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理士蓄電池的均衡充電原理
理士蓄電池（以下簡(jiǎn)稱閥控式密封蓄電池）由于具有節(jié)省投資、安裝簡(jiǎn)便、安全可靠、使用方便等特性，在實(shí)際應(yīng)用中被大量使用。但由于對(duì)其使用要求缺乏了解，并沿用舊的均衡充電制度，對(duì)理士蓄電池造成較大的危害。
1．取消均衡充電的理由
（1）何謂均衡充電
所謂均衡充電，就是均衡電池特性的充電，是指在理士蓄電池的使用過程中，由于理士蓄電池的個(gè)體差異、溫度差異等原因造成電池端電壓不平衡，為了避免這種不平衡趨勢(shì)的惡化，需要進(jìn)步理士蓄電池組的充電電壓，對(duì)理士蓄電池進(jìn)行活化充電。
（2）無(wú)須均衡充電的理由
首先，均衡充電的概念的概念是在老式鉛酸理士蓄電池使用中提出的目前大的多數(shù)的閥控式電池都明確提出“電壓均衡、化成徹底”。而“電池內(nèi)不形成酸層，無(wú)需進(jìn)行均衡充電”。對(duì)于2.4V單體電池的充電電壓的定義是加速充電，即“FASTCHARGE”，而非“EQUATION”。
其次，均衡充電會(huì)對(duì)閥控式電池造成損害。均衡充電電壓對(duì)于大多數(shù)電池來(lái)說，都是較高的浮充電壓。此時(shí)，大多數(shù)正常電池都處于過充電狀態(tài)。不能復(fù)合的氣體在電池內(nèi)部形成一定的壓力，壓力超過安全控制閥閥值時(shí)，閥門打開，氣體從控制閥中排出。
在以前的電池維護(hù)中，伴隨著均衡充電的過程是進(jìn)行電池比重的調(diào)整，也就是說采用添加蒸餾水的辦法補(bǔ)充水量，以保持電池的均衡性。但在免維護(hù)理士蓄電池中，在現(xiàn)有的維護(hù)制度下是不加水的，這樣一來(lái)，將不可避免造成理士蓄電池的失水、電池干枯。
2．取消均衡充電后，如何保證理士蓄電池端電壓的一致性
（1）理士蓄電池端電壓的決定性因素
首先，主要起決于電解液的濃度和極板材料。電池失水，電解液濃度必然增大，使理士蓄電池的端電壓升高。其次，與安全閥的開啟有關(guān)。如安全閥的壓力過低，必將造成電池過早失水、端電壓上升。此外，串聯(lián)理士蓄電池之間的連接狀態(tài)是不同的，浮充時(shí)，會(huì)出現(xiàn)充電不足。當(dāng)電池碰到深放電再進(jìn)行恢復(fù)性充電時(shí)，難以恢復(fù)，這將造成電池端電壓偏低。
（2）理士蓄電池端電壓的保證手段
既然電池會(huì)存在端電壓不一致的情況，又不答應(yīng)電池進(jìn)行均衡充電，那么應(yīng)如何確保電池端電壓的一致性？首先應(yīng)從電池的原材料、生產(chǎn)環(huán)節(jié)保證電池電壓的一致性。比如電池材料的選擇，特別是電解液、極板、壓力控制閥等關(guān)鍵材料的選擇。其次要確保電池安裝的質(zhì)量，保證電池安裝狀態(tài)的一致性。如，電池的連接方法、扭力的均衡性等。另外還要在維護(hù)中予以關(guān)注。對(duì)于某些落后的理士蓄電池要進(jìn)行恢復(fù)性充電，同時(shí)還要適當(dāng)調(diào)節(jié)理士蓄電池的電解液；應(yīng)定期檢查壓力閥的工作狀態(tài)。
一、充電器
理士蓄電池充電方法很重要，正確的充電方法能夠有效延長(zhǎng)電動(dòng)車?yán)硎啃铍姵氐氖褂脡勖�。給電動(dòng)車?yán)硎啃铍姵爻潆娮詈檬褂迷b充電器，電動(dòng)自行車出廠時(shí)，充電器是與所配置的蓄電池相匹配的。其補(bǔ)充電流、充電最高電壓和轉(zhuǎn)換電流、浮充電壓、浮充電流是規(guī)定好的，其它充電器的參數(shù)都有一定的范圍的差異，很有可能與所配置的理士蓄電池不匹配，所以不可隨意更換充電器。
二、充電環(huán)境
由于電動(dòng)車?yán)硎啃铍姵爻潆娺^程中充電器會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，所以建議理士蓄電池放在空曠通風(fēng)處進(jìn)行充電，嚴(yán)禁在充電時(shí)用外物覆蓋充電器，否則容易損壞充電器與理士蓄電池，甚至造成火災(zāi)事故;另外也嚴(yán)禁充電器被水浸或雨淋。
三、充電時(shí)間
使用理士蓄電池，要養(yǎng)成當(dāng)天使用當(dāng)天充電的習(xí)慣，每天騎行電動(dòng)自行車后不管騎行多遠(yuǎn)都要充滿電，千萬(wàn)不要等電用光了再充電，以免因“深放電”而縮短理士蓄電池壽命。也不要在理士蓄電池倒置的情況下充電。充足電的理士蓄電池，如果長(zhǎng)期放置不用，也要每個(gè)月補(bǔ)充電一次。
平時(shí)注意使用正確的理士蓄電池充電方法，注意多保養(yǎng)電動(dòng)車?yán)硎啃铍姵�，用戶可以大大延長(zhǎng)理士蓄電池的使用壽命。
(1)正極活性物質(zhì)軟化脫落
理士蓄電池在循環(huán)使用條件下,理士蓄電池的失效主要是由正極活性物質(zhì)(PAM)的軟化、脫落所致。
理士蓄電池循環(huán)過程中,正、負(fù)極活性物質(zhì)經(jīng)歷了可逆的溶解再沉積過程,改變了多孔二氧化鉛電極的結(jié)構(gòu)。尤其對(duì)二氧化鉛電極,可能會(huì)引起表觀體積的增加,改變顆粒和孔尺寸的分布，多孔二氧化鉛結(jié)構(gòu)中顆粒之間的機(jī)械結(jié)合性能和導(dǎo)電性能降低，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會(huì)進(jìn)一步的惡化,結(jié)果使得該區(qū)域的活性物質(zhì)軟化和脫落。
(2)放電電流對(duì)理士蓄電池壽命影響
在光伏系統(tǒng)中,理士蓄電池的放電電流非常小。在小電流條件下形成的PbSO4比大電流條件下形成的PbSO4轉(zhuǎn)化困難得多。這是因?yàn)樵谛‰娏鳁l件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒要比大電流條件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒粗大，粗大的PbSO4結(jié)晶顆粒減少了PbSO4的有效面積,這樣在再充時(shí)加速了極板極化,導(dǎo)致PbSO4轉(zhuǎn)化困難，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會(huì)更加加劇,結(jié)果使得極板充不進(jìn)電，導(dǎo)致理士蓄電池壽命終止。
(3)深度放電后理士蓄電池容量恢復(fù)
在光伏系統(tǒng)中,理士蓄電池的放電率要比理士蓄電池應(yīng)用在其它場(chǎng)合低,通常介于C20～C240，甚至更低。小電流下深度放電意味著極板上的活性物質(zhì)將得到更充分的利用。在許多光伏系統(tǒng)中,通常不會(huì)發(fā)生深度放電,除非充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的壞天氣。在這種情況下,如果理士蓄電池得不到及時(shí)的再充電,硫化問題將更加嚴(yán)重,進(jìn)一步導(dǎo)致容量損失。
(4)酸分層對(duì)理士蓄電池壽命影響
電解液分層現(xiàn)象是由于重力的作用在理士蓄電池的充放電過程中產(chǎn)生的，即充電時(shí)正負(fù)極板表面都產(chǎn)生H2SO4,它的密度大,因重力的作用而下沉。在放電時(shí),正負(fù)極板表面均消耗H2SO4,故表面液層密度小,低密度的電解液順著極板間上升,而極群上部高密度的電解液則從極群側(cè)面向下,電解液流動(dòng)的結(jié)果造成了上部密度低、下部密度高。分層現(xiàn)象的產(chǎn)生對(duì)理士蓄電池的使用壽命和容量均產(chǎn)生不利影響，加速了板柵的腐蝕和正極活物質(zhì)的脫落,導(dǎo)致負(fù)極板硫酸鹽化。
(5)電液密度對(duì)理士蓄電池壽命的影響
電解液的濃度不僅與理士蓄電池的容量有關(guān)，而且與正極板柵的腐蝕和負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化有關(guān)。過高的硫酸濃度加速了正極板柵的腐蝕和負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化，并導(dǎo)致失水加劇。
(6)板柵合金的影響
理士蓄電池由于長(zhǎng)期使用,正極板柵會(huì)在電解液的作用下逐步腐蝕并長(zhǎng)大,板柵的長(zhǎng)大使活物質(zhì)和板柵的結(jié)合性降低,從而導(dǎo)致理士蓄電池容量逐漸喪失。這種正極板柵的腐蝕和長(zhǎng)大主要受板柵的合金組成、電解液密度以及板柵筋條形狀等因素的影響。
在理士蓄電池充電過程中,板柵和活性物質(zhì)的接口上形成非導(dǎo)電層,這些非導(dǎo)電層或低導(dǎo)電性層在板柵和PAM界面引起了高的阻抗,導(dǎo)致充放電時(shí)發(fā)熱和板柵附近PAM膨脹,從而限制了電池的容量(即所謂的PCL效應(yīng))。
(7)極板的厚度的影響
極板的厚度應(yīng)屬于電池設(shè)計(jì)方面的問題，一般來(lái)說，較厚極板的循環(huán)壽命要長(zhǎng)于較薄極板，而活性物質(zhì)利用率相比之下要差一些。但有利于循環(huán)循環(huán)壽命的延長(zhǎng)。
(8)裝配壓力的影
裝配壓力對(duì)VRLA電池壽命有很大影響,AGM隔板彈性差,組裝時(shí),極群不加壓或壓力過小,隔板和極板之間不能保持良好的接觸,電池容量大大下降。
在循環(huán)過程中，活性物質(zhì)的膨脹、疏松、脫落是理士電池壽命提前終結(jié)的原因之一，而采用較高的裝配壓力可以防止活性物質(zhì)在深循環(huán)過程中的膨脹。若裝配壓力太低，還會(huì)導(dǎo)致隔板過早地與極板分離，引起電液傳輸困難，理士蓄電池內(nèi)阻迅速增大，容易導(dǎo)致理士蓄電池壽命終止。因此，采用較高的裝配壓力是理士蓄電池具有長(zhǎng)循環(huán)壽命的保證。
(9)溫度的影響
高溫對(duì)理士蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會(huì)引起負(fù)極失效，溫度波動(dòng)會(huì)加速枝晶短路等等，這些都將影響理士電池壽命。在一定環(huán)境溫度范圍放電時(shí)，使用容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減小。在環(huán)境溫度10～45℃范圍內(nèi)，理士蓄電池容量隨溫度升高而增加，如理士蓄電池在40℃下放電電量，比在25℃下放電的電量大10%左右，但是，超過一定溫度范圍，則相反，如在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電，則理士蓄電池容量明顯減小。低溫(<5℃)時(shí)，理士蓄電池容量隨溫度降低而減小，電解液溫度降低時(shí)，其粘度增大，離子運(yùn)動(dòng)受到較大阻力，擴(kuò)散能力降低;在低溫下電解液的電阻也增大，電化學(xué)的反應(yīng)阻力增加，結(jié)果導(dǎo)致理士蓄電池容量下降。其次低溫還會(huì)導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)利用率下降，影響理士蓄電池容量，如果理士蓄電池在-10℃環(huán)境溫度環(huán)境溫度下放電時(shí)，負(fù)極板容量?jī)H達(dá)35%額定容量。
通常情況下，若在25℃條件下使用時(shí)，理士蓄電池的壽命為3年，那么30℃條件下使用時(shí)，就下降至2.5年;40℃時(shí)就下降至1.5年。即以25℃為基準(zhǔn)，每升高10℃，其使用壽命縮短一半。
光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能理士蓄電池的設(shè)計(jì)實(shí)踐
根據(jù)光伏系統(tǒng)用理士蓄電池的工作條件以及對(duì)光伏系統(tǒng)用理士蓄電池性能的特殊要求，結(jié)合上述影響理士蓄電池壽命的因素，在原理士蓄電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的研究和技術(shù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了光伏系統(tǒng)專用理士蓄電池。具體改進(jìn)措施包含以下幾方面：
(1)板柵合金：采用了適合與循環(huán)使用鉛銻或者鉛鎘板柵合金，既能防止極板在使用過程中腐蝕增長(zhǎng)，又可***板柵和活性物質(zhì)的界面上的阻擋層，杜絕了早期容量衰減。其充電效率和深放電后的恢復(fù)性能都很理想。由于鎘為有毒元素，現(xiàn)在限制使用。但由于鉛銻合金電池，失水嚴(yán)重，現(xiàn)在一般做成開口式理士蓄電池需要定期補(bǔ)水，需要人員定期維護(hù)。
(2)板柵結(jié)構(gòu)：采用了特殊的板柵結(jié)構(gòu)，可防止因板柵增長(zhǎng)而導(dǎo)致理士蓄電池?fù)p壞，并增加了板柵的厚度，以延長(zhǎng)理士蓄電池的使用壽命�，F(xiàn)在常用管式正極板柵設(shè)計(jì)，有限解決了因活性與板柵之間接觸不好的問題。
(3)鉛膏：在正、負(fù)鉛膏中，添加能增加導(dǎo)電性的添加劑，如石墨、乙炔黑等，并改進(jìn)和膏工藝和固化工藝，提高了理士蓄電池的充電接受能力、過放電后容量恢復(fù)能力和深循環(huán)壽命。
(4)裝配壓力：提高了理士蓄電池的裝配壓力，以提高理士蓄電池的循環(huán)使用壽命。采用了高強(qiáng)度緊裝配技術(shù)，確保理士蓄電池緊裝配壓力得以實(shí)現(xiàn)。
(5)電解液：降低了硫酸電解液的比重，并添加了特殊的電液添加劑，可以降低對(duì)極板的腐蝕，減少電液分層的產(chǎn)生，提高了理士電池的充電接受能力，和過放電性能。
(6)雜質(zhì)的控制：對(duì)各種材料的雜質(zhì)(如Sb、Fe、Ni等)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，特別是合金中雜質(zhì)的控制，降低了理士電池的自放電，杜絕了負(fù)極總線腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
(7)正負(fù)活性物質(zhì)的配比：針對(duì)光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能理士蓄電池的充放電特點(diǎn)，調(diào)整了正負(fù)活性物質(zhì)的配比，提高理士蓄電池的循環(huán)壽命。
(8)安全閥：對(duì)安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原氣候的影響，特別調(diào)整了開閉閥壓力，采用專用安全閥。
(9)理士蓄電池結(jié)構(gòu)：降低了電池總高度。采用用矮型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，可以大大降低由于電液分層現(xiàn)象導(dǎo)致理士蓄電池的使用壽命和容量受到不利影響。但由于膠體電池不易出現(xiàn)電解液分層現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)此限制。
(10)理士蓄電池各單體電池的一致性：這里提到的一致性不僅是指理士蓄電池的開路電壓，初期容量，還包括電池的內(nèi)阻，自放電，以及充電效率等，這就要求足夠的制造精度，即從鉛粉、鑄片、和膏、涂片、固化、化成、干燥裝配、加酸、充電到最后的四項(xiàng)功能檢測(cè)都必須控制在較小的公差范圍內(nèi)，所以采用機(jī)鑄、機(jī)涂、組立機(jī)裝配以及精確注酸是確保電池一致性的可靠保證，盡量減少人為因子。
總結(jié)
由于光伏發(fā)電系統(tǒng)用轉(zhuǎn)化效率低，成本高，以及沒有相應(yīng)配套的鼓勵(lì)發(fā)展的法律法規(guī)，使得光伏系統(tǒng)發(fā)展較慢。但發(fā)展新型能源是大勢(shì)所趨，必將高速發(fā)展。而儲(chǔ)能理士蓄電池目前主要包括鎘鎳蓄電池和鉛酸蓄電池，其中鎘鎳電池正逐步被淘汰。鉛酸蓄電池包括富液式和貧液式，必將在近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)都得到的應(yīng)用。
理士蓄電池在生活中的地位越來(lái)越重要，尤其是在電力系統(tǒng)中，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或者停電時(shí)，理士蓄電池將充當(dāng)電源為用電設(shè)備供電。理士蓄電池也廣泛的應(yīng)用到交通運(yùn)輸、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域，因此理士蓄電池儲(chǔ)能效率的高低直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。目前對(duì)理士蓄電池的檢測(cè)設(shè)備有很多，但是對(duì)理士蓄電池儲(chǔ)能效率的檢測(cè)設(shè)備卻很少，因此研制一套專門對(duì)理士蓄電池儲(chǔ)能效率的測(cè)試系統(tǒng)很有必要，通過該系統(tǒng)可以對(duì)影響儲(chǔ)能效率的各個(gè)因素進(jìn)行分析，進(jìn)而改進(jìn)理士蓄電池的充電電路，提高理士蓄電池儲(chǔ)能效率。本文的主要工作和總結(jié)如下：
（1）對(duì)理士蓄電池的原理、性能、應(yīng)用和檢測(cè)技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)的分析。文中介紹了理士蓄電池各方面的特性，并給出了理士蓄電池在使用過程中的誤區(qū)以及對(duì)理士蓄電池壽命造成影響的主要因素。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外理士蓄電池檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)目前的測(cè)試系統(tǒng)只能夠?qū)﹄妷�、電流、剩余電量、�?nèi)阻等進(jìn)行檢測(cè)，沒有專門針對(duì)理士蓄電池儲(chǔ)能效率進(jìn)行測(cè)試的系統(tǒng)。
（2）設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的理士蓄電池儲(chǔ)能效率測(cè)試系統(tǒng)。主要從硬件電路和軟件設(shè)計(jì)兩方面對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行介紹，硬件電路包括控制電路、檢測(cè)電路、充放電電路和顯示電路，軟件部分包括主程序、顯示程序、充放電控制程序和電表通訊程序。在此基礎(chǔ)上，利用所設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)理士蓄電池進(jìn)行測(cè)試，得出理士蓄電池的儲(chǔ)能效率。
（3）通過實(shí)驗(yàn)分析理士蓄電池儲(chǔ)能效率的影響因素。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明充電狀態(tài)、充放電電流、充電電壓以及環(huán)境溫度都會(huì)對(duì)儲(chǔ)能效率造成影響。隨著充電狀態(tài)不斷增大蓄電池的儲(chǔ)能效率會(huì)降低；充放電電流和充電電壓對(duì)儲(chǔ)能效率的影響相似，在一定的范圍內(nèi)，儲(chǔ)能效率會(huì)隨著充放電電流或者充電電壓的增加而增加，當(dāng)超過這一范圍時(shí)儲(chǔ)能效率會(huì)不斷減小；當(dāng)環(huán)境溫度在10~30℃之間時(shí)，有利于理士蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，能夠提高理士蓄電池的儲(chǔ)能效率。文章還結(jié)合儲(chǔ)能電站的實(shí)際應(yīng)用，證明了提高理士蓄電池儲(chǔ)能效率能夠節(jié)約成本。
（4）對(duì)理士蓄電池充電過程中電壓與電流的變化進(jìn)行了改進(jìn)。通過對(duì)現(xiàn)有充電方式的比較發(fā)現(xiàn)四段式充電能實(shí)現(xiàn)高效、快速的充電，將四段式充電器應(yīng)用到儲(chǔ)能效率測(cè)試系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)四段式充電器電流測(cè)試蓄電池儲(chǔ)能效率，并記錄在效率最高時(shí)充電電壓和電流的變化曲線，通過記錄的數(shù)據(jù)擬合電壓、電流與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，為充電器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
