新能源智能電池修復(fù)系統(tǒng)

邵佳偉　陳彥州

摘 要：現(xiàn)在流行新能源汽車和電動(dòng)車，電池的壽命是影響發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。自燃現(xiàn)象發(fā)生頻繁，主要因?yàn)椴鹧b后的電池引起的，本系統(tǒng)便捷、實(shí)用、高效的解決了電池壽命短的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備工作穩(wěn)定，性能可靠，功能實(shí)現(xiàn)效果良好。

關(guān)鍵詞：新能源電池;智能修復(fù);組合脈沖;鹽化結(jié)晶;活性離子

一、研制背景及意義

隨著人民生活水平的提高，電動(dòng)車成為很多市民主要的交通工具，電動(dòng)車因其環(huán)保、方便而得到越來(lái)越普及的應(yīng)用，然而，由于電動(dòng)車的快速普及，電動(dòng)車電池的損耗是一個(gè)不得不面對(duì)的問題。

如今汽車自燃電動(dòng)車自燃現(xiàn)象頻發(fā)，很多人采用最原始的電池修復(fù)辦法，打開電池添加電解質(zhì)或者溶液，后期密封技術(shù)不專業(yè)導(dǎo)致事故的發(fā)生。本項(xiàng)技術(shù)避免了打開電池，避免影響電池的嚴(yán)密性。而且修復(fù)簡(jiǎn)單，顧客可以自行修復(fù)解決。產(chǎn)品技術(shù)含量高，但是造價(jià)便宜，適合批量生產(chǎn)。使用安全系數(shù)高，是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)。是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)、產(chǎn)品進(jìn)行新組合的集成創(chuàng)新作品。

二、電池的工作原理

蓄電池的種類很多，目前市場(chǎng)占有率最高的還是鉛酸蓄電池，他的優(yōu)勢(shì)價(jià)格低廉，充放電的倍率高，被廣泛的應(yīng)用于火車、汽車、輪船、摩托車、電動(dòng)車、通信的ups等。鉛酸蓄電池的組成比較簡(jiǎn)單，主要由正極電板、負(fù)極電板、容器、電解液、隔膜、可導(dǎo)電物質(zhì)等組成。

（一）正極電板（正極活性物質(zhì)）

正極電板主要由二氧化鉛的活性物質(zhì)組成。具有很強(qiáng)的氧化性，在電池的放電過程中與電解液中的硫酸發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸鉛，并且可以吸收電子，二氧化鉛可以生成一種是α—Pb0₂另一種是β—Pb0₂的兩種活性物質(zhì)差別比較大的晶格，這兩種二氧化鉛的活性物質(zhì)在正極板的作用也各不相同。β—Pb0₂可以使蓄電池具有良好的性能它的容量是α—PbO₂的1.5-3倍。α—PbO₂具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，它使得正極板的活性物質(zhì)不容易軟化脫落。

當(dāng)蓄電池處在充電的狀態(tài)時(shí)，在外加電的作用下，二氧化鉛的Pb4+接受了負(fù)極送來(lái)的電子形成Pb+2與溶液中的硫酸根離子結(jié)合生成PbSO4 。當(dāng)硫酸鉛達(dá)到一定量時(shí)，變成沉淀物附著在極板上。充電時(shí)硫酸鉛中的鉛離子 的電子被外線路帶走轉(zhuǎn)化為 二氧化鉛。將水中? 氫離子留在溶液中。氧離子與鉛離子結(jié)合生成二氧化鉛進(jìn)入晶格，形成正極活性物質(zhì)。[1]

（二）負(fù)極電板（負(fù)極活性物質(zhì)）

在鉛酸蓄電池的工作過程中，為了使得負(fù)極的活性物質(zhì)與電解液充分發(fā)生反應(yīng)，將鉛制成了多孔海綿狀，又稱為海綿鉛。在放電的過程中二氧化鉛的Pb⁴接受了外線路電子變成Pb⁺²，Pb⁺²與溶液的硫酸根相結(jié)合生成硫酸鉛。在充電的過程中，部分PbSO₄溶解成Pb²⁺與SO₄。Pb⁺²接受電子又會(huì)還原成鉛再次成為負(fù)極板的活性物質(zhì)。

（ 三）電解液

鉛酸蓄電池中電解液的主要成分就是硫酸，純度較高的分析純，適用于鉛酸蓄電池的電解液填充。濃硫酸與水結(jié)合放出大量的熱，具有很強(qiáng)的腐蝕性和吸水性，在配置的過程中，需要注意保護(hù)，以免出現(xiàn)危險(xiǎn)。沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員禁止操作。

鉛酸蓄電池電解液配制過程中，對(duì)水的純度要求較高，水要求外觀是無(wú)色透明、殘?jiān)繎?yīng)小于0.01%。電解液配制專用的純凈水市場(chǎng)上多有售賣，價(jià)格也便宜，可直接買來(lái)使用。

（四）隔板

鉛酸蓄電池的另外一個(gè)主要組成部分是隔板，隔板質(zhì)量的好壞對(duì)電池的影響很大。隔板主要起到防止正負(fù)電極短路的作用。需要允許電解液自由擴(kuò)散和離子遷移，又要防止短路，采用多孔質(zhì)隔板，要有比較小的電阻，隔板孔徑要小?？障犊偯娣e要大，要防止脫落的活性物質(zhì)到達(dá)對(duì)方的極板。因此， 隔板的孔徑要小， 孔數(shù)要多。

三、工作原理及性能

電動(dòng)車的主要?jiǎng)恿?lái)源是鉛酸蓄電池為其氣筒電能，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛。電動(dòng)車電池的好壞決定了電動(dòng)車的使用壽命。本系統(tǒng)的研制可以提高電動(dòng)車電池的使用壽命，在不破壞電池安全性的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)電瓶車使用壽命，提高安全系數(shù)。

隨著蓄電池的使用次數(shù)增加，鉛酸蓄電池充電量放電容量不斷減小，當(dāng)電池的充電容量低于額定容量的60%，電池即為報(bào)廢電池，需要進(jìn)行維修或者維護(hù)。電池由于制造條件的不同和使用方式的差別，最終導(dǎo)致電池報(bào)廢的原因也各不相同。但歸納起來(lái)有以下幾種①正極板的腐蝕變形②正極活性物質(zhì)軟化脫落③硫酸鹽化④容量過早損失⑤熱失控。影響電池的主要原因是硫酸鹽化結(jié)晶無(wú)法再次溶解是導(dǎo)致電池失效報(bào)廢的最常見的原因。

在充電的過程中水的丟失影響了硫酸鉛轉(zhuǎn)換為活性物質(zhì)，添加水分非專業(yè)人士又無(wú)法完成。而硫酸鉛本身又很難溶于水。當(dāng)硫酸鉛在一段時(shí)間內(nèi)不能轉(zhuǎn)換為活性物質(zhì)時(shí)，就會(huì)結(jié)成粗大的結(jié)晶體。結(jié)晶體阻礙了電池的正常工作，一部分電能無(wú)法順利轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，而是轉(zhuǎn)換成熱能，更加重了水的丟失，形成了惡性循環(huán)。當(dāng)達(dá)到一定程度，電池容量下降，嚴(yán)重時(shí)電池內(nèi)壓增加，電池變形。本系統(tǒng)在充電的過程中產(chǎn)生高壓震蕩波，可以擊碎粗大結(jié)晶體，促使硫酸鉛溶解，并且變成活性物質(zhì)。

本電池修復(fù)系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)修復(fù)率可達(dá)91%，修復(fù)以后的容量可以達(dá)到初容量的80%以上。

四、設(shè)計(jì)方案

采用組合脈沖修復(fù)，充電機(jī)的修復(fù)與維護(hù)原理：

①在充電過程中，通過正負(fù)極之間定期地發(fā)射不斷轉(zhuǎn)化的離子來(lái)掃除了極板周圍的離子云;

②強(qiáng)大的負(fù)脈沖可以將粗大堅(jiān)硬的鹽化結(jié)晶擊碎并促使其溶解;

③清除附著在正負(fù)極板，尤其是負(fù)極板上是活性離子，也稱雜質(zhì)離子。

④通過正負(fù)脈沖的占空比調(diào)節(jié)使陰離子和陽(yáng)離子的比例更趨合理。

電池修復(fù)器電路。

電池修復(fù)系統(tǒng)工作圖

五、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

目前，市場(chǎng)上有一類電池修復(fù)，都是使用添加電解液，增加化學(xué)制劑的方法對(duì)電池進(jìn)行修復(fù)。這種修復(fù)方式，對(duì)人員的專業(yè)性要求比較高，而且修復(fù)成本高。修復(fù)過的電池，如果密封不嚴(yán)，容易出現(xiàn)電池自燃現(xiàn)象，而且近幾年電動(dòng)車自燃現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，大都因?yàn)殡姵刭|(zhì)量問題造成。

本系統(tǒng)與其他有關(guān)設(shè)計(jì)想比較，我們的設(shè)計(jì)有如下創(chuàng)新之處：

1、安全系數(shù)高，避免高壓操作，由電動(dòng)車充電器提供輸入電壓，操作安全系數(shù)高。

2、操作簡(jiǎn)單，由電動(dòng)車電池充電器直接連接修復(fù)器再連接電池，連接簡(jiǎn)單不需要專人即可完成操作。

3、方便快捷，不需要耗費(fèi)專門時(shí)間進(jìn)行操作，在每次充電的同時(shí)進(jìn)行電池修復(fù)。

4、拒絕自燃，不需要拆解，原廠密封，安全性更高。

結(jié)論

利用這種智能電池修復(fù)系統(tǒng)，不僅可以延長(zhǎng)電池壽命，而且安全性高，制作成本低。可以提高電池的利用率。從而達(dá)到既安全又高效的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]智能可充電電池修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)孫娟;馬薇;徐子政;吳楠;趙佳第十二屆沈陽(yáng)科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（理工農(nóng)醫(yī)）2015-09-16中國(guó)會(huì)議

[2]脈沖技術(shù)應(yīng)用于失效鉛酸蓄電池恢復(fù)的研究王金良;許鳳山;馬扣祥;劉連生;王觀成電池工業(yè)2001-04-25期刊

[3]智能電池修復(fù)儀王楠現(xiàn)代營(yíng)銷（創(chuàng)富信息版）2007-01-01期刊

[4]鉛酸蓄電池修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用韓士良哈爾濱鐵道科技2012-09-30期刊