均衡電荷顯微紋理
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鉛酸電池中的均衡充電

均衡電荷的目的是將鉛酸電池的充電電壓提高到氣體水準,以便所有未轉化的硫酸鉛分別在NAM和PAM中充電到鉛和二氧化鉛。

均衡充電:均衡電池

鉛酸蓄電池的適當維護有助於延長蓄電池的使用壽命。 均衡電荷是此維護程式中最重要的方面之一。

均衡電荷定義

對於這種類型的電池,均衡充電的目的是將12V電池的充電電壓提高到充氣水準,以便所有未轉化的硫酸鉛分別在NAM和PAM中充電為鉛和二氧化鉛。 當存在自由和大量氣體時,所有不帶電的硫酸根離子都會進入電解質並提高酸密度。

Vinal在他的經典著作中給出了電池電壓和氣體水平的關係。

充氣電池充電時的氣體水平和電池電壓

(學分:Vinal,G.W.,蓄電池,John Wiley & Sons,紐約,1954年,第262頁)

電池電壓 (V) 充氣水準 氣體組成演變為H 2 百分之 氣體組成演化 O2 百分之
2.2 無氣體 - -
2.3 輕微 52 47
2.4 正常 60 38
2.5 豐富 67 33

同樣,電池在出廠時未正確初始充電需要進一步 均衡充電。 這可以通過在調試電池(例如逆變器電池)後的幾個月內電解質的比重增加來證明。 通常,發貨前的比重值為1.240。 一旦達到此值,一些製造商就會停止充電,並假設電池已充滿電。

實際上,如果他們繼續進一步進行初始充電,他們可能會看到比重的大幅上升。 初始充電的這一方面表明板中存在未充電的硫酸鉛。 在進一步充電的過程中,這種量的硫酸鉛有助於增加電解質的比重。

均衡電荷有何説明?

均衡充電有助於實現電池的設計壽命,避免因充電不足而過早失效。接收定期均衡充電的電池將比不接收均衡充電的電池壽命更長。對於叉車電池、汽車電池和逆變器電池,尤其如此。 我們已經看到,為叉車電池提供均衡充電可確保叉車電池具有更好的性能。 通過電量均衡控制延長電池壽命是提高電池性能的既定方法。

在某些國家/地區,UPS 和固定電源電池在一年中甚至不會經歷幾分鐘的電力郊遊。 在這種情況下,電池製造商建議消費者關閉電源幾分鐘。 這將避免 「浮子鈍化」。

什麼是電池的均衡充電

上面討論的所有方面也適用於VR電池。 唯一的區別是均衡充電的充電電壓較低。 在均衡充電期間,電池的充電電壓不得超過14.4 V(對於12V電池)。 充氣速率為:

閥門調節電池充電時的氣體水準和電池浮子電壓

均衡充電電壓

電池電壓 (V) 充氣水準 重組效率(%) 充氣速率 * 相對充氣速率
2,25 到 2,3 可忽略不計的氣體 ~ 99.87 ~ 0.0185 ~ 1
2.4 一些氣體 ~ 99.74 ~ 0.037 ~ 2
2.5 毒氣 ~ 97.4 ~ 0.37 約20人

*cc/h/Ah/cell 來自: 學分: C&D Technologies: Technical Bulletin 41-6739, 2012. 1 立方英尺 = 28317 cc (= (12*2.54)3 = 28316.85)

均衡充電 - 閥控式密封鉛酸蓄電池與淹沒式鉛酸蓄電池有何不同?

兩種版本的鉛酸蓄電池的基本化學性質是相同的。 放電反應相似,但充電反應在其中間步驟上有所不同。

在充放電的鉛酸電池中,在充電結束時產生的氣體(氫氣和氧氣)被排出。 在VR電池的正極板上進化出的Te氧氣很容易移動到負極板上並氧化鉛,因為在氣態介質中的擴散係數較高。 這是VR細胞中的快速反應。 由於擴散係數較低,在被淹沒的電池中不可能發生這種氣體移動。 如果AGM完全飽和,並且只有當由於水電解和一些水的損失而導致饑餓的電解質狀況開始發展時,氧重組反應才會在VR細胞中發生類似於淹沒細胞的條件。

在閥門調節池中,氫的析出受到充電過程中硫酸鉛形成的抑制。 這種硫酸鉛將負極板的電位提高到更正的值,從而大大減少了氫的析氫。 特殊合金也用於負電網,這將具有更高的氫氣過壓。

均衡充電:結構方面的閥控式密封鉛酸蓄電池具有以下區別:

  • 閥控式密封鉛酸蓄電池中的電解質體積較小。 這是故意保持的,因為應該有一個通道,讓從PAM進化而來的氧氣通過吸收性玻璃墊(AGM)分離器中的不飽和孔隙與NAM接觸。 為了補償電解質體積的減小,VR電池中使用了更高密度的酸。 這也將補償降低的低速率容量。
  • 這些元件在閥控式密封鉛酸蓄電池中經過高度壓縮。 這一方面在提高電池的使用壽命方面起著最重要的作用。 板-分離器-容器壁壓縮是設計的一個組成部分。 這確保了板和分離器之間良好的電解質擴散。 由於正活性材料膨脹的減少和由此產生的容量損失,壽命也增加了。

  • 閥控式密封鉛酸蓄電池在每個電池中都有一個單向再密封閥,或者可能有幾個電池的通用閥門(特別是在小容量電池中)。 該多功能閥門的工作方式如下:
    我。 防止大氣空氣(氧氣)意外進入。
    第二。 有助於從 PAM 到 NAM 的壓力輔助氧氣輸送
    第三。 防止由於濫用充電或充電器故障而導致電池內部產生不適當的壓力時發生爆炸。
  • 閥控式密封鉛酸蓄電池的正常運行取決於內部氧氣迴圈,而內部氧氣迴圈又取決於防漏結構:蓋子蓋住密封,鍋蓋密封。 內部氧氣迴圈有助於減少氫的析出,從而減少水分流失。

內部氧氣迴圈

在閥控式密封鉛酸蓄電池充電期間:
在正極板上,O2氣體被演化併產生質子和電子。
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e – ……等式 1

由於正極板上的水電解通過AGM分離器中的空孔,充滿氣體的孔隙和電解質通道(或在凝膠VR電池的情況下,凝膠電解質基質中的細小裂縫)並到達負極板,氧氣,氫離子和電子的產生。 這種氣體與NAM中的鉛結合成為PbO,還原的氧與氫離子結合形成水。 這種氧化物與硫酸根離子 化學 結合形成硫酸鉛

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + Heat …等式 2
—————————————————–
但是,這是一個充電過程,因此再次產生的硫酸鉛必須轉化為鉛;硫酸是通過電化學途徑通過與質子(氫離子)和電子反應而產生的,這些質子和電子在帶電時在正極板上分解而產生。

2PbSO4 + 4H+ + 4e → 2Pb +2H 2SO4 …等式 3

當NAM在充電過程中轉換為PbSO4 時,負極板的電位變得更加正(如放電)。 這有助於阻礙析氫反應。 產生非常少量的氫氣,但單向閥通過將氫氣排放到大氣中來確保罐內的壓力不會達到危險水準,從而保護電池免受膨脹和其他缺陷的影響。

最後一次反應恢復細胞的化學平衡。 反應(Eq 1)到(Eq 3)的淨和為零,充電期間消耗的電能被轉換為熱而不是化學能[參考文獻R.F. Nelson,Proc.第4屆Int Lead Acid電池研討會,1990年4月25-27日,美國三藩市,ILZRO,Inc.,1990年,第31-60頁]。

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鉛酸電池-放電反應解釋
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閥控式密封鉛酸酶細胞中的重組反應

VRLA電池最重要的優點是不需要添加水作為維護程式。 下一個優點是,由於在每節電池2.25至2.3 V的推薦浮動電壓下,其氣體量可以忽略不計,因此其氣體量可以忽略不計。 此外,將這些電池從一個地方移動到另一個地方沒有運輸限制。

原電池和可充電電池

電池被定義為一種電化學裝置,它可以通過氧化還原反應將化學能轉化為電能,從而充當電化學電源。 但是,它不是常年的力量來源。 電池將僅提供電力,直到有足夠的活性物質來維持產生能量的反應。 一旦電池的電壓電平達到系統化學性質定義的某個較低水準,反應必須逆轉,即電池必須接收直流電。 這種在放電的相反方向上向放電電池提供直流電以反轉放電反應的行為稱為「充電」。

這將使放電產物中的原始活性材料再生,並且還將電池電壓提高到更高的值,這同樣由系統的化學性質定義。 本聲明適用於稱為二次或蓄電池的電池。 它與原代細胞(例如電筒筒和手錶中使用的原代細胞)無關。 放電期間電池電壓的降低是由於活性物質的耗盡和其他幾個原因造成的。

獨立的電池單元稱為「電池」。 電池是兩個或多個電池的組合,以多種不同的方式連接,以獲得設計的電壓和容量額定值或總千瓦時額定值。 最常見的是,單體電池用於汽車和小容量氣門調節鉛酸電池(VRLA)管狀電池 (高達12V / 200 Ah);超過此容量的單節電池用於通過將它們組合成串聯或串並聯排列來獲得所需的千瓦時額定值。

額定值為 48V/1500 Ah(或 72 kWh)的鉛酸電池可以有 24 個編號的 2V/1500 Ah 容量電池以簡單的串聯方式連接,或者 48 個 2V/750 Ah 容量電池以串並聯方式連接。 這是24節串聯連接的電池,以製造48V / 750Ah(或36 kWh)電池。 另一個這樣的48V / 750電池將與第一個電池並聯,使其成為48V / 1500 Ah(72 kWh)電池。

鋰離子(Li-ion)電動汽車(EV)電池的另一個例子:
根據電池組的大小,電動汽車製造商特斯拉每組使用約6,000-8,000節電池,每節電池的容量為3.6V / 3.1至3.4 Ah,以構建70或90 kWh的電池組。

70 kWh特斯拉EV電池使用約6000節18650 NCA型電池,3.7 V / 3.4 Ah,以複雜的串並聯方式連接。 每次充電的續航里程為325公里。 (此處的圖18650是指具有長度(或高度)65 mm和直徑為18 mm的近似尺寸的特定類型的鋰離子電池。 術語”NCA”代表該電池中使用的正極材料,例如,N = 鎳,C =鈷和A = 鋁,即鎳 – 鈷 – 氧化鋁正極材料)
90kWh電池組在16個模組中具有7,616個電池。 重量為540公斤。 每次充電的續航里程為426公里。

電池元件:

電池最重要的元件是:
一個。 陽極(負板)
b. 陰極(正極板)
c. 電解質(在鉛酸電池中,電解質也是一種活性物質,但在大多數其他系統中並非如此)
以上三個稱為活動元件
當然,也有不活躍的元件,如
一個。 罐
b. 當前收集網格
c. 母線或連接器帶
d. 分隔符
e. 單元間連接器
f. 終端柱等

在鉛酸電池中,電解質(稀硫酸)確實參與了產生能量的反應,從下面給出的電池反應中可以看出。 消耗硫酸以將二氧化鉛轉化為硫酸鉛,因此電解質的密度隨著放電反應的進行而降低。 相反,當電池帶電時,電解質的密度隨著電荷反應的進行而增加。 原因是兩種活性物質在放電過程中吸收的硫酸根離子在電解質中釋放,因此電解質的密度增加。

放電和充電反應

原電池或電池組的反應特定於系統或化學成分:

例如,鉛酸電池:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 放電↔充電 2PbSO4 + 2H2O E° = 2.04 V

在鎳鎘電池中

Cd + 2NiOOH + 2H2O 放電↔充電 Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1.32 V

在Zn-Cl2 細胞中:

Zn + Cl2 放電↔充電 ZnCl2 E° = 2.12 V

在丹尼爾儲存格中(這是一個原代儲存格;這裡注意沒有可逆箭頭)

鋅 + 銅2+ 放電↔充電 Zn2+ + 銅 E° = 1.1 V

均衡充電電壓:更多關於電池充電

如上所述,蓄電池不是常年動力源。 一旦耗盡,必須充電才能再次從中獲取動力。 電池有望提供一定的壽命,稱為預期壽命。 為了獲得設計的使用壽命和可靠性,應按照製造商提供的說明對蓄電池進行適當的充電和維護。 應使用正確的充電方法,以獲得電池的最大可能壽命。

鉛酸電池中的反應:

放電時: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

放電將僅進行,直到電池中存在一定量的導電材料;此後,電壓下降的速度將如此之快,以至於很快就會達到終端電壓。 因此,存在所謂的截止電壓或結束電壓,超過該電壓不應繼續放電。 進一步放電將使補給變得困難,並可能導致意想不到的災難性後果。

電池在放電后立即按照製造商建議的速率或按照製造商提供的說明充電。

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閥控式密封鉛酸酶細胞中的重組反應

在電池內的放電和電荷反應期間會發生什麼?

電解液: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4 ̅

負極板: 鉛° = 鉛2+ HSO4 + 2e

Pb2+ + HSO4 ̅ = PbSO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

正極板: PbO2 = Pb4+ + 2O2-

4+ + 2e = 鉛2+

2++ 3H+ + HSO4 ̅ +2O2- =PbSO4 ̄ ↓+ 2H2O

硫酸是一種強電解質,它被解離為氫離子和硫酸氫鹽離子(也稱為硫酸氫根離子)。

在開始放電時,負極板中的多孔鉛被氧化為鉛離子(Pb2 +),並且由於它始終與電解質硫酸接觸,因此它被轉化為硫酸鉛(PbSO4);後者作為白色材料沉積在負極板的孔隙,表面和裂縫上。 前一種反應(鉛變成鉛離子)本質上是電化學的,而後者(鉛離子變成硫酸鉛)是化學反應。

我們說鉛在反應位點附近溶解為鉛離子,並且在與來自負活性物質(NAM)的電解質的硫酸氫鹽離子結合后立即沉積為硫酸鉛。 這種類型的反應在 電化學中稱為溶解 -沉積或溶解-沉澱機理。
類似地,正極活性物質(PAM)與來自NAM的電子結合並成為鉛離子,鉛離子與來自電解質的硫酸氫鹽離子結合,並作為硫酸鉛沉積在正極活性物質上,遵循相同的溶解 – 沉積機制。

充電期間:2PbSO4 + 2H2O 充電→ PbO2 + Pb + 2H2SO4

在正極和負極板上放電期間獲得的反應產物在充電過程中被轉換回原始材料。 在這裡,反應與放電的反應具有相反的名稱。 正極板經歷氧化,而相反極性板經歷還原。

均衡充電:完全充電何時完成

如果滿足以下條件,則假定電池已完成正常充電:

參數 淹沒式鉛酸蓄電池 閥控式鉛酸蓄電池
充電電壓和電流 這裡假設恆定電流充電:電池在充電結束時的電壓對於特定電流應該是恆定的。 對於12v電池,該值可能為16.2至16.5v 對於恆定的外加電壓(例如12v電池的13.8v至14.4v),電流應恆定至少兩個小時
電解質的比重 電解質的比重也應達到恆定值。 此值將取決於製造商提供的充滿電的電池。 電解質的比重無法測量。
氣體的性質 兩塊板上均有均勻而豐富的氣體。 演化的氣體體積將是1:2,就像在水中一樣,即2體積的氫氣對1體積的氧氣。 在推薦用於閥控式密封鉛的充電電壓水準下,觀察到的氣體可以忽略不計。 在每節電池2.25至2.3伏(Vpc)浮充時,未觀察到氣體逸出。 在 2.3 Vpc 時,12V 100Ah VRLAB 可能會發射 8 到 11 ml/h/12V 電池。 但在2.4 Vpc時,它幾乎是雙倍的,18到21 ml / h / 12V電池。 (i. pbq 閥控式密封鉛酸蓄電池,2010 年 1 月。C&D Technologies: Technical Bulletin 41-6739, 2012.

均衡充電:什麼是電池的均衡充電

  • 新組裝的鉛酸電池需要初始填充和 初始充電。
  • 放電的電池需要 正常充電。
  • 連接到電器和設備的電池通常沒有完全充電,從某種意義上說,對於 > 12V電池,它們不會達到16 V的完全充電電壓。 例如,在汽車的(啟動,照明和點火)SLI應用中,對於12V電池,電池可以達到的最大電壓約為14.4 V。 同樣,逆變器/UPS電池的充電電壓不超過13.8至14.4 V。在此類應用中,隨著電池壽命的增加,未轉化的硫酸鉛在正極和負極板中的積累過程會不斷增加。

原因是上述電壓值不足以將所有放電的產品恢復到原始活性材料。 這種電池需要定期充電,以使所有電池充滿電並達到相同的水準。 這也將有助於消除電解質分層的影響。 這種額外的設備充電稱為台式充電或均衡充電。

關於均衡電荷的結論:

均衡電荷是維護過程的一部分。 可以進行 均衡充電 的最大電壓取決於鉛酸電池的類型,無論是淹沒式還是VRLA型。 對於12V電池,前一種類型的電池可以在恆定電流下充電至16.5 V的電壓,以使電池中的所有電池達到相同的水準。

但是,閥控式密封鉛酸蓄電池只能通過恆壓法充電,並且該外加電壓不應超過12V電池的建議最大電壓14.4 V。 在沒有恆壓充電設施的情況下,閥控式密封鉛酸蓄電池可以在恆流下充電,並持續監控電池的終端電壓(TV)。 每當電視接近或超過14.4 V電平時,應不斷降低充電電流,使電視不允許超過14.4 V

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