英威騰蓄電池MF3000-2太原總代理

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鉛蓄電池

1  鉛蓄電池的特性2  鉛酸蓄電池負極鉛膏的探討3  鉛蓄電池短路現(xiàn)象及原因4  鉛蓄電池故障分析 1鉛蓄電池的特性 　　光源充足的時候，太陽能電池給負載供電和給電池充電。光源不足的時候，太陽能電池和蓄電池聯(lián)合給負載供電。邊充邊放指的是太陽能電池一邊對蓄電池充電，一邊對負載放電。但決不可能是蓄電池一邊充電，一邊放電。況且，太陽能電池的實際應(yīng)用過程中，一般是兩組或多組太陽能電池，兩組或多組蓄電池，交替使用。2鉛酸蓄電池負極鉛膏的探討 　　在鉛蓄電池中，相對正極鉛膏而言，負極鉛膏組成比較復(fù)雜些。按用途分為汽車起動用、動力用、固定型，按極板分為干荷電式及普通式，這些不同類型的負極配方各異，涉及到膨脹劑的選用則更復(fù)雜些。 　　1 干荷電極板 　　眾所周知，目前，對于汽車起動電池，包括摩托車用均喜歡干荷電型．用戶只需注入所需濃度和數(shù)量的稀硫酸，靜置片刻，不必進行初充電即可使用。干荷電電池的生產(chǎn)關(guān)鍵是控制負極板在化成后的洗滌、干燥、裝配甚至儲存中，活性物質(zhì)不被大量氧化，而失去活性。為了防止氧化，采用不同的干燥方法，中國多數(shù)生產(chǎn)廠家采用配方法，即在負極鉛膏中加入不同的防氧化劑，化成好極板經(jīng)洗滌后再浸硼酸、甘油或木糖醇等浸漬液。鉛膏中的防氧化劑大多數(shù)生產(chǎn)廠家使用α－羥基β－萘酸(簡稱1.2酸)或硬酯酸類(少數(shù)廠家)。最近幾年提出。用液體石蠟代替1.2酸[1.2]，使用1.2酸的配方法，應(yīng)用廣泛，工藝成熟，但有如下缺點：(1)對鼻膜有刺激、嗆人；(2)充電接受能力差，化成時常常表現(xiàn)出滯后于正極，(3)價格較貴，(4)與木素磺酸鈉配合時，電池經(jīng)幾次循環(huán)容量明顯下降。硬脂酸配方法因硬脂酸為蠟狀固體，不易分散，合膏時混合不均。液體石蠟首先由重慶廠李永奎先生提出[1]，液體石蠟是石油化工產(chǎn)品，是一種混合烴，為無色無味的油狀液體，不溶于水。價格便宜，密度為0.89，燃點稍高于245℃，雜質(zhì)含量很低，分子量平均為490。合膏時無需乳化或噴淋，加水后或加酸后加入均可，易于分散，合膏均勻，與木素磺酸鈉合用，未發(fā)現(xiàn)容量下降，鉛膏的彈塑性好，易于填涂。日本在若干年前就使用一種礦物油進行干荷，估計就是液體石蠟。目前，在國內(nèi)尚未為大多數(shù)廠家所接受，尚存疑慮。柴樹松先生[3]已經(jīng)過大量的試驗：5 s放電電壓、低溫起動放電、極板鉛含量分析、儲備容量、充電接受、荷電保持、循環(huán)壽命等進行了全面的試驗，結(jié)果表明各項指標均符合技術(shù)要求，效果很理想。我們在實驗室也進行過驗證，用循環(huán)伏安法和小片試樣證明用液體石蠟代替1.2酸，具有以下優(yōu)點：析氫過電位高，充電時析氫少，極板可逆性好，即充電接受能力得到改善，鑒于上述結(jié)果，可完全打消疑慮放心在生產(chǎn)上使用。 　　干荷電極板的生產(chǎn)不僅僅用于汽車起動型，部分閥控密封摩托車電池也用干荷式，電動自行車蓄電池的生產(chǎn)當采用槽化成工藝時，為了減少裝配后的補充充電時間，也采用干荷極板工藝，有的生產(chǎn)廠也有使用液體石蠟為防氧化劑的，同樣取得了好的效果，實踐證明，液體石蠟做為防氧化劑代替1.2酸或硬脂酸工藝完全可行。 　　值得注意的是，在閥控密封電池中，負極組成含有1.2酸是非常不利的，因為負極在循環(huán)中的充電，同時有3個可能的反應(yīng)，PbSO4的還原、H＋離子還原為氫，O2的還原。1.2酸的存在既不利于PbO4的還原，也不利于O2的還原，O2的還原即O2的吸收在該類電池中是很重要的。我們建議最好不使用1.2酸而使用液體石蠟。甚至在干荷摩托車和自行車電池中，負極配方可不加防氧化劑，只在化成后經(jīng)水洗浸硼酸，就可以滿足要求，因為電池密封，在貯存過程中沒有防氧化問題，只是化成后的洗滌、干燥中防氧化，硼酸對電池性能無害，還可以降低正極的自放電[4]。 　　2 不同用途電池的典型配方 　　鉛酸蓄電池雖然品種較多，但按其使用特點主要分為三大類別：起動用(以汽車電池為代表)、動力型(以牽引車電池為代表)、固定型(以通信電池為代表)。 　　對汽車起動要求大電流低溫起動，低溫可達—40℃，一般以5分鐘率電流起動，然后以浮充方式進行充電。動力型電池，以中等速率進行深放電，也具有短時間大電流放電性能，然后進行恒壓或恒流充電，為典型的循環(huán)使用方式。固定型電池為備用電源，不定期的使用，經(jīng)常以恒壓并聯(lián)方式進行浮充電。對三種不同使用類型電池的典型負極配方如表1[5]。 　　BaSO4是各種用途的蓄電池都必須加入的無機膨脹劑，但對低溫起動的去鈍化作用不夠，還必須與有機膨脹聯(lián)合使用。沒有膨脹劑負極活性物質(zhì)，在充放電的循環(huán)中，放電時形成致密少孔的PbSO4層覆蓋在鉛上。這種缺孔沉積物的形成，引起活性物質(zhì)的緊結(jié)收縮，極大地降低負極的比表面積，使得負極在相當少的循環(huán)后就喪失工作能力。 　　在負極組分中加入某些添加劑，可以減緩這種收縮傾向，通常稱為膨脹劑，準確地說是防收縮劑。 　　硫酸鋇為無機膨脹劑，它與PbSO4具有近似的結(jié)晶參數(shù)，如表2。在負極活性物質(zhì)中加入高分散的同晶硫酸鋇或硫酸鍶，放電時可以做為硫酸鉛的結(jié)晶中心，硫酸鉛可以在硫酸鋇上析出，而無需形成硫酸鉛的結(jié)晶中心，這樣就不會產(chǎn)生由于要形成晶核而必須的過飽和度，這帶來兩點好處，首先濃差過電勢降低，其次在低過飽和度條件下所形成的硫酸鉛層壓實程度小于高過飽和度下所形成的硫酸鉛層，這有利于硫酸的擴散，有利于電極的深度放電。硫酸鋇是惰性的，不參加電極的氧化還原過程，它高度分散于活性物質(zhì)之中，使放電時生成的PbSO4不是覆蓋在金屬鉛上形成致密連續(xù)的鈍化層，而是保持電極物質(zhì)的發(fā)達的比表面積，充電時防止收縮。 　　當BaSO4與有機膨脹劑聯(lián)合使用時，其去鈍化作用將加強，使低溫大電流放電時間延長，并能在循環(huán)過程中保持其去鈍化作用，故在汽車起動電池中，這時既要求大電流保持一定時間，又要保持一定電壓時(即要求一定功率才能起動)，必須無機與有機膨脹劑聯(lián)合使用，效果如圖1所示[6]。 　　在固定型電池中，用電設(shè)備和蓄電池均放在室內(nèi)無低溫起動問題，此外，由于恒壓浮充電要求單格電池之間的電壓一致性要好，而有機膨脹劑強烈的影響氫的過電勢，結(jié)果引起電池之間電壓的不一致，所以在固定型電池的負極中不加有機膨脹劑，以減少電壓不一致的影響因素，尤其在密封電池中影響電壓不一致性的因素較多，取消有機膨脹劑，而適當多加一些BaSO4。BaSO4的含量對電池的壽命和起動時間的關(guān)系如圖2。最近幾年提高了 BaSO4的含量到1.0％，改善了負極活性物質(zhì)的壽命[7]。

汽車、摩托車起動用蓄電池

1.1汽車行業(yè)

汽車行業(yè)是國家列為重點發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，鉛酸蓄電池的用量也迅速增加，大約占整個鉛酸蓄電池用量的80%左右，到2010年汽車年產(chǎn)量將到750萬輛，社會保有量將達到6000萬輛，中國汽車的需求將僅次于美國、日本排世界第3位，假如起動用密封鉛酸蓄電池開發(fā)成功，將是一個相當大的市場，要使汽車的電氣系統(tǒng)電壓由12V開至24V或36V，將給鉛酸蓄電池帶來新的機遇，無論使用何種電壓，都必須將電源分成兩部分，其中一部分是為大電放逐電負載服務(wù)的，如用于發(fā)動機起動，傳統(tǒng)的富液式鉛酸電池能適合這種要求，另一部分是用于低倍率深循環(huán)用途，閥控鉛酸蓄電池最適合這種用途。

1.2摩托車行業(yè)

中國事世界摩托車第一生產(chǎn)與銷售大國，1993年中國摩托車產(chǎn)量首次超過日本，中國摩托車市場仍處于需求高峰，電動摩托車是較大的潛伏市場，這一領(lǐng)域為鉛酸蓄電池開辟了新的巨大市場。目前摩托車行業(yè)使用的仍以開口電池為主，但密封電池取代開口電池已是必然的趨勢，目前我國摩托車擁有量只10~11輛/千人，而國際水平為20輛/千人，相差甚遠，因此摩托車的產(chǎn)量會穩(wěn)定增長。

2、通訊用鉛酸蓄電池

中國的郵電通訊業(yè)目前正處于一個高速發(fā)展期，均勻每年的增長規(guī)模超過20%，固定資產(chǎn)投資已連續(xù)7年超過1000億元。實際上不久前據(jù)權(quán)威消息國內(nèi)電話用戶最多統(tǒng)計已達4.6億戶，其中固定電話及移動電話用戶各占一半，都超過了“十五目標”的數(shù)字，預(yù)計在今后20年內(nèi)，中國將是世界上最大的通訊市場。

通訊行業(yè)是鉛酸蓄電池的主要用戶，特別是閥控式鉛酸蓄電池占目前市場需求總量的三分之二。中、小型密封電池在郵電系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域為用戶接進網(wǎng)和通訊專網(wǎng)。用戶接進網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)部“十五”期間發(fā)展的一個重要方向，從2000年開始，這一領(lǐng)域的發(fā)展呈現(xiàn)出強勁的勢頭，特別是北京、上海、廣東、江蘇等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和大、中城市，紛紛投進到這一先進的通訊網(wǎng)絡(luò)中，隨著信息經(jīng)濟的不斷發(fā)展，這一領(lǐng)域市場潛力巨大。

3、電力用鉛酸蓄電池

電力行業(yè)是我國重點發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，1998年至2002年裝機容量每年均勻在2000萬kW以上，多年來，由于城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造投進不足，致使電網(wǎng)建設(shè)滯后于發(fā)電，限制了城市和農(nóng)村用電的需求和消費。為加大電力結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，必須調(diào)整電力資金投向，加快城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造步伐。1998至2000年，國家電力公司投資3800億元進行了城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，將建設(shè)重點從發(fā)電轉(zhuǎn)向電網(wǎng)建設(shè)。2000年至2005年每年用于西部城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造和東部后續(xù)配套工程的投資也將達800億元。

4、鐵路內(nèi)燃機車及電力機車用鉛酸蓄電池

近幾年我國對基礎(chǔ)設(shè)施的投進不斷加大，鐵路建設(shè)是基礎(chǔ)建設(shè)的重點之一。“十五”期間國家在鐵路系統(tǒng)的總投資將達到3600億元，電池的需求量很大，到2002年底，內(nèi)燃機車數(shù)目已超過12000輛，電力機車達4600輛。

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5、UPS電池（中小密）

UPS即不中斷電源系統(tǒng)，主要與計算機及精密儀器配套使用，蓄電池為其核心部分。近年來，隨著計算機在我國國內(nèi)的普及，UPS市場也相應(yīng)被帶動起來，UPS在中國市場發(fā)展較快。

6、電動汽車及電動自行車蓄電池

6.1 電動汽車

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，燃油汽車擁有量劇增，汽車尾氣排放成為城市大氣污染的主要來源之一，為此中國政府將環(huán)境保護作為實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，國家于1996年啟動汽車重大科技產(chǎn)業(yè)化工程項目，包括概念車的研制，電動車關(guān)鍵部件攻關(guān)（電池、電池治理等）。作為電動車動力電池的研究種類很多，有鉛酸電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鈉-氯化鎳電池、鋰離子電池、燃料電池等。根據(jù)中國電動車發(fā)展計劃，期看將公交車、出租車作為電動車使用的首要地位，因此需要發(fā)展價格低廉的電動車電池，1991年國家將電動車鉛酸電池的研究開發(fā)列為重點項目，目前存在的最大題目是電池均勻一致性差。

6.2 電動自行車用電池

進進20世紀90年代以來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量越來越重視。一方面從環(huán)保角度，另一方面從擁有輕便的私人交通工具出發(fā)，產(chǎn)生了對電動自行車的需求。目前電動自行車所配置的電池大部分是閥控密封鉛酸蓄電池（簡稱小密），這種鉛酸蓄電池是在密封鉛蓄電池的基礎(chǔ)上，經(jīng)過性能改進的，特別是在比能量和循環(huán)壽命方面有所突破，國內(nèi)已有108家公司及研究所對電動自行車用閥控密封鉛蓄電池進行開發(fā)，但目前為止都還存在著在中、高速率時比能量不夠高和深循環(huán)壽命不夠長等缺點，在很大程度上影響了電動自行車行業(yè)的高速成長。國內(nèi)自行車保有量為2億輛，每年銷售量在2500～3000萬輛，電動自行車目前的年銷售量為10萬輛左右，一旦技術(shù)成熟，將會有一個爆發(fā)性的增長，每年的需求至少可以達到200萬輛，以均勻配置24V12Ah，均勻壽命一年計，則年配套電池用量可看達到58萬kwh，社會零售量可達288萬kwh，從目前閥控鉛酸電池的技術(shù)開發(fā)情況來看，完全有可能滿足這一產(chǎn)品的需要。

7、新能源用鉛酸蓄電池

當今世界能源的結(jié)構(gòu)正朝著綠色方向發(fā)展，綠色新能源中如風能、太陽能正在得到開發(fā)和利用，并已成為電力產(chǎn)業(yè)重要的有機組成部分。

 國際鉛酸蓄電池發(fā)展概況
   
　　根據(jù)英國著名電池機構(gòu) BEST (Batteries and Energy Storage Technology) 2008年發(fā)表的研究報告,2007 年全球汽車用鉛酸蓄電池銷售 3.8 億只,價值 190 億美元,如果包括工業(yè)用途在內(nèi),全球鉛酸蓄電池總銷售 220 億美元。新增生產(chǎn)主要集中在巴西、俄羅斯和中國。實際上,在未來 5 年中國會取代美國,成為最大的汽車用鉛酸蓄電池市場。根據(jù)亞洲電池協(xié)會的統(tǒng)計,全球鉛蓄電池市場規(guī)模已經(jīng)從 2005年 34,570 萬 KVAH增長到 2009年的 37,290 萬 KVAH。在亞洲市場,尤其是中國市場快速發(fā)展的影響下,2012 年全球鉛蓄電池的市場規(guī)模將上升至41,370 萬KVAH,年均增長率超過 4%。
　　環(huán)境問題將是影響未來鉛酸蓄電池市場的關(guān)鍵因素,特別是減少車輛排放和改進燃油效率,將導(dǎo)致汽車用鉛酸蓄電池市場的變化。包括“微混”(start-stop)技術(shù)在內(nèi)的汽車新技術(shù),將帶動 VRLA電池、鎳氫電池以及潛在的鋰離子電池在汽車上的應(yīng)用。先進結(jié)構(gòu)的 VRLA電池的開發(fā),將使鉛酸蓄電池的市場份額在混合動力技術(shù)引起的汽車制造業(yè)變革中得以維持。
　　移動電話,無線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,需要建設(shè)更多的數(shù)據(jù)中心,使得電信和UPS用途的鉛酸蓄電池用量增加。由于歐美制造業(yè)的不景氣,動力牽引蓄電池增長相對緩慢一些。

功能特點：

本設(shè)計方案采用是交流注入法，就是用激勵信號加到電池兩端，檢測電池的響應(yīng)電壓值、電流值及兩者的相位差，由阻抗公式R=U/I*cosθ計算出內(nèi)阻值。其主要的檢測對象是9V-12V、10Ah-70Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池，檢測系統(tǒng)是檢測蓄電池在線狀態(tài)下的內(nèi)阻值、蓄電池當前電壓值、充電電流值以及機房的環(huán)境溫度。具體如下：

檢測蓄電池內(nèi)阻值：分別檢測出蓄電池在三種狀態(tài)下的內(nèi)阻值：在線放電狀態(tài)、在線浮充狀態(tài)、離線狀態(tài), 測量范圍在1mΩ-500 mΩ。

檢測蓄電池當前電壓值:實時檢測蓄電池于在線放電狀態(tài)、在線浮充狀態(tài)、離線狀態(tài)下的當前電壓值，測量范圍是1V-45V。

檢測蓄電池充電電流值：分別檢測蓄電池的在線充電狀態(tài)和浮充狀態(tài)下的電流值。

檢測環(huán)境溫度值：檢測蓄電池在機房工作的環(huán)境溫度。

技術(shù)指標：

在實現(xiàn)主要功能的情況下，各技術(shù)指標達到如下要求：

實時顯示三種檢測狀態(tài)下的內(nèi)阻值，誤差<5 mΩ。

實時顯示三種檢測狀態(tài)下的電壓值，誤差<0.1V。

實時顯示在線充電和浮充狀態(tài)下的電流值，電流精度值達到毫安級。

實時顯示環(huán)境溫度值，誤差。

第三部分：可行性分析

設(shè)計思路：

電池的性能直接影響整個供電系統(tǒng)，而蓄電池內(nèi)阻決定了電池性能的好壞，所以，對蓄電池工作狀態(tài)在線檢測將是必要的措施。

蓄電池內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)能精確檢測電池的運行狀態(tài)參數(shù)和工作環(huán)境，然后把這些數(shù)據(jù)通過下位機的控制系統(tǒng)發(fā)送給PC 監(jiān)控系統(tǒng)，實行了智能化控制和管理，既保證了供電系統(tǒng)的可靠性又節(jié)省了一大筆費用。

應(yīng)用的技術(shù)分析：

蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的研究對本設(shè)計方案有著重要的促進作用，其中阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法，也是電池性能研究和產(chǎn)品設(shè)計的必要手段。圖1是典型的鉛酸電池阻抗圖，可見其包括以下幾部分：

100Hz后體現(xiàn)的電感部分;

高頻電阻RHF，即超過100Hz 后的實部;

在0.1Hz 和100Hz之間的第一個小容性環(huán)(半徑R1);

低于0.1Hz 后的第二個大容性環(huán)(半徑R2)。

圖1 蓄電池阻抗譜圖

關(guān)于蓄電池阻抗譜圖，一般的解釋為：

超過100Hz 部分呈現(xiàn)的感性是電池內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和連接部件的影響;

歐姆電阻RHF包含連接件電阻、隔膜電阻、電解液電阻和電極與硫酸鉛晶體結(jié)合面電阻;

小容性環(huán)與電極的孔率有關(guān);

大容性環(huán)依賴于電極反應(yīng)，其速率受Pb2+離子傳質(zhì)速度限制。

通過以上的分析，可知內(nèi)阻是蓄電池的重要參數(shù)之一，為此設(shè)計內(nèi)阻檢測系統(tǒng)將是可行的。

本次設(shè)計團隊是一支優(yōu)秀的研究生團隊，其中指導(dǎo)老師早年獲得上海同濟大學(xué)博士學(xué)位，具有多年的項目開發(fā)經(jīng)驗;第一作者來自通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，曾多次參加電子設(shè)計大賽，并在化學(xué)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位，對電化學(xué)很了解，具有很強地電路設(shè)計能力。第二作者早年電子信息專業(yè)本科畢業(yè)，有著四年的項目開發(fā)經(jīng)驗，現(xiàn)就讀于信號與信息處理專業(yè)，在電路檢測、信號處理方面有著豐富的開發(fā)經(jīng)驗;第三作者同樣來自通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，有著扎實的電子理論基礎(chǔ)以及動手能力。所以，本團隊兼有該方案各方面人才，不僅具有電子設(shè)計方面的專業(yè)知識，而且在生化方面也有很深的理論基礎(chǔ)，不管在理論分析和實際操作方面都是很出色。

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