铅酸蓄电池修复新技术的研究.docx
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铅酸蓄电池修复新技术的研究
毕业设计
2004届电气与电子工程分院
专业自动化
学号
学生姓名
指导教师
完成日期2020年5月25日
毕业设计成绩单
学生姓名
学号
班级
电0402-2
专业
自动化
毕业设计题目
铅酸蓄电池修复新技术的研究
指导教师姓名
指导教师职称
教授
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩：
院长签字：
年月日
毕业设计任务书
题 目
铅酸蓄电池修复新技术的研究
学生姓名
学号
班级
电0402-2
专业
自动化
承担指导任务单位
电气与电子工程分院
导师
姓名
导师
职称
教授
一、主要内容
1、总结铅酸蓄电池的故障总类
2、针对铅酸蓄电池的不同故障，研究不同的修复方法
二、基本要求
1、研究各种修复方法
2、提出修复方案并设计相应的实现电路
3、设计实现修复的软件算法
三、主要技术指标
1、修复效果
2、容量增加的百分比
四、应收集的资料及参考文献
1、数电、模拟电子方面的书籍
2、蓄电池原理及其应用的书籍
3、电子电路设计
4、所用的各种数字芯片、电源芯片等资料
五、进度计划
时段工作内容
第1周-第4周调研、搜集资料、初步设计
第5周-第10周绘制原理图，制作板图
第11周-第13编写软件，系统调试
第14周整理论文，准备答辩。
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计开题报告
题 目
铅酸蓄电池修复新技术的研究
专业
自动化
班级
电0402-2
学生姓名
一、研究背景
铅酸蓄电池应用领域相当广泛，在汽车启动、通信、铁路、牵引等诸多领域都有应用，铅酸蓄电池已有140多年的历史。
由于中国汽车产业的迅速崛起，汽车电池消费高速增长，近5年年均递增达17%；呈高速增长的还有电动自行车和摩托车电池，年均递增达50%。
随着全球经济复苏，电信及IT网络等基础建设将加快，各种备用电源、贮能电源（风力、太阳能发电）以及特殊用途的牵引电源等，其需求将进一步增长；中国还面临着电信、IT网络电源的大面积更新以及铅蓄电池出口市场的高速增长，其他工业发展将拉动铅蓄电池工业同步发展。
但是铅酸蓄电池的过早报废不仅严重浪费能源，而且严重污染环境，已成为各级政府及各企业事业单位的关注热点，因此对于废旧铅酸蓄电池修复技术的研究是很有必要的。
二、研究现状
目前对于铅酸蓄电池的修复方法大多是针对电池失水和电池极板硫酸盐化进行的修复，而对于铅酸电池物理性损伤如极板的腐蚀；极板活性物质脱落、软化；电池内部短路，断路，热失效没有办法进行修复（只能更换极板或者购买个新的的电池）。
对于铅酸蓄电池失水采用的方法就是补充蒸馏水（因为失水也会进一步导致极板硫酸盐化）除次之外多采用的是脉冲修复；过电流充电修复。
近年来又出现了一些新的修复方法：
大电流充电；采用大电流充电，使大的硫酸铅结晶产生负阻击穿来溶解；负脉冲；添加活性剂；高频脉冲；串联式修复；复合式谐振脉冲修复。
三、主要工作
通过调查和搜集资料，完成对铅酸蓄电池的初步认识，了解铅酸蓄电池的工作原理和铅酸蓄电池出现故障的原因，从所借阅的资料以及互联网上检索出现在所有的修复方法，对于检索出的方法就行归类整理。
从中提出一种修复方法，设计出
四.预期达到的结果
从众多的修复方法中挑选了一种修复方法：
脉冲修复。
设计了相应的硬件电路。
画出了功能框图。
并且试着去观察修复效果。
指导教师签字
时间
年 月日
摘要
铅酸蓄电池应用领域相当普遍，在汽车启动、通信、铁路、牵引等诸多领域都有应用，铅酸蓄电池已有140连年的历史。
本文分析了造成铅酸蓄电池寿命减小的因素，铅酸蓄电池失效的方式。
给出了铅酸蓄电池的性能指标，为修复以后查看修复成效提供了依据。
检索了针关于不同故障引去的铅酸蓄电池的损坏关于修复铅酸蓄电池的很多方式。
从众多的方式中提出了脉冲修复这种方式。
设计了相应的电路图，而且画出了它的功能框图。
说明了那个电路的工作原理。
关键词：
电池失效电池性能指标故障分析脉冲修复
Abstract
Thelead-acidbatteryapplicationdomainisquitewidespread,starts,thecorrespondence,therailroad,thehaulingintheautomobileandsoonmanydomainsallhastheapplication,thelead-acidbatteryhadmorethan140yearshistory.
Thisarticleanalyzedhascreatedthefactorwhichthelead-acidbatterylifereduced,thewaywhichthelead-acidbatteryexpired.Hasgiventhelead-acidbatteryperformanceindex,afterrepairexaminedtherepaireffecthasprovidedthebasis.Hasretrievedinviewofthelead-acidbatterydamagewhichdirectsinthedifferentbreakdownregardingrepairlead-acidbatteryverymanymethods.Proposedfromthemultitudinousmethodsthepulserepairsthismethod.Hasdesignedthecorrespondingcircuitdiagram,andhasdrawnitsfunctiondiagram.Explainedthiselectriccircuitprincipleofwork.
Keywords：
ThebatteryexpiresBatteryperformanceindexFaultanalysisPulserepair
第1章绪论
引言
蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。
铅酸蓄电池是1859年Gplante发明的。
自铅酸蓄电池被发明以来，因其价钱低廉、原料易患性能靠得住容易回收和适于大电流放电等特点，目前已成为世界上产量最大、用途最普遍得蓄电池品种。
铅酸蓄电池通过一百连年得进展，技术不断更新，现已被普遍应用于汽车、通信、电力、铁路、电动车等各个领域。
国内外研究现状
造成铅酸蓄电池失效缘故研究现状
要了解铅酸蓄电池得修复，第一要明白铅酸蓄电池得失效模式。
由于极板得种类、制造条件、利用方式有不同，最终致使蓄电池失效得缘故各异。
归纳起来，铅酸蓄电池得失效有以下几种情形：
（1）正极板得侵蚀变型。
目前生产上利用得合金有3类：
传统得铅锑合金，锑的含量在4％～7％质量分数；低锑或超低锑合金，锑的含量在2％质量分数或低于1％质量分数，含有锡、铜、镉、硫等变型晶剂；铅钙系列，实际为铅－钙－锡－铝四元合金，钙的含量在％～％质量分数。
上述合金铸成的正极板栅，在蓄电池充电进程中都会被二氧化铅侵蚀层的形成，使铅合金产生应力，使板栅长大变形，这种变形超过4％时将使极板整体受到破坏，活性物质与板栅接触不良而脱落，或在汇流排出短路。
（2）正极板活性物质脱落、软化。
除板栅长大引发活性物质脱落之外，随着充放电反复进行，二氧化铅颗粒之间的结合也松弛，软化，从板栅上脱落下来。
板栅的制造、装配的松紧和充放电条件等一系列因素，都对正极板活性物质的软化、脱落有阻碍。
（3）不可逆硫酸盐化。
蓄电池过放电而且长期在放电状态下贮存时，其负极将形成一种粗大的、难以同意充电的硫酸铅结晶，此现象称为不可逆硫酸盐化。
轻微的不可逆硫酸盐化，尚可用一些方式使它恢复，严峻时，那么电极失效，充不进电。
（4）容量过早的损失。
当低锑或铅钙为板栅合金时，在蓄电池利用初期（大约20个循环）显现容量突然下降的现象，使电池失效。
（5）锑在活性物质上的严峻积存。
正极板板栅上的锑随着循环，部份地转移到负极板活性物质的表面上，由于H+在锑上还原比在铅上还原的超电势约低200mV，于是在锑积存时充电电压降低，大部份电流均用于水分解，电池不能正常充电因此失效。
对充电电压只有而失效的铅酸蓄电池负极活性物质的锑含量进行过化验，发此刻负极活性物质的表面层，锑的含量达到％～％质量分数。
对某些电池，例如潜艇用蓄电池，对电池析氢量有必然的限制。
曾对析氢超过标准的蓄电池负极板活性物质化验，平均锑的含量达到％质量分数。
（6）热失效。
关于少保护电池，要求充电电压不超过单格。
在实际利用中，例如在汽车上，调压装置可能失控，充电电压太高，从而充电电流过大，产生的热将使电池电解液温度升高，致使电池内阻下降；内阻的下降又增强了充电电流。
电池的温升和电流过大相互增强，最终不可操纵，使电池变形、开裂而失效。
尽管热失效不使是铅酸蓄电池常常发生的失效模式，但也不足为奇。
利用使应付充电电压太高、电池发烧的现象予以注意。
（7）负极汇流排的侵蚀。
一样情形下，负极板栅及汇流排不存在侵蚀问题，但在阀控式密封蓄电池中，当做立氧循环时，电池上部空间大体上充满了氧气，汇流排又多少为隔膜中电解液沿极耳上爬至汇流排。
汇流排的合金会被氧化，进一步形成硫酸铅，若是汇流排焊条合金选择不妥，汇流排有渣夹杂及裂缝，侵蚀会沿着这些裂缝加深，致使极耳与汇流排脱开，负极板失效。
（8）隔膜穿孔造成短路。
个别品种的隔膜，如PP（聚丙烯）隔膜，孔径较大，而且在利用进程中PP熔丝会发生位移，从而造成大孔，活性物质可在充电进程中穿过大孔，造成微短路，使电路失效。
阻碍铅酸蓄电池寿命因素研究现状
铅酸蓄电池的失效是许多因素综合的结果，即决定于极板的内在因素，诸如活性物质的组成。
晶型、孔隙率、极板尺寸、板栅材料和结构等，也取决于一系列外在因素，如放电电流密度、电解液浓度和温度、放电深度、保护状况和贮存时刻等。
那个地址介绍主若是外部因素：
（1）放电深度。
放电深度即利用进程中放电到何程度开始停止。
100％深度指放出全数容量。
铅酸蓄电池寿命受放电深度阻碍专门大。
设计考虑的重点确实是深循环利用、浅循环利用仍是浮充利用。
假设把浅循环利用的电池用于深循环利历时。
那么铅酸蓄电池会专门快失效。
因为正极活性物质二氧化铅本身的相互结合不牢，放电时生成硫酸铅，充电时又恢复为二氧化铅，硫酸铅的摩尔体积比二氧化铅大，那么放电时活性物质体积膨胀，就使二氧化铅粒子之间的相互结合慢慢松弛，易于脱落。
假设一摩尔二氧化铅的活性物质只有20％放电，那么收缩、膨胀的程度就大大降低，结合力破坏变缓慢，因此，放电深度越深，其循环寿命越短。
（2）过充电程度。
过充电时有大量气体析出，这时正极板活性物质蒙受气体的冲击，这种冲击会增进活性物质脱落；另外，正极板栅合金也蒙受严峻的阳极氧化而侵蚀，因此电池过充电时会使应用期限缩短。
（3）温度的阻碍。
铅酸蓄电池寿命随温度升高而延长。
在10℃～35℃间，每升高1℃，大约增加5～6个循环，在35℃～45℃之间，每升高1℃可延长寿命25个循环以上；高于50℃那么因负极硫化容量损失而降低了寿命。
电池寿命在必然温度范围内随温度升高而增加，是因为容量随温度升高而增加。
若是放电容量不变，那么在温度升高时其放电深度降低，寿命延长。
（4）硫酸浓度的阻碍。
酸密度的增加，虽对正极板容量有利，但电池的自放电增加，板栅的侵蚀也加速，也促使二氧化铅的松散脱落，随着蓄电池中利用酸密度的增加，循环寿命下降。
随着放电电流密度增加，电池的寿命降低，因为在大电流密度和高酸度浓度条件下，促使正极二氧化铅松散脱落。
研究方向
铅酸蓄电池应用领域相当普遍，在汽车启动、通信、铁路、牵引等诸多领域都有应用，铅酸蓄电池已有140年的历史，尽管与技术先进的锂电池、镍氢电池等相较能量低、深循环寿命短，但由于功率特性好、自放电小、高低温性能优越、生产和回收技术成熟和具有廉价优势，该电池目前仍然是二次电池的主流产品，销售额居二次电池之首。
可是随之而来确实是铅酸蓄电池过早的报废，不仅浪费资源，而且污染环境。
因此关于研究铅酸蓄电池的修复方式是很有必要的。
论文的内容及结构安排
本文的要紧内容是关于铅酸蓄电池修复方式的研究，检索了此刻所有的修复方式，提出新的可行性方案。
文章共分为六掌。
第一章绪论介绍了铅酸蓄电池失效的缘故，和阻碍蓄电池寿命的因素。
第二章介绍了铅酸蓄电池的相关知识：
蓄电池的分类，它的组成和它的工作原理和它的一些性能指标。
第三章针对铅酸蓄电池发生故障的分析
第四章总结针关于第三章蓄电池所发生故障的修复方式
第五章提出和设计新的修复方式
第六章总结
第2章铅酸蓄电池
概述
铅酸蓄电池具有电压稳固，利用方便，平安靠得住等优势。
而且铅酸蓄电池所用原料一般，制造容易，经济有效。
因此取得了普遍地应用。
铅酸蓄电池的分类
铅酸蓄电池要紧由正、负极板、隔离板、电解液和电池槽等部件组成。
铅酸蓄电池的极板由板栅和铅粉组成。
铅酸蓄电池的正极是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为贮存电能的物质，正常为红褐色，负极是以海绵状的金属铅作为贮存电能的物质，正常为灰色。
极板的板栅是用铅锑合金制成。
正极和负极贮存电能的物质统称为活性物质。
隔离物（隔离板）是一种耐酸多微孔物。
铅酸蓄电池用纯净的稀硫酸作为电解液，比重一样在～ml之间。
电池槽是用来贮盛电解液和支撑极板组的。
依照材料不同，由塑料、硬橡胶、玻璃等几种。
铅酸蓄电池的工作原理
铅酸电池是由二氧化铅（PbO2）的正极板与绒状纯铅的负极板（Pb）浸入电解液里所组成。
由于电极和电解液间所起的化学转变：
使两级之间产生电位差（电压）。
铅酸蓄电池充、放电化学反映的原理方程式如下：
正极：
PbO2+2e+H2SO4-+3H+=PbO4+2H2O负极：
Pb+HSO4-=PbSO4+H++2e总反映：
PbO2+2H2SO4+Pb=2PbSO4+2H2O
铅酸蓄电池性能指标
开路电压与工作电压
开路电压
电池在开路状态下的状态端电压称为开路电压。
电池的开路电压等于电池的正极的电极电势与负极电极电势之差。
工作电压
工作电压指电池接通负载后在放电进程中显示的电压，又称放电电压。
在电池放电初始的工作电压称为初始电压。
电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。
2.4.2容量
电池在必然放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。
经常使用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。
电池的容量能够分为理论容量，额定容量，实际容量。
理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得得最高理论值。
为了比较不同系列电池，经常使用比容量得概念，即单位体积或单位质量电池所能给出得理论电量，单位为Ah/l或Ah/kg。
实际容量是指电池在必然条件下所能输出的电量。
它等于放电电流与放电时刻的乘积，单位为，其值小于理论容量。
额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门公布的标准，保证电池在必然的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
内阻
电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学机化与浓差极化。
内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。
电池的内阻不是常数，在充放电进程中随时刻不断转变，因为活性物质的组成、电解液浓度和不断地改变。
欧姆电阻遵守欧姆定律，极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度和温度都在不断地改变。
能量
电池的能量是指在必然放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通经常使用瓦时（Wh）表示。
电池的能量分为理论能量和实际能量。
理论能量W理可用理论容量和电动E的乘积表示，即
W理＝C理E
电池的实际能量为必然放电条件下的实际容量C实与平均工作电压U平的乘积。
即
W理=C理U平
经常使用比能量来比较来比较不同的电池系统。
比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位别离是Wh/kg或Wh/l
比能量有理论比能量和实际比能量之分。
前者指1kg电池反映物质所能输出的实际能量。
由于各类因素的阻碍，电池的实际比能量远小于理论比能量。
实际比能量和理论比能量的关系可表示如下：
W实W理.KV.KR.Km
式中KV－电压效率KR－反映效率Km－质量效率
2.4.5功率与比功率
电池的功率是指电池在必然放电制度下，于单位时刻内所给出能量的大小，单位为W（瓦）或kW（千瓦）。
单位质量电池所能给出的功率称为比功率，单位为或。
比功率也是电池重要的性能指标之一。
一个电池比功率大，表示它能够经受大电流放电。
蓄电池的比能量和比功率性能是电池选型时的重要参数。
因为电池要与用电的仪器、仪表、电动机械等相互配套，为了知足要求，第一要依照用电设备要求功率大小选择电池类型。
固然，最终确信选用电池的类型还要考虑质量、体积、比能量、利用的温度范围和价钱等因素。
第3章铅酸蓄电池
3.1概述
铅酸蓄电池在利用的进程中，会显现各类故障，造成故障的缘故也是多方面的，很多故障都不是短时刻形成的。
有几种要紧故障：
1“硫化”；2电池内部短路；3活性物质的过量脱落；4极板拱曲和断裂；5反极；6正极板板栅的侵蚀；7负极板的硬化。
铅酸蓄电池的“硫化”
在极板上生成白色坚硬的硫酸铅结晶，充电时又超级难于转化为活性物质的硫酸铅，这确实是硫酸盐化，简称为“硫化”。
生成这种硫酸铅的缘故是过放电或放电后长期放置时，硫酸铅微粒在电解液中溶解，呈饱和状态，这些硫酸铅在温度低时从头结晶，而在结晶质硫酸铅是析出。
如此在一度析出的粒子上一次又一次地因温度变更而生长、进展，使结晶粒增大。
这种硫酸的导电性不良、电阻大，溶解度和溶解速度又很小，充电时恢复困难。
因此成为容量降低和寿命缩短的缘故，此刻关于铅酸蓄电池修复主若是针关于“硫化”。
轻微的电池“硫化”，会降低电池的容量，电池内阻增加，严峻时那么电极失效，充不进电。
产生硫化的缘故
（1）缺少电解液
因蒸或纯水蒸发过量或电解液因意外倒泄而没有及时补充，致使液面太低，使极板上部与空气接触而强烈氧化（主若是负极板）。
这氧化部份与电解液再接触时，也会形成大晶粒硫酸铅硬化层，使极板上部硫化。
同时由于极板外露在充电时，板级上端的硫酸铅不能与电解液发生电化学反映作用，板级的有效物质得不到充分得恢复。
（2）电解液不纯
一样情形下，利用了不合格得电解液，铅酸蓄电池一年左右便报废。
（3）常常利用铅酸电池过量放电或小电流深放电，会在极板深处生成较多得硫酸铅。
（4）缺少应有的按期过充电或常常充电不足，在活性物质中或多或少残留一部份未能还原的硫酸铅。
（5）电解液密度太高或温度太高，铅酸铅将深切形成，不易恢复。
（6）电解液温度高低的转变：
硫酸铅在电解液中，溶解于结晶两个相反的进程交替着进行。
当温度上升时，极板上的硫酸铅将有一部份溶解于电解液中，温度越高，溶解度越大。
担当温度降低时，溶解度减小，会显现过饱和现象。
这时有部份硫酸铅就会从电解液中析出，再次结晶成大晶粒硫酸铅附着在极板表面，形成硫化。
（7）内部有短路故障，未及时排除。
（8）长期处于半放电或放电（如漏电）状态下，或电池放电后，未及时进行充电。
（9）放电后，24小时内没有及时补充充电。
表3－1不同地域的气温条件下的电解液密度
冬季温度条件完全充足的蓄电池在25℃时的电解液密度
夏季冬季
-40℃以下地区
-40℃～-30℃地区
-30℃～-20℃地区
-20℃地区
0℃以上地区
表3－2蒸馏水标准（ZBK84004-89）
名称最大许诺量（）
有机物
硝酸及亚硝酸盐
铁Fe
氧化物
氧O
残渣
氯CL
氨NH3
锰Mn
电阻率>30000
极板硫化的现象
（1）蓄电池的容量显著降低，用高率放电叉检查蓄电池时，每单格电池电压迅速减低到
（2）充电开始时，电压上升专门快；放电时电压急剧下降，即过早的降至终止电压。
（3）在充电进程中，电解液质量浓度增加很慢，乃至无显著转变。
当浓度上升至必然数值后就再也不上升，不能达到原先充电时电解液的浓度标准数值。
（4）充电时，电解液温度升高得快。
过早冒气，气泡粗大，乃至一开始充电就发动气泡。
（5）对蓄电池进行解剖，认真观看能够发觉，负极板表面粗糙，触摸时犹如砂粒得感觉，而且极板颜色不同于正常颜色，正极板呈浅棕，负极板呈浅灰色，而且还有白色斑点得硫酸铅布满在极板表面，使极板上得活性物质硬化。
电池内部短路
蓄电池的正负极板直接相碰，称为短路。
蓄电池内部短路的缘故
（1）由于隔离板质量差，使极板活性物质穿过，或隔离板缺损，致使正负极板相接触或直接接触，造成短路。
（2）蓄电池在安装时，由于铅渣卡在正负极板之间，或导电物掉入电池内部，形成导电桥梁，而致使电池内部短路。
（3）电池底部沉淀物积聚过量，达到与极板下边缘相接触。
（4）极板弯曲过甚，挤破隔离物，从而使正负极板接触。
（5）电解液温度太高，浓度过大，使隔离物受侵蚀而损坏，造成电池短路。
蓄电池内部短路的现象
蓄电池内部短路的要紧特点是开路端电压低，电解液浓度下降到以下，若是用大电流时，例如用高率放电叉测试时，单格电池电压迅速下降至零。
假设用一样放电率放电时，电池的电压也是迅速下降到终止电压。
在充电时，电压上升很慢，电解液浓度几乎不变。
充电到了终期气泡冒到很微弱，乃至没有气泡产生，可是电解液得温度却是很高，上升也快。
活性物质得过量脱落
活性物质过量脱落的缘故
（1）过量充电和充电电流过大。
蓄电池在充电后期，正负极有气体析出，这部份气体必需达到必然压力，才能克服小孔中电解液的阻力，从极板内部运动至极板表面逸出，这时，若是过量充电或充电电流过大，使极板气体析出速度加速，活性物质脱落得越多。
（2）放电电流过大，也是造成极板活性物质脱落得重要缘故。
实践证明，电池在放电时如形成的硫酸铅疏松的话，充电时就能够取得较致密二氧化铅，它是粗晶粒得牢固物质，那么极板上的活性物质不容易脱落。
反之假设形成得硫酸铅是紧密层，那么在充电时生成的二氧化铅将要紧以树枝状晶体生成。
这种树枝状晶体质地疏松，在充电和放电时易于脱落。
因此，放电电流过大，使硫酸铅的过饱和度增大，如此就生成了晶粒细小而紧密的硫酸铅层，那么充电时，极板就处在很高的电流密度下，会形成疏松的二氧化铅，在放电开始或充电末期很容易脱落。
极板活性物质脱落得现象
电解液中有沉淀物，当充电末期发动气泡时，电解液反腾，引发电解液混浊，蓄电池容量显著降级。
蓄电池拆开后，能够看到活性物质脱落严峻得只剩下板栅。
板极拱曲和断裂
板极弯曲多数发生在正极板，在负极板很少见到。
有得负极板弯曲那么是由于正极板弯曲过甚而迫使负极板亦随子弯曲。
板极拱曲和断裂得缘故
（1）在极板活性物质得制造进程中，铅膏涂填不均匀，有
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