專利名稱：一種延長鉛酸電池使用壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉛酸電池，尤其涉及一種延長鉛酸電池使用壽命的方法。
背景技術(shù)：
鉛酸電池最早是法國人普蘭特于1859年發(fā)明的，由于其可充電蓄電，廣泛用于如汽車、摩托車、拖拉機、柴油機等起動、照明、蓄電池車、叉車、鏟車、鐵路內(nèi)燃機車、電力機車、客車、通訊、發(fā)電廠、計算機系統(tǒng)、自動控制、風力、太陽能等發(fā)電、電能儲等領(lǐng)域。在使用過程中，有各種因素影響鉛酸電池的使用壽命。其中，影響最大的是在充放電開始時的2-3秒內(nèi)的巨大的電流脈沖，它導致鉛酸電池內(nèi)部極板短時內(nèi)通過過大的電流，使極板過熱，使鉛酸電池的使用壽命縮短。長期以來這個問題無法得到妥善的解決，造成大量的鉛酸電池垃圾污染環(huán)境，不利于環(huán)保。且鉛酸電池造價成本高，若能延長其使用壽命，也就相當于降低了其成本，減少了鉛酸電池垃圾的產(chǎn)生。而且，鉛酸電池的還有另外一個問題，就是功率密度小，加之受放電電壓的限制， 鉛酸電池不允許過沖或過放，這就導致在電動力設備中使用時，難以滿足瞬間大動力需求。 作為鉛酸電池的一種替代電池，鋰電池也存在功率密度小的問題。隨著電子器件的發(fā)展和進步，超級電容器作為一種新的儲電電池開始進入儲電領(lǐng)域。它具有體積小，容量大，充電速度快、使用壽命長、溫度特性好、無須特別的充電電路和控制放電電路、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。超級電容器是利用雙電層原理的電容器，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學元件，但在其充放電過程始終是物理過程，并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，因此超級電容器性能是穩(wěn)定的，可以反復充放電數(shù)十萬次，而且和電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負面影響。超級電容器最大的特點是，其功率密度為鉛酸電池和鋰電池的1(Γ100倍，但其也有個弱點，超級電容器的能量密度不及鉛酸電池和鋰電池。暫時還無法全面代替鉛酸電池和鋰電池。若能揚長避短，將鉛酸電池與超級電容器結(jié)合，則將使鉛酸電池煥發(fā)新的生命力。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述鉛酸電池和超級電容器各自的不足，本發(fā)明通過鉛酸電池和超級電容器結(jié)合，克服其不足而充分發(fā)揮其各自的優(yōu)點，提出了一種延長鉛酸電池或鋰電池等電池使用壽命的方法，為行文方便，下面僅以鉛酸電池為典型說明對象，其所采用的技術(shù)方案如下
一種延長鉛酸電池使用壽命的方法，其特征是，在鉛酸電池電極兩端并聯(lián)超級電容器或超級電容器組，該超級電容器或超級電容器組的額定電壓和容量與鉛酸電池的額定電壓和容量相匹配。作為上述方案的進一步說明，所述鉛酸電池組為η個串聯(lián)或并聯(lián)而成，其中η >2。所述超級電容器組串聯(lián)的超級電容器的數(shù)量η的最小值為鉛酸電池的額定電壓和單個超級電容器額定額定電壓的比值。當所得比值不是整數(shù)時，向上取大值整數(shù)。所述超級電容器組的最小總?cè)萘客ㄟ^如下公式計算(單位法拉)
式a:總?cè)萘?(最大充電電流X峰值時間)/ (最高充電電壓-下限電壓)
所述超級電容器組中的單個超級電容器的最小容量為超級電容器組的總?cè)萘颗c超級電容器組中串聯(lián)的超級電容器數(shù)量的乘積。運用超級電容器的功率密度高的特點與鉛酸電池或鋰電池結(jié)合使用，在充放電 1-3秒的瞬間，就可以吸收或放出巨大能量的脈沖，使鉛酸電池充電或放電變得平緩。需要注意的是，由于鉛酸電池的電壓一般比超級電容器高，為了保證超級電容器能安全可靠地工作，超級電容器串聯(lián)后的總額定電壓不僅要達到鉛酸電池實際總電壓值，還要留有安全裕量，這個安全裕量越大越安全，實際中，一般高出實際總電壓值10%以上。優(yōu)選地，所述超級電容器耐壓額定電壓為2. 7V、容量為f 1000法拉，所述超級電容器容量為I法拉以上。容量值越大越好，但結(jié)合體積、成本等實際情況，能滿足實用要求即可。由于現(xiàn)階段的單個超級電容器的最高耐壓是2. 7V，為使超級電容器耐壓達到I組鉛酸電池的電壓，通過使用多個超級電容器的串聯(lián)來實現(xiàn)，超級電容器串聯(lián)后和鉛酸電池并聯(lián)使用，在充放電瞬間，超級電容器就可以吸收或放出巨大能量的脈沖，使鉛酸電池充電或放電變得平緩，起到延長鉛酸電池使用壽命的作用。從上述方案可知，與鉛酸電池并聯(lián)后超級電容器的最小總?cè)萘?，通過式a公式計算得到。此時計算出的電容值，是串聯(lián)后的總?cè)萘?，根?jù)電容器串聯(lián)的計算公式，相同容易的電容器在串聯(lián)后，其總?cè)萘繛閱蝹€電容容量的乘以電容總數(shù)的倒數(shù)，反向推導后，即為串聯(lián)回路中每一個單體電容的容量是上述串聯(lián)回路中電容總數(shù)的乘積。當然，計算所得結(jié)果是最小值，實際應用中，會留一定的裕量。由上所述技術(shù)方案可知，相對于現(xiàn)有的鉛酸電池，本發(fā)明的優(yōu)點是方法實用簡單，容易實現(xiàn)，不但可以在生產(chǎn)時可以使用，而且也適用于舊鉛酸電池的改造，使其使用壽命得以延長。通過超級電容器對鉛酸電池的充放電開始時的2-3秒時間內(nèi)的緩沖，吸收或放出巨大沖擊能量，可避免巨大的脈沖電流通過鉛酸電池內(nèi)部極板使極板過熱，使鉛酸電池的使用壽命得以延長，從而還減少鉛酸電池垃圾的產(chǎn)生，有利于節(jié)能環(huán)保。而且，還具有了超級電容器的功率密度的特點，可以使鉛酸電池滿足瞬間大動力需求的電動力設備。


圖I為本發(fā)明的電路原理圖2為本發(fā)明的充放電試驗電路原理圖。附圖標記說明
I、超級電容器2、鉛酸電池3、充電器4、電流表5、功率電阻。
具體實施例方式如圖I所示，圖中示出了本發(fā)明的連接充電器時電路原理，由圖可知，通過鉛酸電池2正負極分別與超級電容器I的正負極和充電器3的正負極以并聯(lián)的方式連接。當單個超級電容器的額定電壓低于鉛酸電池額定電壓時，可通過若干超級電容器串聯(lián)的方式來提高耐壓值。圖中的超級電容器I表示串聯(lián)的后的若干超級電容器的等效電路。同理，鉛酸電池I也可以是鉛酸電池組成的電池組的等效電路。用負載代替充電器3，即為放電狀態(tài)的電路，由于電路圖比較簡單，使用時的放電電路不再另外進行圖示。超級電容器充放電時保護鉛酸電池的原理如下
充電時保護鉛酸電池原理由于超級電容器的內(nèi)阻比鉛酸電池小，等效于在鉛酸電池 2的兩端并聯(lián)了一個小電阻。充電前，超級電容器I內(nèi)存儲的能量比鉛酸電池低，兩者的電壓相等。一旦接入充電器的輸出端，由于超級電容器I的內(nèi)阻小，而將充電電壓拉低，此時鉛酸電池2的電壓高于超級電容器I的電壓，充電電流全部流過超級電容器1，隨差充電時間的推移，超級電容器I兩端的電壓隨充電量的增加而逐漸上升，當超級電容器I兩端的電壓上升到與鉛酸電池2待充電壓相同或略高于鉛酸電池的待充電壓時，此時電流才開始由小到大流向鉛酸電池2，鉛酸電池2開始充電。參見圖2所示的試驗電路，圖中所示的超級電容器I等效5個160F/2. 7V的超級電容器串聯(lián)，與標稱值12V/10Ah的鉛酸電池2首次并聯(lián)連接，并在其并聯(lián)中點和超級電容器I、鉛酸電池2的正極之間分別串聯(lián)電流表4，充電器正極接在并聯(lián)中點處。鉛酸電池2向超級電容I充電，10分鐘以后測得，5個串聯(lián)后的超級電容器I兩端的電壓與鉛酸電池電壓平衡。然后通過I歐姆的功率電阻5作為負載對超級電容器I和鉛酸電池2進行放電，放電至IlV時斷開功率電阻5停止放電，停止10分鐘，在此期間由于超級電容器I的能量密度低，它會從鉛酸電池中吸取能量，以保持兩者的電壓平衡，兩者的電壓最后持續(xù)在10. 9V。 10分鐘后使用恒流源進行充電，由于超級電容器I功率密度相對較大，超級電容器I吸收充電的能量并使能量密度迅速達到最高峰，通過電路中的兩個電流表4指示值可以看出，充電開始超級電容器I回路中的電流最大、鉛酸電池2回路中的電流最小，隨著充電時間的推移，超級電容器回路中的電流在逐漸下降，而鉛酸電池回路中的電流逐漸加大，直到接近充電電壓上限值時電流才從高峰值開始下降。由于超級電容器的功率密度遠大于鉛酸電池，故其充電的速度也遠大于鉛酸電池，當超級電容器自身的電壓高于鉛酸電池的充電起始電壓以后，才開始向鉛酸電池充電。 這樣，鉛酸電池就避開了大浪涌電流的沖擊，是從小電流開始，隨著超級電容器電壓的上升而逐漸加大充電電流。放電時保護鉛酸電池原理放電時保護鉛酸電池的原理和充電時恰好相反,放電時借助于超級電容器功率密度相對較大的優(yōu)點，超級電容器首先輸出較大的峰值能量，其能量不足時在由鉛酸電池接續(xù)輸出，此時，放電瞬間的大能量沖擊已經(jīng)由超級電容器輸出， 鉛酸電池輸出時放電電流已經(jīng)平緩，從而使鉛酸電池避開脈沖峰值高能量的輸出而得以保護。下面舉例說明超級電容器的容量和串聯(lián)數(shù)量的確定
實施例I
鉛酸電池I使用4個12V的鉛酸電池串成電池組，串聯(lián)后的總電壓是48V，每一個超級電容器的最大額定電壓是2. 7V，由此可知，需要使用超級電容器的串聯(lián)的數(shù)量n=48/2. 7， 即17.77 (個)，考慮到耐壓裕量，四舍五入后，取n=20。假設通過前述的式a計算出的20個超級電容器串聯(lián)后的總?cè)萘渴?法拉，則單只超級電容器的容量=4X20=80 (法拉),取一定的裕量后,選擇100法拉的整數(shù)。
實施例2
鉛酸電池I使用2個12V的鉛酸電池串成電池組，串聯(lián)后的總電壓是24V，每一個超級電容器的最大額定電壓是2. 7V，由此可知，需要使用超級電容器的串聯(lián)的數(shù)量n=24/2. 7， 即n ~ 8. 88 (個),考慮到耐壓裕量，四舍五入后，取η=10。假設通過前述的式a計算出的10個超級電容器串聯(lián)后的總?cè)萘渴?法拉，單只超級電容器的容量=4X 10=40 (法拉),取一定的裕量,選擇50法拉的整數(shù)。實施例3
鉛酸電池I使用I個12V的鉛酸電池串成電池組，串聯(lián)后的總電壓是12V，每一個超級電容器的最大額定電壓是2. 7V，由此可知，需要使用超級電容器的串聯(lián)的數(shù)量n=12/2. 7， 即n ^ 4. 44 (個)，考慮到耐壓裕量，四舍五入后，取η=5。假設通過前述的式a計算出的5個超級電容器串聯(lián)后的總?cè)萘渴?法拉，單只超級電容器的容量=4X5=20 (法拉)，取一定的裕量，選擇25法拉的整數(shù)。由于鉛酸電池的并聯(lián)只影響到電池容量，而不影響到電壓，其計算方法更為簡單， 為節(jié)省篇幅，本說明書不再舉例說明。值得聲明的是，本發(fā)明公開的延長鉛酸電池使用壽命的方法不僅僅用于鉛酸電池，對其它功率密度比超級電容器小的電池也一樣適用，如鋰電池等。只要用這些電池代替鉛酸電池就落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。根據(jù)上述說明書及具體實施例并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式
，經(jīng)過以上說明書的教導和啟示，對本發(fā)明的一些修改和變形，也應當落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種延長鉛酸電池使用壽命的方法，其特征是在鉛酸電池電極兩端并聯(lián)超級電容器或超級電容器組，該超級電容器或超級電容器組的額定電壓和容量與鉛酸電池的額定電壓和容量相匹配。
2.如權(quán)利要求I所述的延長鉛酸電池使用壽命的方法，其特征是所述鉛酸電池組為η 個串聯(lián)或并聯(lián)而成，其中η >2。
3.如權(quán)利要求2所述的延長鉛酸電池使用壽命的方法，其特征是所述超級電容器組串聯(lián)的超級電容器的數(shù)量η的最小值為鉛酸電池的額定電壓和單個超級電容器額定額定電壓的比值。
4.如權(quán)利要求3所述的延長鉛酸電池使用壽命的方法，其特征是所述超級電容器組的最小總?cè)萘客ㄟ^公式總?cè)萘?(最大充電電流X峰值時間)/ (最高充電電壓-下限電壓)確定。
5.如權(quán)利要求4所述的延長鉛酸電池使用壽命的方法，其特征是所述超級電容器組中的單個超級電容器的最小容量為超級電容器組的總?cè)萘颗c超級電容器組中串聯(lián)的超級電容器數(shù)量的乘積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種延長鉛酸電池使用壽命的方法，其特征是，在鉛酸電池電極兩端并聯(lián)超級電容器或超級電容器組，該超級電容器或超級電容器組的額定電壓和容量與鉛酸電池的額定電壓和容量相匹配。本發(fā)明公開的方法簡單實用，容易實現(xiàn)，不但可以在生產(chǎn)時可以使用，而且也適用于舊鉛酸電池的改造，使其使用壽命得以延長。其原理是通過超級電容器對鉛酸電池的充放電開始時的2-3秒時間內(nèi)的緩沖，吸收或放出巨大沖擊能量，可避免巨大的脈沖電流通過鉛酸電池內(nèi)部極板使極板過熱，使鉛酸電池的使用壽命得以延長，從而減少鉛酸電池垃圾的產(chǎn)生，有利于節(jié)能環(huán)保。
文檔編號H01M10/12GK102610864SQ20121008577
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者梁棋行 申請人:佛山市南莊廣昌電器塑料有限公司