护延神:一种新型铅酸电池的在线维护工具

文/肖德高 吴 兵 戎善培 钟定清

一直以来，提高电池的使用寿命是蓄电池行业努力追求的目标。近年来虽然在电池制造技术和质量控制方面有了提高和改善，但仍存在相当比例的电池失效。这种失效不是由于电池本身质量的原因造成，而是由于使用维护技术和充电技术的欠缺导致了电池的寿命终止。所以如何改善电池充电技术和采用电池在线维护技术来提高电池的使用寿命仍是一项非常有意义的课题。

1.铅酸电池的使用和维护现状

近年来，国内对充电技术的研究开始增多，但电池实际应用的充电技术仍以传统的多段式恒流恒压组合充电模式为主，而对电池脉冲维护技术的系统研究较少；一般仍采用以下一些传统的维护手段：

(1)定期用万用表测量各单体电池的开路电压和充电电压，以此来判断电池性能的好坏；

(2)定期对蓄电池进行容量放电测试；

(3)定期采取均衡充电等过充电方式对电池进行维护；

(4)出现硫化的电池根据容量衰减程度不同，分别采取过充电法、反复充电法、水疗法等进行电池修复。

在线维护修复电池的理论和技术研究已经进行了几十年，但相关产品仅在近几年才开始逐渐开发并投入实践应用，这些产品包括以下几种：

澳大利亚CSIRO Energy Technology 公司开发出Novel Pulse产品用于电动车动力电池的使用维护，该产品采用超高频（50–500 kHz）正脉冲技术；

德国NOVITE开发出MEGAPULSE产品用于汽车、船舶、摩托车等的启动电池，电动叉车等动力电池的使用维护，该产品采用高频8.33 kHz正脉冲技术；

日本加茂川启明电机株式会社开发出的ERUMA产品用于电动助力车、电动汽车、电动轮椅、电动高尔夫球车和其他EB车辆配用电池的使用维护，该产品采用8.33kHz负脉冲技术等等。

上述电池维护修复产品虽各具其优势，但存在技术单一，适用面较窄等不足之处，而铅酸电池应用范围非常广，电池使用过程面临的问题也比较复杂。为扩大电池维护修复的使用效果和适用范围，笔者在融合相关技术的基础上开发出了一种更合理的在线电池维护修复产品——护延神。

2.护延神的技术原理及应用

护延神是上海锦鹏科技有限公司注册的专利产品名称，是针对铅酸蓄电池使用寿命过短而研发的集维护与修复功能于一体的蓄电池智能在线管理装置，其主要功能是延长新电池使用寿命，对因硫化致容量下降的在用电池可通过逐步消除硫化而有效恢复电池容量。

护延神产品分为4种系列，即牵引系列、起动系列、固定阀控系列和助动车系列。其中：牵引系列适用于电动叉车、铲车、环卫清运车、游览观光车、高尔夫球车等；起动系列适用于汽/柴油的轿车、客车、卡(集)车、工程车辆；固定阀控系列适用于电信、电力、银行等机房和基站的备用电源；助动车系列适用于电动自行车、电动摩托车等。

2.1 护延神的技术原理

铅酸电池以多孔性二氧化铅作为正极活性物质，高比表面积多孔结构的海绵状金属铅作为负极活性物质，电解质在充电状态下是相对密度为1.28g/mL～1.34g/mL或者质量分数为37%～45%的硫酸溶液，电池放电时两个电极的活性物质分别转化为硫酸铅，充电时，反应向相反方向进行。

铅酸蓄电池失效可能是多种原因造成的，例如硫化、失水、热失控、活性物质软化脱落等等，在充电不足或欠充的情况下，电池的硫酸盐化将成为一种比例较高的失效模式。

护延神的主要技术原理是应用电子学与电化学技术的协同作用和相互优势的有机结合，既采用了复合谐振多重脉冲技术，通过各种谐振波脉冲的作用，在电池充电的过程中有效地促进极板上活性较低的硫酸铅结晶的转化，又在电池的搁置过程中有效地抑制惰性硫酸铅的形成，还采用护延神设置的先进电子控制技术，改善和优化电池充电器的充电特性，有效地提高了在充电后期电池的充电接受能力，从而达到延长电池使用寿命的目的。

2.2 护延神中的脉冲充电技术对电池的维护作用

(1)改善活性物质的颗粒结构和电化学特性 脉冲充电能提高铅酸蓄电池的正极活性物质和界面的活性。在电池循环寿命期间，较大活性物质颗粒的形成或由于Pb02活性物质网络结构中水含量的减少使电化学活性降低，活性物质孔隙度的变异以及Pb02活性物质网络结构的解体等都影响正极板的循环寿命。护延神中所设置的特定脉冲充电电流对于活性物质及界面的结构有“焊接”和去钝化层的作用，有利于形成更紧凑的正极活性物质骨架，对正极活性物质和表面的结构施加有利的影响。脉冲充电形成的正极活性物质由于来不及长大而使活性物质的颗粒尺寸较小，活性物质之间的连接较紧凑，使得正极板的孔隙较大，从而有利于循环寿命的延长。

(2)减少电极极化 蓄电池在充电过程如果采用的充电方法不当，会产生严重的极化效应。欧姆极化和电化学极化只需充电电流下降到足够小或停止即可在毫秒或微秒内减小或消除，而浓度差极化消除时间较长。消除浓度差极化有3个途径：①高速旋转电极或强制性对流电解液，②添加支持电解质，③间隙中断或降低充电电流，以保持离子通过迁移和扩散而传输的速度足够满足电极上电子交换反应的需求。

当充电电流流过被充电池时，电极的极化即已产生。电流密度加大，电池的极化也加大。可见，充电过程中出现电极极化是必然的。如何有效而合理地控制好电极极化对电池的充电是十分重要的。合理的极化是当铅酸电池充电时，期望在发生析气前，电池能达到最大的充电接受。不合理的极化要么导致电池欠充，要么使电池电压过高、电池温度升高、充电效率降低以及过早地进入析气反应。

护延神中所设置的特定脉冲充电方式通过充-停-放-停的工作模式，可以实现在最大限度地加大电流密度的同时又能有效消除或降低离子的浓差极化，有效地扩散聚集在电极上因极化而产生的热量，实现高效、低析气率的大电流快速充电。

(3)消除硫酸铅积累 如果电池使用和维护不善，例如经常充电不足或频繁过放电，就会形成一种粗大坚硬的不可逆硫酸铅，这些不能完全反应的硫酸铅在负极板表面逐渐积累，直到电池电量降低到要求容量以下。如果采用常规恒压或恒流充电，消除这种活性差的硫酸铅非常困难。如果采用护延神所设定的脉冲充电，则恢复效率会大大提高。护延神所提供的脉冲电流可以看成是由一系列频率的交流电流组成，由于集肤效应，当一定频率的交流电流流过某一导体时，电流仅流过导体界面的外表面。集肤深度可以用下式表示：

其中，ρ是导体电阻率(如铅为：2.053×10-7Ω·m)，μ是导体的磁导率，对于非铁磁材料电池极板，可以认为是自由空间磁导率(4π×lO-7H/m)，f为频率。

显然，充电电流频率越高，则电流越集中在极板表面，积累在极板表面的硫酸铅越易于发生转化反应，充电反应能够进行较充分，且抑制了析氢反应的发生。然而，由于电容效应，太高的脉冲频率，会导致充电效率降低。护延神通过大量试验工作，充分考虑到采用脉冲充电时脉冲频率对硫酸铅转化反应的影响，选择了合适的脉冲频率，最大限度地消除了硫酸铅在极板表面的积累，有效地提高了对电池的维护和修复功能。

护延神的修复效果可以通过扫描电子显微镜明显地观察到：（见图1）

图1 护延神修复前后负极活性物质的SEM图

(a)严重硫化的负极板

(b)经护延神修复的负极板

蓄电池的充电问题一直是人们关注的焦点，铅酸蓄电池的充、放电过程是一个复杂的过程，其复杂性表现为：

⑴多变量 影响因素多，诸如电解液的浓度、极板的厚度、活性物质的活性、环境温度等。

⑵非线性 一般而言，蓄电池可接受充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能用恒流或恒压充电方式获得。

⑶离散性 即使同一类型、相同容量的蓄电池，随着各自使用时放电条件和状况的不同，可接受充电电流也有很大的不同。

图2 不同充电方式的电流电压设置曲线

如何选择正确、良好的充电方法来确保电池的使用寿命？电池的充电方法多种多样，充电方法的不同，对蓄电池的影响较大。传统的充电模式有恒流充电、恒压充电和恒流恒压组合充电等，但这些充电方法充电时间长，充电控制要求高，控制不当或不及时会对蓄电池本身造成损害，影响蓄电池的使用寿命。随着充电方法研究的深入，国内外陆续提出一些新的充电方法，如分级定流充电法、脉冲式充电法、变电流电压间歇充电法等（如图2中a～f所示），这些充电方法在改善和提高电池充电效率方面具有重要的借鉴作用。

结合先进的充电特性曲线，护延神基于脉冲充电技术对电池所起的维护作用，设计软件控制的电子线路发送一定参数的脉冲信号来触发充电器进行相应的充电控制，只需将工作状态下的电池在线接入护延神，即可对原有电池充电器的充电曲线进行优化改善及整合，由此可对整组或落后电池的性能起到显著的修复和维护作用。

3.护延神的使用效果

实例1 上海赛科利汽车模具技术应用有限公司(见表1)：

表1

实例2 南京中萃食品有限公司(见表2、3和图3)：

南京中萃食品有限公司奋斗物流中心共计14组电池，分别是2008年3组、2009年5组、2010年6组。从2011年9月下旬全部使用护延神产品，历时一年的使用过程中进行效果跟踪测试，其数据如下。

表2

备注：第一次测试为初始测试(见表4和图4)：

表3

图3 使用前后各电池组I5放电时间对比图

实例3 上海贝尔物流中心

表4

该组48V-560Ah电池启用时间为2006年6月，初始容量仅为额定容量的4.82%，经3个月护延神修复后达到额定容量的21.39%；从放电曲线看放电平台提高了，曲线斜率（slope）也趋于缓和了，修复效果十分明显。

实例4 杭州中萃食品有限公司(见表5和图5)：

图4 使用前后电池组放电时间与电压的曲线

这二组电池使用前后的放电曲线变化明显：放电曲线变缓，其曲线的（slope）斜率分别从原来的-84.8973和-84.4568变化为-49.1355和43.5782；放电电压平台抬高。总之，放电能力得到明显的提高。

表5

图5 修复前后电池组放电时间与电压的曲线

4.经济技术社会效益分析

铅矿是不可再生资源，储量有限，按目前的开采水平，我国铅矿资源可采储量只够开采 6～7 年。资源压力、再生铅技术滞后压力制约蓄电池产业的发展， 2008年中国电铅产量约286万吨，约占全球总量850万吨的33.6%，铅酸蓄电池耗电铅220万吨，占我国铅总量70%左右(一部分为进口铅)。2009年电铅产量约400万吨（再生铅比例约占38%），年增长维持在20%以上 。

（1）经济技术效益分析

近年来，节能与环保已成为全世界共同关注的课题。在铅酸蓄电池的应用领域安装使用护延神产品，可以在线对电池进行维护修复和延长电池的使用寿命。

①直接经济价值：提升电池容量，延长电池寿命。

②间接经济价值：节约能耗工时，降低电池购买的涨价风险。

③社会公益价值：降低铅污染；促进节能减排。

（2）社会效益节能减排（耗）效果分析

①通过安装护延神延长铅酸蓄电池使用寿命，可有效介入铅的生命周期管理，明显减少制造企业的用铅量。

铅酸蓄电池的制造主要原材料为铅，仅2008年，我国用于生产铅酸蓄电池的耗铅量已达到近380万吨（电解铅和再生铅），年生产电池量1.4亿KVAH(千伏安时)以上。

目前国内铅酸蓄电池的生产增长主要集中在以电动车电池为主的动力铅酸蓄电池，数量占整个铅酸蓄电池产量的40%左右，该类电池作为深循环使用，寿命仅为1.5年左右，每年用铅量占20%以上，传统的启动电池寿命约为2～3年，其他电池平均寿命约为3～5年。

按照护延神产品可以增加铅酸电池使用寿命约1倍，以铅酸蓄电池用铅量400万吨计算，则每年铅酸电池用铅量减少为：

400×（0.2×1/1.5+0.2×1/2.5+0.6×1/4）=145.2(万吨)

②可以降低铅酸蓄电池生产需求压力，减少铅酸蓄电池从铅采矿、冶炼到电池制造产业链的建厂投资。

按照2003年的有关数据，设计建造10000吨铅/年规模的铅冶炼厂项目总投资约2250万元，采矿部分投资约为冶炼部分的2倍，按用铅量145.2万吨中的60%为电解铅和40%为再生铅计算，减少采矿冶炼建厂投资资金为：

145.2×0.6×2250×3+145.2×0.4×2250=718740（万元）

2010年铅酸电池生产量1.4亿KVAH(千伏安时)以上，由于电池需求量降低36.3%，按年产30万KVAH制造厂投资7000万元计算，可减少电池制造厂投资资金为：

(14000×0.363/30)×7000=1185800(万元)

每年共计节约投资资金为：1904540（万元）

③通过安装护延神延长铅酸蓄电池使用寿命，可减少制造企业的排铅量，按目前的清洁生产要求，环保投资约占建厂总投资8%计算，每年可以减少环保投资为：

1185800×0.08=94864（万元）

可相应减少电池制造带来的水电煤等能源消耗和原材料、制造、人工等费用。按铅酸蓄电池平均制造成本0.55元/VAH计算，每年减少费用为：

140000000000×0.363×0.55/10000=2795100（万元）

可减少因电池报废带来的环境污染压力，目前每年铅酸蓄电池的报废量在1亿只左右，按每年减少蓄电池报废量的15%计算，每年可减少废电池数量为：

10000×0.15=1500（万只）

可给铅酸蓄电池应用领域带来高比例的成本节约，以48V-485AH铅酸蓄电池20组为例(见表6)：

表6

5.结语

本文所论及的护延神产品相比目前市场上的同类产品具智能化程度高、多种技术组合和使用效果明显等特点，已在太古可乐、中粮可乐等企业和电动助力车用户中推广使用。

多年的实践结果表明：使用护延神后铅酸电池的容量和放电时间均得到不同程度的提高，并能保持长时间稳定的状态，各单体电池的一致性也趋于完好，电池的硫化问题得到了有效的克服，电池的使用寿命也得到了延长。

电池的在线修复与维护是一门包含多学科交叉的复杂的应用技术，护延神中的技术参数与电池电性能参数的合理匹配选择至关重要。在现有技术成果的基础上，笔者将继续进行大量现场试验与测试，不断积累经验，分析数据，研究护延神工作脉冲参数与电池电性能参数合理匹配的关系，持续不断地进行技改创新，以尽快将该项技术延伸应用于其他电池领域。

〔1〕王伟.“铅酸蓄电池管理系统实现的软硬件研究”，杭州：浙江大学硕士学位论文，2004

〔2〕潘尚智.“阀控式铅酸蓄电池管理系统”，杭州：浙江大学硕士学位论文，200l

〔3〕罗光毅.“蓄电池智能管理系统”，杭州：浙江大学硕士学位论文，2003

〔4〕丁昂.“阀控式免维护铅酸蓄电池脉冲充电技术及其智能管理”， 杭州：浙江大学硕士学位论文，2006

〔5〕李开贵.“WFK—XSC IOA一Ⅱ电池内化成智能脉冲充／放电柜”，广州：《蓄电池》2006年第4期

〔6〕朱松然.“铅酸电池实用手册”，机械工业出版社出版，1996