CN102610864A

CN102610864A - 一种延长铅酸电池使用寿命的方法

Info

Publication number: CN102610864A
Application number: CN2012100857773A
Authority: CN
Inventors: 梁棋行
Original assignee: FOSHAN GUANGCHANG ELECTRICAL EQUIPMENT PLASTICS Co Ltd
Current assignee: FOSHAN GUANGCHANG ELECTRICAL EQUIPMENT PLASTICS Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种延长铅酸电池使用寿命的方法，其特征是，在铅酸电池电极两端并联超级电容器或超级电容器组，该超级电容器或超级电容器组的额定电压和容量与铅酸电池的额定电压和容量相匹配。本发明公开的方法简单实用，容易实现，不但可以在生产时可以使用，而且也适用于旧铅酸电池的改造，使其使用寿命得以延长。其原理是通过超级电容器对铅酸电池的充放电开始时的2-3秒时间内的缓冲，吸收或放出巨大冲击能量，可避免巨大的脉冲电流通过铅酸电池内部极板使极板过热，使铅酸电池的使用寿命得以延长，从而减少铅酸电池垃圾的产生，有利于节能环保。

Description

一种延长铅酸电池使用寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种铅酸电池，尤其涉及一种延长铅酸电池使用寿命的方法。

背景技术

铅酸电池最早是法国人普兰特于1859年发明的，由于其可充电蓄电，广泛用于如汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动、照明、蓄电池车、叉车、铲车、铁路内燃机车、电力机车、客车、通讯、发电厂、计算机系统、自动控制、风力、太阳能等发电、电能储等领域。

在使用过程中，有各种因素影响铅酸电池的使用寿命。其中，影响最大的是在充放电开始时的2-3秒内的巨大的电流脉冲，它导致铅酸电池内部极板短时内通过过大的电流，使极板过热，使铅酸电池的使用寿命缩短。长期以来这个问题无法得到妥善的解决，造成大量的铅酸电池垃圾污染环境，不利于环保。且铅酸电池造价成本高，若能延长其使用寿命，也就相当于降低了其成本，减少了铅酸电池垃圾的产生。

而且，铅酸电池的还有另外一个问题，就是功率密度小，加之受放电电压的限制，铅酸电池不允许过冲或过放，这就导致在电动力设备中使用时，难以满足瞬间大动力需求。作为铅酸电池的一种替代电池，锂电池也存在功率密度小的问题。

随着电子器件的发展和进步，超级电容器作为一种新的储电电池开始进入储电领域。它具有体积小，容量大，充电速度快、使用寿命长、温度特性好、无须特别的充电电路和控制放电电路、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器是利用双电层原理的电容器，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其充放电过程始终是物理过程，并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器性能是稳定的，可以反复充放电数十万次，而且和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响。

超级电容器最大的特点是，其功率密度为铅酸电池和锂电池的10~100倍，但其也有个弱点，超级电容器的能量密度不及铅酸电池和锂电池。暂时还无法全面代替铅酸电池和锂电池。若能扬长避短，将铅酸电池与超级电容器结合，则将使铅酸电池焕发新的生命力。

发明内容

针对上述铅酸电池和超级电容器各自的不足，本发明通过铅酸电池和超级电容器结合，克服其不足而充分发挥其各自的优点，提出了一种延长铅酸电池或锂电池等电池使用寿命的方法，为行文方便，下面仅以铅酸电池为典型说明对象，其所采用的技术方案如下：

一种延长铅酸电池使用寿命的方法，其特征是，在铅酸电池电极两端并联超级电容器或超级电容器组，该超级电容器或超级电容器组的额定电压和容量与铅酸电池的额定电压和容量相匹配。

作为上述方案的进一步说明，所述铅酸电池组为n个串联或并联而成，其中n≥2。

所述超级电容器组串联的超级电容器的数量n的最小值为铅酸电池的额定电压和单个超级电容器额定额定电压的比值。当所得比值不是整数时，向上取大值整数。

所述超级电容器组的最小总容量通过如下公式计算（单位：法拉）：

式a：总容量=（最大充电电流×峰值时间）/（最高充电电压-下限电压）

所述超级电容器组中的单个超级电容器的最小容量为超级电容器组的总容量与超级电容器组中串联的超级电容器数量的乘积。

运用超级电容器的功率密度高的特点与铅酸电池或锂电池结合使用，在充放电1-3秒的瞬间，就可以吸收或放出巨大能量的脉冲，使铅酸电池充电或放电变得平缓。需要注意的是，由于铅酸电池的电压一般比超级电容器高，为了保证超级电容器能安全可靠地工作，超级电容器串联后的总额定电压不仅要达到铅酸电池实际总电压值，还要留有安全裕量，这个安全裕量越大越安全，实际中，一般高出实际总电压值10%以上。

优选地，所述超级电容器耐压额定电压为2.7V、容量为1~1000法拉，所述超级电容器容量为1法拉以上。容量值越大越好，但结合体积、成本等实际情况，能满足实用要求即可。

由于现阶段的单个超级电容器的最高耐压是2.7V，为使超级电容器耐压达到1组铅酸电池的电压，通过使用多个超级电容器的串联来实现，超级电容器串联后和铅酸电池并联使用，在充放电瞬间，超级电容器就可以吸收或放出巨大能量的脉冲，使铅酸电池充电或放电变得平缓，起到延长铅酸电池使用寿命的作用。

从上述方案可知，与铅酸电池并联后超级电容器的最小总容量，通过式a公式计算得到。此时计算出的电容值，是串联后的总容量，根据电容器串联的计算公式，相同容易的电容器在串联后，其总容量为单个电容容量的乘以电容总数的倒数,反向推导后，即为串联回路中每一个单体电容的容量是上述串联回路中电容总数的乘积。当然，计算所得结果是最小值，实际应用中，会留一定的裕量。

由上所述技术方案可知，相对于现有的铅酸电池，本发明的优点是：方法实用简单，容易实现，不但可以在生产时可以使用，而且也适用于旧铅酸电池的改造，使其使用寿命得以延长。通过超级电容器对铅酸电池的充放电开始时的2-3秒时间内的缓冲，吸收或放出巨大冲击能量，可避免巨大的脉冲电流通过铅酸电池内部极板使极板过热，使铅酸电池的使用寿命得以延长，从而还减少铅酸电池垃圾的产生，有利于节能环保。而且，还具有了超级电容器的功率密度的特点，可以使铅酸电池满足瞬间大动力需求的电动力设备。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的充放电试验电路原理图。

附图标记说明：

1、超级电容器 2、铅酸电池 3、充电器 4、电流表 5、功率电阻。

具体实施方式

如图1所示，图中示出了本发明的连接充电器时电路原理，由图可知，通过铅酸电池2正负极分别与超级电容器1的正负极和充电器3的正负极以并联的方式连接。当单个超级电容器的额定电压低于铅酸电池额定电压时，可通过若干超级电容器串联的方式来提高耐压值。图中的超级电容器1表示串联的后的若干超级电容器的等效电路。同理，铅酸电池1也可以是铅酸电池组成的电池组的等效电路。用负载代替充电器3，即为放电状态的电路，由于电路图比较简单，使用时的放电电路不再另外进行图示。

超级电容器充放电时保护铅酸电池的原理如下：

充电时保护铅酸电池原理：由于超级电容器的内阻比铅酸电池小，等效于在铅酸电池2的两端并联了一个小电阻。充电前，超级电容器1内存储的能量比铅酸电池低，两者的电压相等。一旦接入充电器的输出端，由于超级电容器1的内阻小，而将充电电压拉低，此时铅酸电池2的电压高于超级电容器1的电压，充电电流全部流过超级电容器1，随差充电时间的推移，超级电容器1两端的电压随充电量的增加而逐渐上升，当超级电容器1两端的电压上升到与铅酸电池2待充电压相同或略高于铅酸电池的待充电压时，此时电流才开始由小到大流向铅酸电池2，铅酸电池2开始充电。

参见图2所示的试验电路，图中所示的超级电容器1等效5个160F/2.7V的超级电容器串联，与标称值12V/10Ah的铅酸电池2首次并联连接，并在其并联中点和超级电容器1、铅酸电池2的正极之间分别串联电流表4，充电器正极接在并联中点处。铅酸电池2向超级电容1充电，10分钟以后测得，5个串联后的超级电容器1两端的电压与铅酸电池电压平衡。然后通过1欧姆的功率电阻5作为负载对超级电容器1和铅酸电池2进行放电，放电至11V时断开功率电阻5停止放电，停止10分钟，在此期间由于超级电容器1的能量密度低，它会从铅酸电池中吸取能量，以保持两者的电压平衡，两者的电压最后持续在10.9V。10分钟后使用恒流源进行充电，由于超级电容器1功率密度相对较大，超级电容器1吸收充电的能量并使能量密度迅速达到最高峰，通过电路中的两个电流表4指示值可以看出，充电开始超级电容器1回路中的电流最大、铅酸电池2回路中的电流最小，随着充电时间的推移，超级电容器回路中的电流在逐渐下降，而铅酸电池回路中的电流逐渐加大，直到接近充电电压上限值时电流才从高峰值开始下降。

由于超级电容器的功率密度远大于铅酸电池，故其充电的速度也远大于铅酸电池，当超级电容器自身的电压高于铅酸电池的充电起始电压以后，才开始向铅酸电池充电。这样，铅酸电池就避开了大浪涌电流的冲击，是从小电流开始，随着超级电容器电压的上升而逐渐加大充电电流。

放电时保护铅酸电池原理：放电时保护铅酸电池的原理和充电时恰好相反，放电时借助于超级电容器功率密度相对较大的优点，超级电容器首先输出较大的峰值能量，其能量不足时在由铅酸电池接续输出，此时，放电瞬间的大能量冲击已经由超级电容器输出，铅酸电池输出时放电电流已经平缓，从而使铅酸电池避开脉冲峰值高能量的输出而得以保护。

下面举例说明超级电容器的容量和串联数量的确定：

实施例1

铅酸电池1使用4个12V的铅酸电池串成电池组，串联后的总电压是48V，每一个超级电容器的最大额定电压是2.7V，由此可知，需要使用超级电容器的串联的数量n=48/2.7，即n≈17.77（个），考虑到耐压裕量，四舍五入后，取n=20。

假设通过前述的式a计算出的20个超级电容器串联后的总容量是4法拉，则单只超级电容器的容量=4×20=80（法拉），取一定的裕量后，选择100法拉的整数。

实施例2

铅酸电池1使用2个12V的铅酸电池串成电池组，串联后的总电压是24V，每一个超级电容器的最大额定电压是2.7V，由此可知，需要使用超级电容器的串联的数量n=24/2.7，即n≈8.88（个），考虑到耐压裕量，四舍五入后，取n=10。

假设通过前述的式a计算出的10个超级电容器串联后的总容量是4法拉，单只超级电容器的容量=4×10=40（法拉），取一定的裕量，选择50法拉的整数。

实施例3

铅酸电池1使用1个12V的铅酸电池串成电池组，串联后的总电压是12V，每一个超级电容器的最大额定电压是2.7V，由此可知，需要使用超级电容器的串联的数量n=12/2.7，即n≈4.44（个），考虑到耐压裕量，四舍五入后，取n=5。

假设通过前述的式a计算出的5个超级电容器串联后的总容量是4法拉，单只超级电容器的容量=4×5=20（法拉），取一定的裕量，选择25法拉的整数。

由于铅酸电池的并联只影响到电池容量，而不影响到电压，其计算方法更为简单，为节省篇幅，本说明书不再举例说明。

值得声明的是，本发明公开的延长铅酸电池使用寿命的方法不仅仅用于铅酸电池，对其它功率密度比超级电容器小的电池也一样适用，如锂电池等。只要用这些电池代替铅酸电池就落入本发明的权利要求的保护范围内。

根据上述说明书及具体实施例并不对本发明构成任何限制，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，经过以上说明书的教导和启示，对本发明的一些修改和变形，也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种延长铅酸电池使用寿命的方法，其特征是：在铅酸电池电极两端并联超级电容器或超级电容器组，该超级电容器或超级电容器组的额定电压和容量与铅酸电池的额定电压和容量相匹配。

2.如权利要求1所述的延长铅酸电池使用寿命的方法，其特征是：所述铅酸电池组为n个串联或并联而成，其中n≥2。

3.如权利要求2所述的延长铅酸电池使用寿命的方法，其特征是：所述超级电容器组串联的超级电容器的数量n的最小值为铅酸电池的额定电压和单个超级电容器额定额定电压的比值。

4.如权利要求3所述的延长铅酸电池使用寿命的方法，其特征是：所述超级电容器组的最小总容量通过公式：总容量=（最大充电电流×峰值时间）/（最高充电电压-下限电压）确定。

5.如权利要求4所述的延长铅酸电池使用寿命的方法，其特征是：所述超级电容器组中的单个超级电容器的最小容量为超级电容器组的总容量与超级电容器组中串联的超级电容器数量的乘积。