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铅酸蓄电池均衡充电

均衡充电的目的是使铅酸电池的充电电压达到放气水平,以便所有未转化的硫酸铅分别在 NAM 和 PAM 中充电为铅和二氧化铅。

均衡充电:均衡电池

正确维护铅酸蓄电池有助于提高蓄电池的使用寿命。 均衡充电是此维护程序中最重要的方面之一。

均衡电荷定义

对于此类电池,均衡充电的目的是使 12V 电池的充电电压达到放气水平,以便所有未转化的硫酸铅分别在 NAM 和 PAM 中充电为铅和二氧化铅。 当有大量自由放气时,所有不带电的硫酸根离子进入电解液并提高酸密度。

Vinal 在他的经典著作中给出了电池电压与放气水平之间的关系。

充液式电池充电时的放气水平和电池电压

(来源:Vinal,GW,Storage Batteries,John Wiley & Sons,纽约,1954 年,第 262 页)

电池电压 (V) 放气水平 释放出的气体 H 2的组成 百分 放出的气体组成 O 2 百分
2.2 不放气 - -
2.3 轻微 52 47
2.4 普通的 60 38
2.5 丰富 67 33

同样,出厂时未正确初始充电的电池需要进一步均衡充电。 这可以通过在调试电池(例如逆变器电池)后几个月内电解液比重的增加来证明。 通常,发货前的比重值为 1.240。 一旦达到此值,一些制造商就会停止充电并假设电池已充满电。

实际上,如果他们继续进行初始充电,他们可能会看到比重大幅上升。 初始充电的这一方面表明极板中存在不带电的硫酸铅。 在进一步充电的过程中,这种数量的硫酸铅有助于增加电解液的比重。

均衡充电有何帮助?

均衡充电有助于实现电池的设计寿命,避免因充电不足而过早失效。接受定期均衡充电的电池比不接受均衡充电的电池寿命更长。在叉车电池、汽车电池和逆变器电池的情况下尤其如此。 我们已经看到,给叉车电池均衡充电可以确保叉车电池具有更好的性能。 通过充电均衡控制延长电池寿命是提高电池性能的既定方法。

在某些国家/地区,UPS 和固定电源电池在一年中甚至几分钟都不会出现断电现象。 在这种情况下,电池制造商建议消费者关闭主电源几分钟。 这将避免“浮动钝化”。

什么是电池均衡充电

上面讨论的所有方面也适用于 VR 电池。 唯一的区别是均衡充电的充电电压较低。 在均衡充电期间,电池充电至不超过 14.4 V(对于 12V 电池)。 放气率为:

阀门调节电池充电时的放气水平和电池浮动电压

均衡充电电压

电池电压 (V) 放气水平 重组效率(%) 放气率 * 相对放气率
2.25 至 2.3 可忽略的放气 ~ 99.87 ~ 0.0185 ~ 1
2.4 一些放气 ~ 99.74 ~ 0.037 ~ 2
2.5 加气 ~ 97.4 ~ 0.37 ~ 20

*cc/h/Ah/cell 来自:致谢: C&D Technologies :技术公告 41-6739,2012。)。 1 立方英尺 = 28317 cc (= (12*2.54) 3 = 28316.85)

均衡充电 - VRLA 蓄电池与富液式铅酸蓄电池有何不同?

两种版本的铅酸电池的基本化学性质相同。 放电反应类似,但充电反应的中间步骤不同。

充满液式铅酸电池在充电快结束时产生的气体(氢气和氧气)被排出。 由于在气态介质中的扩散系数较高,在 VR 电池正极板上产生的氧气很容易移动到负极板上并氧化铅。 这是 VR 细胞中的快速反应。 由于较低的扩散系数,这种气体在充满式电池中是不可能的。 如果 AGM 完全饱和,则在 VR 电池中也会出现类似于溢流电池的情况,并且仅当由于水电解和一些水的损失而开始出现缺乏电解质的情况时,氧气重组反应才会开始。

在阀控式电池中,充电过程中形成的硫酸铅会抑制析氢。 这种硫酸铅使负极板的电位达到更高的正值,从而大大减少了析氢。 负极栅极也使用特殊合金,具有更高的氢过电压。

均衡充电:构造方面的 VRLA 电池有以下区别:

  • VRLA 蓄电池的电解液量较少。 这是有意保留的,因为从 PAM 释放的氧气应该有一个通道通过吸收性玻璃垫 (AGM) 隔板中的不饱和孔与 NAM 接触。 为了补偿电解液体积的减少,VR 电池中使用了更高密度的酸。 这也将补偿降低的低速率容量。
  • VRLA 电池中的元件被高度压缩。 这方面在提高电池寿命方面起着最重要的作用。 板-分离器-容器壁压缩是设计的一个组成部分。 这确保了极板和隔板之间良好的电解液扩散。 由于正极活性物质膨胀和由此产生的容量损失的减少,寿命也增加了。

  • VRLA 电池在每个电池中都有一个单向重新密封阀,或者可能有一个用于几个电池(特别是小容量电池)的公共阀门。 这种多功能阀的工作方式如下:
    一世。 防止意外进入大气(氧气)。
    ii. 帮助压力辅助氧气从 PAM 传输到 NAM
    三、 防止因滥用充电或充电器故障而导致电池内部产生过度压力时发生爆炸。
  • VRLA 电池的正常运行取决于内部氧气循环,而这又取决于防漏结构:盖子密封和锅盖密封。 内部氧循环有助于减少析氢,从而减少水分流失。

内部氧气循环

在 VRLA 蓄电池充电过程中:
在正极板上放出 O2 气体并产生质子和电子。
2H2O → 4H + + O2 ↑ + 4e-………… 1

正极板上水电解放出的氧气、氢离子和电子通过AGM隔板中的空孔、充气孔和电解质通道(或凝胶电解质基体中的细裂纹)胶体 VR 电池)并到达负极板。 这种气体与 NAM 中的铅结合形成 PbO,还原的氧与氢离子结合形成水。 这种氧化物与硫酸根离子化学结合形成硫酸铅

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O + 热量………… 2
—————————————————–
但是,这是一个充电过程,因此产生的硫酸铅必须再次转化为铅;硫酸是通过电化学途径通过与质子(氢离子)和电子反应生成的,这些质子是在正极板上水在充电时分解产生的。

2PbSO 4 + 4H + + 4e → 2Pb + 2H 2 SO 4 ……… 3

当 NAM 在充电过程中转化为 PbSO 4时,负极板的电位变得更正(如在放电的情况下)。 这有助于阻碍析氢反应。 会产生非常少量的氢气,但单向阀通过将氢气排放到大气中来确保罐内的压力不会达到危险水平,从而保护电池免于膨胀和其他缺陷。

最后一个反应恢复细胞的化学平衡。 反应(方程 1)到(方程 3)的净总和为零,充电期间消耗的电能转化为热量而不是化学能 [Ref RF Nelson, Proc.第四届国际铅酸电池研讨会,1990 年 4 月 25-27 日,美国旧金山,ILZRO, Inc.,1990 年,第 31-60 页]。

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铅酸电池 - 放电反应解释
Recombination-reaction-in-a-VR-cell-1.jpg
VRLA 细胞中的重组反应

VRLA 电池最重要的优点是无需在维护过程中加水。 下一个优点是它在运行过程中产生的气体量可以忽略不计,因为在推荐的每节电池 2.25 至 2.3 V 的浮动电压下几乎 100% 复合。 此外,在将这些电池从一个地方移动到另一个地方时没有运输限制。

原电池和充电电池

电池被定义为一种电化学装置,可以通过氧化还原反应将化学能转化为电能,从而起到电化学电源的作用。 但是,它不是一种永恒的力量源泉。 只有在有足够的活性材料来维持产生能量的反应时,电池才会供电。 一旦电池的电压水平达到系统化学定义的某个较低水平,反应就必须逆转,即电池必须接受直流电。 这种向已放电的电池提供与放电相反方向的直流电以逆转放电反应的行为称为“充电”。

这将从放电产物中再生原始活性材料,并将电池电压增加到更高的值,这同样由系统的化学性质决定。 本声明适用于称为二次电池或蓄电池的电池。 它与原电池无关,例如用于手电筒和手表的原电池。 放电期间电池电压的降低是由于活性材料的耗尽和其他几个原因造成的。

一个独立的电池单元称为“电芯”。 电池是以多种不同方式连接的两个或多个电池的组合,以达到设计的电压和容量额定值或总千瓦时额定值。 最常见的是,单体电池用于汽车和小容量阀控铅酸电池 ( VRLA ) 和管状电池(高达 12V/200 Ah);超出此容量的单个电池用于通过将它们串联或串并联排列组合来获得所需的 kWh 额定值。

一个额定48V/1500Ah(或72kWh)的铅酸蓄电池可以有24个2V/1500Ah容量的电芯以简单的串联方式连接或48个2V/750Ah容量的电芯以串并联方式连接。 即 24 节电池串联以制成 48V/750Ah(或 36 kWh)电池。 另一个这样的 48V/750 电池将与第一个并联,使其成为 48V/1500 Ah (72 kWh) 电池。

另一个来自锂离子 (Li-ion)电动汽车 (EV) 电池的示例:
根据电池组的大小,电动汽车制造商特斯拉每个电池组使用大约 6,000-8,000 个电池,每个电池的容量为 3.6V/3.1 至 3.4 Ah,以构建 70 或 90 kWh 的电池组。

70 kWh Tesla EV 电池使用约6000 节18650 NCA 电池,电压为3.7 V/3.4 Ah,以复杂的串并联方式连接。 每次充电可行驶325公里。 (这里的数字 18650 指的是一种特定类型的锂离子电池,其长度(或高度)大约为 65 毫米,直径为 18 毫米。 术语“NCA”代表该电池中使用的阴极材料,例如,N = 镍、C = 钴和 A = 铝,即镍钴铝氧化物阴极材料)
90kWh 电池组有 16 个模块中的 7,616 个电池。 重量为540公斤。 每次充电可行驶426公里。

电池芯的组成:

电池最重要的组成部分是:
一个。 阳极(负极板)
湾 阴极(正极板)
C。 电解质(在铅酸电池中,电解质也是一种活性材料,但在大多数其他系统中并非如此)
以上三者称为活性成分
当然,还有一些非活动组件,例如
一个。 罐
湾 电流收集网格
C。 母线或连接器带
d. 分离器
e. 单元间连接器
F。 接线柱等

在铅酸电池中,电解质(稀硫酸)确实参与了产生能量的反应,从下面给出的电池反应可以看出。 硫酸被消耗以将二氧化铅转化为硫酸铅,因此随着放电反应的进行,电解液的密度降低。 相反,当电池充电时,电解质的密度随着充电反应的进行而升高。 原因是放电过程中被两种活性物质吸收的硫酸根离子在电解液中释放出来,因此电解液的密度增加。

放电和充电反应

原电池或电池组的反应特定于系统或化学:

以铅酸电池为例:

Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4放电 ↔ 充电 2PbSO 4 + 2H 2 O E° = 2.04 V

在镍镉电池中

Cd + 2NiOOH + 2H 2 O 放电 ↔ 充电 Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 E° = 1.32 V

在 Zn-Cl 2电池中:

Zn + Cl 2放电 ↔ 充电 ZnCl 2 E° = 2.12 V

在丹尼尔单元格中(这是一个初级单元格;这里注意没有可逆箭头)

Zn + Cu 2+放电 ↔ 充电 Zn 2+ + Cu(s) E° = 1.1 V

均衡充电电压:更多关于电池充电

如上所述,蓄电池不是常年电源。 一旦用完,就必须重新充电才能再次获得电力。 预计电池具有一定的使用寿命,称为预期寿命。 为获得设计寿命和可靠性,蓄电池应按照制造商提供的说明进行适当的充电和维护。 应使用适当的充电方法来尽可能延长电池寿命。

铅酸电池中的反应:

放电时:PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O

只有在电池中存在一定数量的导电材料时,才会进行放电;此后电压下降速度很快,很快就会达到终止电压。 所以存在所谓的截止电压或终止电压,超过该电压不应继续放电。 进一步放电会使再充电变得困难,并可能导致意想不到的灾难性后果。

电池在放电后应立即按照制造商推荐的速率或按照制造商提供的说明进行充电。

Recombination-reaction-in-a-VR-cell.jpg
VRLA 细胞中的重组反应

电池内部的放电和充电反应过程中会发生什么?

电解质:2H 2 SO 4 = 2H + + 2HSO 4‾

负极板:Pb° = Pb 2+ HSO 4 + 2e

Pb 2+ + HSO 4‾ = PbSO 4 ↓ + H +

⇑ ⇓

正极板:PbO 2 = Pb 4+ + 2O 2-

4+ + 2e = 铅2+

Pb 2+ + 3H + + HSO 4‾ +2O 2- =PbSO 4 ¯ ↓+ 2H 2 O

硫酸是一种强电解质,它被分解为氢离子和硫酸氢根离子(也称为硫酸氢根离子)。

开始放电时,负极板中的多孔铅会被氧化成铅离子 (Pb2+),并且由于它始终与电解液硫酸接触,因此会转化为硫酸铅 (PbSO4);后者作为白色物质沉积在负极板的孔隙、表面和裂缝上。 前者(铅变成铅离子)本质上是电化学反应,而后者(铅离子变成硫酸铅)是化学反应。

我们说铅在反应位点附近溶解为铅离子,并在与负极活性材料 (NAM) 上的电解质中的硫酸氢根离子结合后立即以硫酸铅的形式沉积。 这种类型的反应在电化学中称为溶解-沉积或溶解-沉淀机制。
类似地,正极活性材料 (PAM) 与来自 NAM 的电子结合并变成铅离子,铅离子与电解质中的硫酸氢根离子结合并按照相同的溶解-沉积机制在正极活性材料上沉积为硫酸铅。

充电期间:2PbSO4 + 2H2O 充电→ PbO2 + Pb + 2H2SO4

正负极板上放电过程中获得的反应产物在充电过程中转化回原始材料。 此处,反应与放电反应具有相反的名称。 正极板发生氧化,而相反极性的板发生还原。

均衡充电:Full Charge 何时完成

如果满足以下条件,则认为电池已完成正常充电:

范围 富液铅酸蓄电池 阀控式铅酸蓄电池 (VRLA)
充电电压和电流 这里假设恒流充电:充电结束时电池的电压对于特定电流应该是恒定的。 对于 12v 电池,该值可能是 16.2 到 16.5v 对于恒定的外加电压(例如 12v 电池为 13.8v 至 14.4v),电流应至少保持恒定两个小时
电解液比重 电解液的比重也应达到恒定值。 该值取决于制造商提供时充满电的电池。 无法测量电解液的比重。
放气性质 在两个板上均匀和大量的放气。 放出的气体体积与水中的体积之比为 1:2,即 2 体积氢气对 1 体积氧气。 在 VRLAB 推荐的充电电压水平下,观察到的放气可以忽略不计。 在 2.25 至 2.3 伏每节电池 (Vpc) 浮充电时,未观察到气体逸出。 在 2.3 Vpc 时,12V 100Ah VRLAB 可排放 8 至 11 ml/h/12V 电池。 但在 2.4 Vpc 时,它几乎是两倍,18 到 21 毫升/小时/12V 电池。 (i. pbq VRLA 电池,2010 年 1 月。ii. C&D Technologies:技术公告 41-6739,2012 年。)

均衡充电:什么是电池均衡充电

  • 新组装的铅酸蓄电池需要初始填充和初始充电。
  • 已放电的电池需要正常充电。
  • 连接到电器和设备的电池通常没有完全充电,因为它们没有达到>12V 电池为 16V。 例如,在汽车的(启动、照明和点火)SLI 应用中,对于12V 电池,电池可以达到的最大电压约为14.4 V。 同样,逆变器/UPS 电池的充电电压不会超过 13.8 至 14.4 V。在此类应用中,随着电池寿命的增加,正极板和负极板中未转化的硫酸铅的积累过程不断增加。

原因是上述电压值不足以将所有放电产物恢复为原始活性材料。 此类电池需要定期充电以使所有电池充满电并达到相同水平。 这也将有助于消除电解质分层的影响。 这种额外的设备充电称为基准充电或均衡充电。

关于均衡充电的结论:

均衡充电是维护程序的一部分。 可以进行均衡充电的最大电压取决于铅酸蓄电池的类型,无论是富液型还是 VRLA 型。 前一种类型的电池可以恒流充电至 12V 电池的 16.5V 电压,使电池中的所有电池达到同一水平。

但是,VRLA 电池只能通过恒压方法充电,并且此外加电压不应超过 12V 电池的推荐最大电压 14.4 V。 在没有恒压充电设施的情况下,阀控式铅酸蓄电池可以恒流充电,并不断监测电池的端电压(TV)。 每当电视接近或超过14.4 V电平时,应不断降低充电电流,以免电视超过14.4 V

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