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1、苏州大学本科生毕业设计（论文）铅蓄电池的修复摘要本文总结了多年来蓄电池的发展和前景，详细地分析了铅蓄电池的失效模式及其影响其使用寿命的各种因素，最后介绍了许多不同的修复方法。相比之下，其中用谐振复合脉冲修复是最有利的，合理的控制修复脉冲的前沿，利用充电脉冲中的高次谐波与大的硫酸铅结晶谐振的方法，在修复过程中消除电池硫化，是一种区别与其它修复方式的“无损失”修复技术，对电池损伤小，极大的延长电池使用寿命，前景广阔。 关键词：谐振复合脉冲 ,铅蓄电池,高次谐波与硫酸铅谐振AbstractThis article summarized the development and future of st
2、orage battery，specifically analyzed the failure modes of lead storage battery and all kinds of effects on its useful life. At last, I introduced many different restorative procedures. By contrast, the best useful method is the resonant composite pulse procedure. Control restorative pulse edge reason
3、ably , use make high-order harmonic resonant to lead sulfate crystallization . To eliminate the battery sulfide in the restorative process is a no loss restorative technology different from other restorative methods. It has less damage to the battery, which greatly extends battery life and it has br
4、oad prospects. Keywords: resonant composite pulse, storage battery, high-order harmonic resonant to lead sulfate crystallization Written by: G u ChenSupervised by: Wu Di第一章 前言铅蓄电池由于开路电压高，放电电压平稳，原材料丰富易得，价格便宜，获得了广泛的应用。随着科学技术的迅猛发展，铅蓄电池的品种不断增多，性能不断改进，其应用领域更加扩大，铅酸蓄电池是汽车、船舶上使用的主要直流电源, 近年来在电动自行车等城市个人交通工具中得
5、到广泛应用。它的使用寿命一般只有23 年, 每年有大量的铅酸蓄电池因坏死而被丢弃, 造成资源浪费和环境污染。实际上, 70 %以上坏死的蓄电池是由于硫酸盐化( 即硫化) 导致无法使用, 如果利用科学的蓄电池修复技术减少或去除硫化, 就能延长电池使用寿命。此项修复技术可使蓄电池性能更加稳定, 满足汽车电控系统、电动自行车对电源电压及电容量的要求, 能够带来可观的经济效益和社会效益。电动车用铅蓄电池一般使用一年左右就要更换的，对电动车用户来说是一个比较重的负担。正常使用的铅蓄电池充放电循环可达300 次以上， 而实际使用过程中往往发现蓄电池的寿命远远低于这个充放电循环次数。因此，充放电过程对蓄电池
6、寿命起着至关重要的影响。铅酸蓄电池以其容量大为优势，是其他电池目前还无法取代的。另外，其大电流放电的特性，也决定了在启动电池方面的优势。但铅作为重金属还存在着一定的毒性，对环境和人体都有不同程度的危害。所以延长铅蓄电池的寿命，不仅可以降低使用成本，还是环保的需要，也是拓展铅酸蓄电池应用领域的一个重要问题。铝酸蓄电池作为一种储能设备具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点, 在各个领域得到广泛的应用。而动力铅酸蓄电池电压高、容量大、价格高, 也大量用于各种装备上。无论是舰艇、飞机,还是坦克、车辆及通讯器材, 其起动和应急情况下的运行都必须有性能良好的蓄电池作保证。这对蓄电池的设计、制造、维护提出很
7、高的要求。铅酸蓄电池存在寿命短、能量转换效率低、比能量小等问题。特别是使用过程中产生的硫化现象, 使质地良好的蓄电池使用2 年后即整体报废, 这不仅耗用了大量的资源, 还给生态环境造成了污染。因此, 如何有效维护蓄电池以延长其使用寿命, 减少铅酸蓄电池的使用消耗, 一直是蓄电池车辆使用过程中需要解决的难题。 第1.1节 背景 铅酸蓄电池已有100多年的历史，作为稳定电源和主要的直流电源，需求广泛，用量巨大，与我们的社会生活息息相关。铅蓄电池的设计使用寿命一般为10年，但是在实际使用过程中，因使用和维护不善易产生“硫酸盐化”现象，导致电池过早失效报废，平均实际使用寿命只有1-2年，远未达到设计寿
8、命。中国是全球铅酸蓄电池的产销大国，仅2003年，国内报废的铅酸电池达1亿多只，其中80%以上是因为硫酸盐化而报废。造成严重的资源浪费与环境污染。废旧电池的回收和再利用，已成为政府及全社会的关注热点。 第1.2节 铅蓄电池修复技术的前景和发展意义铅酸蓄电池保护检测修复系统，采用综合检修手段，先精确判断各组蓄电池的容量与老化程度，再进行针对性的均衡充电，利用最新国际领先专利技术谐振式复合脉冲修复技术，扫描频率和脉冲电压的变化，寻找硫酸铅结晶的共振频率，对极板发出脉冲波产生共振，使之转化为最不稳定的硫酸铅分子，然后通过充电使之从电池极板上逐渐分解、脱离，转化为游离子状态而进入电解液，将其恢复到电池
9、初始状态，修复率可达90%。具有修复率高、使用范围广、修复效果好、成本低、使用方便等特点，同时该系统还具有容量检测、内阻检测、均衡充电、无损修复等功能。一方面为使用者节约了巨额成本，另一方面大大降低了电池污染的危害，带来可观的经济效益和环保效益。在美国和日本以及一些西方较发达国家，铅酸蓄电池的日常保养维护及修复行业年创效益达千亿美元之巨。随着我国城乡机动车辆、电动车辆的大量增加，蓄电池的年需求量达到1.8亿只以上，由此可见废旧蓄电池修复中蕴藏的巨大商机第1.3节 课题结构安排和工作思想首先第一章阐述了蓄电池的背景及其发展前景，第二章简述了蓄电池的结构和使用过程中的工作原理，分析了蓄电池长时间运
10、用后失效原因，以及针对这种失效模式采用的修复技术，简述了其修复技术的原理，第三章介绍了几种铅蓄电池的修复仪，详细的分析各种修复仪的使用原理，并综合比较几种修复仪的好坏及弊利，第四章总结了整篇文章的构思，最后是自己的想法和对指导老师的致意。 第二章 蓄电池工作原理第2.1节 蓄电池的结构一般的蓄电池铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是依靠正极板活性物质(二氧化铅和铅)和负极板活性物质(海绵状纯铅)在电解液(稀硫酸溶液)的作用下进行，其中极板的栅架，传统蓄电池用铅锑合金制造，我们为了更进一步的提高电池的放电能力，针对6-dzm-10型电池进行了板栅的改革，
11、如示意图1所示，在板栅的整体结构上，除了保持原有的纵向筋条外，还增加了一些纵向筋条，而将原有的横向筋条减少了一半，板栅的外形尺寸不变，这一结构的变化经过多次容量实验检查，放电容量有了约8%以上的提高，同时发现在负极板中配合使用低温性能良好的铅膏配方，使电池的低温性能有了很大的飞越。另一方面，由于电动助力车用电池组的极板都是紧装配的，极群处于封闭挤压状态，所以减薄极板而增加极板的片数也是提高放电能力的一个有效的途经，这在今后的工艺改革中是我们首选的重点。 图1 板栅示意图第2.2节 蓄电池充放电工作原理铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、电解液和容器组成。极板是在板栅上涂上以氧化铅为主的粉膏,再
12、焊接成组。充电时,在正极板上的氧化铅就变成了棕褐色的二氧化(PbO2) ,在负极板上的氧化铅变成灰色的绒状铅(Pb) 。铅酸蓄电池放电时,正极板上的活性物质都吸收硫酸起了化学反应,逐渐变成了同样的硫酸铅(PbSO4) ,当两种极板上大部分活性物质都成了同样的硫酸铅后,蓄电池的电压就下降到不能再放电了。随即对其充电使之恢复成原来的二氧化铅和绒状铅,蓄电池就又可以继续使用。总的化学反应过程是可逆的,其方程式如下:PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4铅酸蓄电池在充放电过程中,生成和消失的物质愈多,其通过的电量也就越多,蓄电池的蓄电能力(容量) 也愈大,即铅酸
13、蓄电池的容量取决于参加化学反应的活性物质二氧化铅、绒状铅和硫酸溶液的数量。1. 充电时端电压的变化铅酸蓄电池的端电压,是随着充电和放电过程的变化而变化的。当以稳定的电流对蓄电池进行充电时,电池电压的变化如图2-1 所示。图2-1 用正常率充电时的小时数在充电初期,电池的端电压上升很快(OA 段) ,这是由于极板的活性物质还原为二氧化铅和绒状铅时,在活性物质微孔内形成的硫酸骤增,来不及向极板外扩散,因此,电池电势增高。充电中期,由于活性物质微孔中的硫酸比重的增加速度和向外扩散的速度趋于平衡,故电势增高减慢(AB 段) 。充电后期,极板表面上的硫酸铅已大部分还原为二氧化铅及绒状铅(此时蓄电池的端电
14、压约为2. 3V) 。继续充电,则使水大量分解,产生很多气泡,在负极板旁释出很多氢气，部分气泡吸附在极板表面来不及释出,增加了电池内阻。同时正极板逐渐被氧气包围,形成过氧化电极,提高了正极电位。电池端电压又继续上升至2. 52. 6V(BC 段) 。如再继续充电,由于极板上的活性物质已全部还原为充电时的状态,水的分解也渐趋饱和,电解液只见沸腾,而电压却稳定在2. 7V 左右不再增加(D 点) 。继续充电只是无谓地消耗电能进行水的分解。这时如停止充电,蓄电池的端电压立即骤降至2. 3V (因内阻电压降为0) 。随着活性物质微孔中硫酸的逐渐扩散,使活性物质微孔中电解液比重逐渐降低,一直到极板内外浓
15、度相等,最后端电压将慢慢降至2. 06V 左右的稳定状态。2. 放电时端电压的变化充电后的电池,如以稳定不变的电流进行放电,端电压的变化如图2-2所示：图2-2 用正常率放电时的小时数放电开始时,极板微孔内形成的水分骤增,使微孔内的电解液比重骤减, 使端电压下降很快(OA段) 。至放电中期,极板微孔中的水分生成与极板外比重较高的电解液的渗入取得了动态平衡,而使微孔的电解液比重下降速度大为缓慢,故端电压的降低也缓慢(AB 段) 。放电末期极板上的活性物质大部分已变为硫酸铅,其体积较大,在极板表面和微孔中形成的硫酸铅使极板外电解液渗入困难。因此,在微孔中已稀释的电解液很难和容器中的电解液互相混合,所以,端电压降落极快(BC 段) 。至C 点(电压为1. 8V 左右) 放电便告终了。如继续放电,此时极板外的电解液几乎停止渗入极板活性物质微孔内部,微孔中的电解液几乎都变为水。因此,电势急剧下降(CD 段) 。如在C 点停止放电,端电压将上升,并随着极板活性物质微孔中的电解液的扩散,电压将上升至2V 左右(CE 段) 。曲线中的C 点为电池电压急剧下降的临界电压,称为蓄电池的终了电压,此时应立即停止放电,以免影响
