延长铅酸电池寿命的方法

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尽管高品质电池的前期成本较高,但它们也更可靠,并且预期寿命更长,从长远来看,您可以收回投资。但是它们的持续时间与它们的使用方式直接相关。俗话说:好马配好鞍,好船配好帆船。一个好的电池管理系统配合电池才能充分发挥其效能。从而提高其性价比。

   让我们仔细看看电池,以及延长电池寿命的五种简单方法

在本文中,我们将探讨电池过早失效的主要原因 我们从以下几个方面来分析:

1.     电池电量耗尽

2.     持续欠费

3.     过度充电

4.     充电太快

5.     忽略温度因素

本文专门介绍铅电池。还有许多其他类型的电池化学成分,例如锂,但此信息专门针对铅。

为了了解电池内部发生了什么,我们需要知道它是如何构造的,以及放电和充电时会发生什么。

 铅酸电池结构图

铅酸电池结构图

铅酸电池的电压约为 2V。因此,12V 电池中有六个电池,每个电池都包含两块浸入稀硫酸(电解质)中的铅板,稀硫酸可以是液体或凝胶。氧化铅不是固体,而是海绵状,必须由网格支撑。在这种情况下,铅的孔隙率使其能够完全接触电解质,从而在电池执行其存储和释放能量的任务时,在整个极板的厚度上相对容易地发生化学反应。

 dc ups for lead acid constructure

                         Lead acid 电池包结构

这种化学反应相当复杂,但我们只需要注意其中的几件事:当从电池获取电力时,硫酸从电解质中流失,并与铅板结合形成硫酸铅。相反,对电池充电迫使硫酸盐离开铅板并再次返回到电解质中形成稀硫酸。我们需要注意的第二件事是,如果充电电压太高,或者充电时间太长,另一种化学反应就会真正开始:电解液中的水分解成氧气和氢气。

在电池充电的最后阶段,电解质中的水分解成氧气和氢气(电解)是正常现象,但通常非常有限。湿电池需要定期补充(去离子)水,以补充随着时间的推移而流失的液体。免维护电池不需要充电——事实上,它们无法补水,因为它们是密封的。密封电池可防止氢气和氧气逸出;相反,它们在压力下重新结合,气体被捕获并在放电循环期间被重新吸收。然而,此类电池配备有压力释放阀,以防因充电电压过高而导致过度放气。稍后我们将讨论充电电压。

在电子运动的驱动下,硫酸盐在铅板和电解质之间循环来回移动,听起来相当简单——那么可能会出现什么问题呢?主要是三件事:

海绵状铅板可能会覆盖一层坚硬的硫酸铅晶体,从而覆盖接触板。这种情况被称为硫酸盐化——最终它会导致电池的存储容量无法被充分利用。铅的内聚结构破裂,导致一些铅脱落——这种极板的恶化被称为脱落。电解质(无论是液体还是凝胶)都会分解并以气体形式消失。电解质是化学反应的媒介——当电解质大量减少或缺乏时,电池就无法工作。

这些是导致电池容量出现不可接受的损失或者根本无法存储或释放能量的主要弊病。还有其他的。

更糟糕的是,这些破坏性事件中的任何一种所带来的功能限制都会经常引发第二种或第三种故障模式。

有几种方法可以在一周或更短的时间内损坏甚至是全新的电池 - 我们将首先考虑这些方法......但在我们这样做之前,让我们建立一些使用电池而不造成任何损害的一般规则缩短寿命的损害。

在为我们的工作选择电池尺寸(容量)时,请记住,如果电池的电量从未耗尽超过其一半以上,那么电池的使用寿命将最长……换句话说,电池的电量永远不会低于 50% 的充电状态 (SOC)

部分放电的电池应尽快重新充电。损坏是由于使它们处于部分充电状态而造成的……电荷越低;电池处于放电状态的时间越长,损坏就越大

50% SOC 80% SOC 之间循环电池是安全的,而且效率也很高。但这种循环不能长时间持续。将耗尽的电池充电至约 80% 的充电状态可以快速实现,但将电池恢复至 100% SOC 需要更长的时间,因为当电池接近充满电时,其接受充电的速率会大大降低。重要的是要留出必要的充电时间,至少每 30 周期一次将电池恢复到 100% SOC(对于每天使用的电池来说,这是每月一次)。造成这种情况的原因有很多,我们稍后会介绍。

放电过深导致电池没电

电池可能经历的最糟糕的处理方式(除了接受危险的高充电电压之外)是耗尽所有电量,然后存放而不重新充电。

当电池深度放电时(尤其是低于 20% SOC)时,极板会因硫晶体的大量形成而受到机械损坏,从而破坏材料的内聚力。一些材料松动并开始脱落。随着电池老化,这种退化过程无论如何都会发生,但对电池进行深度放电会大大加速老化过程。

放电过深就到此为止:如果电池处于放电状态,则形成的微小硫酸盐晶体就会开始生长。板表面的硫酸盐开始硬化,最终在铅板周围形成一层难以穿透的坚硬白色涂层,堵塞材料的孔隙,并极大地阻碍驱动化学过程的离子的扩散。到了这个阶段,电池的容量及其接受或释放能量的能力将变得非常缓慢,以至于无法完成其所选择的工作。

例如,当车辆的前灯一直亮着,并且车辆几天或几周没有使用时,就会发生这种电池损坏……或者电池在车间的架子上放置了几个月,并且它已经自放电直至平坦。几乎毫无疑问,在这两种情况下,电池都必须回收。

如果任何损坏是可逆的,可以通过以正常方式对电池充电(如果充电可能会很慢)来恢复,然后进行均衡充电,直到电池电压达到16V17V(对于12V电池) )持续例如三个小时。这将迫使极板的硫酸化区域将硫酸盐释放回电解质中。成功并不能保证,并且在几乎所有情况下都会出现一些永久性的容量损失。

在这些高充电电压下要非常小心地密切监测电池,因为这也会导致电解质分离成气体。

电池充电太快

电池充电时的电流不应超过其容量的 20%。例如,如果电池的额定电流为 100 安培/小时,则其最大充电电流应不大于 20 安培。放电的电池能够在短时间内接受更高的充电速率,但应避免这种充电。例如,高输出交流发电机似乎承诺非常高效和快速的电池充电,但高充电电流会损害铅板的凝聚力,导致板材料脱落并加速老化。

起初,这种脱落只会降低电池的容量,随后,随着损失的材料在电池底部积聚,它最终会接触正极板和负极板,形成短路,电池将无法工作。电池将失去该电池的电压(其他电池的故障也不会太远)。

电池充电过快的一个加剧因素是快速充电会增加电池的温度。特定电池的受控充电周期(三个充电阶段中每个充电阶段的充电电压)是在假设电池温度为 20°C(通常)的情况下计算的,在较高温度下,充电电压应降低。如果不降低充电电压,会导致铅板的内聚力受到更大的损害,并且电解质会产生气体(电解),这将迅速减少湿电池中电解质的量。在密封电池中,问题甚至更严重:压力阀会释放气体,以避免电池外壳破裂,并且损失的电解质无法补充。

值得注意的是,并非所有电池都是相同的,有些电池(例如螺旋电池)比其他电池更能承受快速充电的影响。

电池多次无法完全充电

我们大多数人通过观察电池电压的粗略方法来监控电池的充电状态。例如,在上面想象的快速充电装置中,电压上升得如此之快,以至于给我们一种错觉,即我们的电池已充满电,因此我们可以终止充电周期,相信工作即将完成。尽管以这种方式充电和放电的电池实际上更高效(因为提供给电池的大部分能量都被电池吸收),但短的急剧充电周期会导致持续充电不足。反复充电不足会导致三个问题:

充电不足的电池极板并未将其所有硫酸盐返回到电解液中。正如之前所注意到的,硫酸盐晶体放置一段时间后开始形成硬质涂层——硫酸盐化。我们已经提到,这种涂层会降低电池的容量,但它也会导致充电阻力更高,需要更长的充电时间……这反过来又增加了充电不足的可能性,从而导致进一步硫酸化。这是我们需要打破的恶化循环。

电解质分层是我们尚未提及的情况——它发生在电解质长时间保持静态和不混合的情况下。酸(比水密度大)落到电解质的底部,并且会留在那里,除非以某种方式搅动电解质。这种搅动可能是当安装电池的车辆或船只开始移动或滚动时。在静态安装中,只有在充电过程中达到充气电压时,电解质才会混合,并且气泡通过电解质上升,将其彻底混合。分层电解质顶部较弱,底部较强,因此更多的化学反应发生在铅板下方。在这种情况下,板的底部完成所有工作,而板的顶部则休息,因此与更均匀地分担工作相比,板会老化得更快。

最后我们提到 12V 电池中有 6 电池芯。这些电池永远不会完全相同——有些电池的容量较低,有些充电速度较慢。重要的是要确保所有电池定期实现完全充电,以便它们彼此协调一致 - 如果不这样做,性能稍差的电池会逐渐变得更差:它们的容量下降,速率下降与其他电池相比,它们的充电速度变得越来越慢,并且性能开始越来越落后。这种使细胞和谐的过程称为均衡。

过度充电:

当电池存放时仍连接到电池充电器时,经常会发生过度充电。由于无法接受更多的电力,电解质中的水分解成氢气和氧气。电解液的液位将降至极板的液位以下,从而对极板的该部分造成不可修复的损坏,最终电池将完全干燥。

与其在存储过程中让电池持续浮充电,不如将其保持开路状态,并每隔一两周充电一次,以补充因自放电而损失的能量。

温度

每种电池类型(深循环/启动器/湿电池/凝胶/螺旋电池/AGM/阀调节)都有稍微不同的充电要求或充电算法。这些充电算法规定了进入新充电阶段之前必须达到的电压。与这些预设限制的变化(即使是百分之几)也会对电池是否以过度充电或充电不足的状态完成其充电周期产生巨大影响。正如我们上面所讨论的,充电不足和过度充电都会加速老化过程,或者缩短电池的寿命。

为了建立电池的充电算法,必须假设电池处于标准环境温度 - 标准通常为 20°C。但当然,这个温度通常是不合适的——在热带或极地地区使用的电池将在与假设标准截然不同的温度下储存;安装在热机舱中的电池通常会经历 50°C;快速充电的电池温度也会比环境温度急剧上升。

重要的是,电池充电装置具有电池温度感测能力,并且对其充电电压进行温度补偿。例如,充电周期开始时温度为 30°C 的电池在充电过程中很可能会进一步上升 10°C。该电池的充电电压应降低 0.5V,以避免损坏电池,尤其是特别容易受到高充电电压影响的电池,例如凝胶或吸收玻璃垫。

另一件事是,在较高温度下,电池会加速化学分解,温度每升高 10°C(高于假定工作温度),电池的预期寿命就会减半。

总之:

选择电池时,请确保其类型适合其必须执行的工作……发动机启动或深循环;待机功率或电涌。确保电池组有能力轻松实现其用途。实际上,为了延长使用寿命,这意味着指定容量约为要求的四倍。确保电池工作周期包括电池可以缓慢达到 100% 充电状态的时间段,以及允许超过该时间的时间,以便电池可以均衡。这应该至少每 30 周期一次。安装自动负载关闭设备以防止电池电量低于 20% SOC,可能是您可以做出的最佳投资。硫酸化:铅和二氧化铅与硫酸反应形成硫酸铅——一种小晶体,很容易重新形成铅、二氧化铅和硫酸。一段时间后,一些硫酸铅不会还原,而是形成稳定的结晶涂层,充电时不再溶解。如果电池在放电周期后完全充电,则可以减少硫酸化。硫酸盐电池的铅含量和硫酸含量较低,会阻碍电子的吸收,导致电池容量较低,并且只能提供正常放电电流的小部分。最好的预防方法是确保电池定期充满电。

综上所述,好的充放电习惯可以有效的延长铅酸电池的使用寿命,优秀的电池管理系统可以有效的降低电池单元使用成本。总结为以下几点

1.容量(四倍)

2.电量(50%-80%

3.防止过放(20%

4.防止过充(100%

5.满充(30周期)

6.充电(定期)

7.单元balance

8.温度控制(充放电)

9.充电电流(小于20%

10. 使用环境等…..

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