循環壽命的延長。

(2)減少電極極化 蓄電池在充電過程如果采用的充電方法不當，會產生嚴重的極化效應。歐姆極化和電化學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減小或消除，而濃度差極化消除時間較長。消除濃度差極化有3個途徑：①高速旋轉電極或強制性對流電解液，②添加支持電解質，③間隙中斷或降低充電電流，以保持離子通過遷移和擴散而傳輸的速度足夠滿足電極上電子交換反應的需求。

當充電電流流過被充電池時，電極的極化即已產生。電流密度加大，電池的極化也加大。可見，充電過程中出現電極極化是必然的。如何有效而合理地控制好電極極化對電池的充電是十分重要的。合理的極化是當鉛酸電池充電時，期望在發生析氣前，電池能達到最大的充電接受。不合理的極化要么導致電池欠充，要么使電池電壓過高、電池溫度升高、充電效率降低以及過早地進入析氣反應。

護延神中所設置的特定脈沖充電方式通過充-停-放-停的工作模式，可以實現在最大限度地加大電流密度的同時又能有效消除或降低離子的濃差極化，有效地擴散聚集在電極上因極化而產生的熱量，實現高效、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不善，例如經常充電不足或頻繁過放電，就會形成一種粗大堅硬的不可逆硫酸鉛，這些不能完全反應的硫酸鉛在負極板表面逐漸積累，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。如果采用護延神所設定的脈沖充電，則恢復效率會大大提高。護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，當一定頻率的交流電流流過某一導體時，電流僅流過導體界面的外表面。集膚深度可以用下式表示：

其中，ρ是導體電阻率(如鉛為：2.053×10-7Ω·m)，μ是導體的磁導率，對于非鐵磁材料電池極板，可以認為是自由空間磁導率(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生轉化反應，充電反應能夠進行較充分，且抑制了析氫反應的發生。然而，由于電容效應，太高的脈沖頻率，會導致充電效率降低。護延神通過大量試驗工作，充分考慮到采用脈沖充電時脈沖頻率對硫酸鉛轉化反應的影響，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，有效地提高了對電池的維護和修復功能。

護延神的修復效果可以通過掃描電子顯微鏡明顯地觀察到：（見圖1）

圖1 護延神修復前后負極活性物質的SEM圖

(a)嚴重硫化的負極板

(b)經護延神修復的負極板

蓄電池的充電問題一直是人們關注的焦點，鉛酸蓄電池的充、放電過程是一個復雜的過程，其復雜性表現為：

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

⑵非線性 一般而言，蓄電池可接受充電電流在充電過程中隨時間呈指數規律下降，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置曲線

如何選擇正確、良好的充電方法來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，對蓄電池的影響較大。傳統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間長，充電控制要求高，控制不當或不及時會對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，國內外陸續提出一些新的充電方法，如分級定流充電法、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。

結合先進的充電特性曲線，護延神基于脈沖充電技術對電池所起的維護作用，設計軟件控制的電子線路發送一定參數的脈沖信號來觸發充電器進行相應的充電控制，只需將工作狀態下的電池在線接入護延神，即可對原有電池充電器的充電曲線進行優化改善及整合，由此可對整組或落后電池的性能起到顯著的修復和維護作用。

3.護延神的使用效果

實例1 上海賽科利汽車模具技術應用有限公司(見表1)：

表1

實例2 南京中萃食品有限公司(見表2、3和圖3)：

南京中萃食品有限公司奮斗物流中心共計14組電池，分別是2008年3組、2009年5組、2010年6組。從2011年9月下旬全部使用護延神產品，歷時一年的使用過程中進行效果跟蹤測試，其數據如下。

表2

備注：第一次測試為初始測試(見表4和圖4)：

表3

圖3 使用前后各電池組I5放電時間對比圖

實例3 上海貝爾物流中心

表4

該組48V-560Ah電池啟用時間為2006年6月，初始容量僅為額定容量的4.82%，經3個月護延神修復后達到額定容量的21.39%；從放電曲線看放電平臺提高了，曲線斜率（slope）也趨于緩和了，修復效果十分明顯。

實例4 杭州中萃食品有限公司(見表5和圖5)：

圖4 使用前后電池組放電時間與電壓的曲線

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）斜率分別從原來的-84.8973和-84.4568變化為-49.1355和43.5782；放電電壓平臺抬高。總之，放電能力得到明顯的提高。

表5

圖5 修復前后電池組放電時間與電壓的曲線

4.經濟技術社會效益分析

鉛礦是不可再生資源，儲量有限，按目前的開采水平，我國鉛礦資源可采儲量只夠開采 6～7 年。資源壓力、再生鉛技術滯后壓力制約蓄電池產業的發展， 2008年中國電鉛產量約286萬噸，約占全球總量850萬噸的33.6%，鉛酸蓄電池耗電鉛220萬噸，占我國鉛總量70%左右(一部分為進口鉛)。2009年電鉛產量約400萬噸（再生鉛比例約占38%），年增長維持在20%以上 。

（1）經濟技術效益分析

近年來，節能與環保已成為全世界共同關注的課題。在鉛酸蓄電池的應用領域安裝使用護延神產品，可以在線對電池進行維護修復和延長電池的使用壽命。

①直接經濟價值：提升電池容量，延長電池壽命。

②間接經濟價值：節約能耗工時，降低電池購買的漲價風險。

③社會公益價值：降低鉛污染；促進節能減排。

（2）社會效益節能減排（耗）效果分析

①通過安裝護延神延長鉛酸蓄電池使用壽命，可有效介入鉛的生命周期管理，明顯減少制造企業的用鉛量。

鉛酸蓄電池的制造主要原材料為鉛，僅2008年，我國用于生產鉛酸蓄電池的耗鉛量已達到近380萬噸（電解鉛和再生鉛），年生產電池量1.4億KVAH(千伏安時)以上。

目前國內鉛酸蓄電池的生產增長主要集中在以電動車電池為主的動力鉛酸蓄電池，數量占整個鉛酸蓄電池產量的40%左右，該類電池作為深循環使用，壽命僅為1.5年左右，每年用鉛量占20%以上，傳統的啟動電池壽命約為2～3年，其他電池平均壽命約為3～5年。

按照護延神產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400萬噸計算，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(萬噸)

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

按照2003年的有關數據，設計建造10000噸鉛/年規模的鉛冶煉廠項目總投資約2250萬元，采礦部分投資約為冶煉部分的2倍，按用鉛量145.2萬噸中的60%為電解鉛和40%為再生鉛計算，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（萬元）

2010年鉛酸電池生產量1.4億KVAH(千伏安時)以上，由于電池需求量降低36.3%，按年產30萬KVAH制造廠投資7000萬元計算，可減少電池制造廠投資資金為：

(14000×0.363/30)×7000=1185800(萬元)

每年共計節約投資資金為：1904540（萬元）

③通過安裝護延神延長鉛酸蓄電池使用壽命，可減少制造企業的排鉛量，按目前的清潔生產要求，環保投資約占建廠總投資8%計算，每年可以減少環保投資為：

1185800×0.08=94864（萬元）

可相應減少電池制造帶來的水電煤等能源消耗和原材料、制造、人工等費用。按鉛酸蓄電池平均制造成本0.55元/VAH計算，每年減少費用為：

140000000000×0.363×0.55/10000=2795100（萬元）

可減少因電池報廢帶來的環境污染壓力，目前每年鉛酸蓄電池的報廢量在1億只左右，按每年減少蓄電池報廢量的15%計算，每年可減少廢電池數量為：

10000×0.15=1500（萬只）

可給鉛酸蓄電池應用領域帶來高比例的成本節約，以48V-485AH鉛酸蓄電池20組為例(見表6)：

表6

5.結語

本文所論及的護延神產品相比目前市場上的同類產品具智能化程度高、多種技術組合和使用效果明顯等特點，已在太古可樂、中糧可樂等企業和電動助力車用戶中推廣使用。

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

電池的在線修復與維護是一門包含多學科交叉的復雜的應用技術，護延神中的技術參數與電池電性能參數的合理匹配選擇至關重要。在現有技術成果的基礎上，筆者將繼續進行大量現場試驗與測試，不斷積累經驗，分析數據，研究護延神工作脈沖參數與電池電性能參數合理匹配的關系，持續不斷地進行技改創新，以盡快將該項技術延伸應用于其他電池領域。

〔1〕王偉.“鉛酸蓄電池管理系統實現的軟硬件研究”，杭州：浙江大學碩士學位論文，2004

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

〔3〕羅光毅.“蓄電池智能管理系統”，杭州：浙江大學碩士學位論文，2003

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

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

〔6〕朱松然.“鉛酸電池實用手冊”，機械工業出版社出版，1996