Mastervolt铅酸蓄电池特性

以下是可以从化学中收集到的一些要点。

1. 离子必须能够在两极之间流动。没有离子流，就无法完成电化学反应，也不会产生电流。
2. 电子从负极流向正极，即逆流。我们都知道，在直流系统中，负号对应于地，电流从+端子流向-端子。这与电子流相反，我一直认为这是违反直觉的！你可以感谢本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）制定了这个惯例，尽管他在电子被发现前大约 100 年就创造了这个惯例。
3. 放电时，阳极和阴极均形成硫酸铅。
4. 水的电解是充电过程中的一个（令人讨厌的）副反应。
5. 电池放电需要电子从阳极流向阴极，这可能发生在内部，导致电池“自”放电。

这一切对您的电池有何影响？ 

 

扩散

我们首先看一下离子流。离子通过介质从一极流到另一极需要时间。该时间因素体现在电池的总放电率和最大充电率上。放电时，充满电的电池可以产生最大电流，称为启动电流。介质越厚（或越粘），离子流过物质的速度越慢，电子或电流产生的速率越低。因此，具有较高粘性介质的凝胶电池比其他铅酸电池具有更慢的电子（电流）产生速率。请允许您承认，杆不需要（通常也不需要）将杆插入水中。制造商制造各种形状和尺寸的电池，并使用各种技巧让离子在阳极和阴极之间快速流动，从而为电池带来更好的启动放大器性能。

通过介质的离子流（扩散）也会影响充电周期。对于已放电的电池，扩散决定了电池在充电期间可以吸收的总电流。该充电速率（最大充电速率）通常为电池总容量的 10-20%（或 0.1C 至 0.2C，其中 C 代表电池容量）。对于 100 安培小时 (Ah) 电池，这意味着电池可接受的最大初始电流约为 10-20 安培。向电池注入超过其可接受的电流会导致电解，从而使水沸腾，释放出氧气和氢气。请注意，总会发生某种程度的电解。然而，如果充电电流保持在最大接受阈值以下，其影响很小。

随着电池充电的进行，两极的硫酸铅量减少。硫酸铅在阳极处转化回铅，并在阴极处转化回氧化铅。随着硫酸铅浓度的降低，电池可接受的电流量开始下降。因此，如果充电电流不随电池充电而减小，则电池电压开始上升。请注意，温度也会升高，电解速率也会升高。将电池视为电阻器，其中多余的电流以热量、氢气和氧气的形式消散。随着硫酸铅的消耗，电池的电阻上升，导致电压根据欧姆定律 (V = IR) 增加，该定律指出，对于恒定电流，电阻和电压之间存在直接相关性。因此，对于恒定的充电电流，电压随着电池电阻的增加而增加。另请注意，流过电阻器的电流会产生热量，从而导致充电期间电池温度升高。

铅酸电池通常可以在大约 90% 的充电状态下接受最大充电率（即充满电的 10%）。高于90%时，电压开始升高，因此需要降低充电电流。使用恒定电压和变化电流对完全放电的电池进行充电通常需要大约 60% 的时间来为电池的 90% 充电，并需要 40% 的时间来为剩余的 10% 的电量充电。古老的航海格言“距离越近，走得越慢”非常适合电池充电！正因为如此，当我们使用柴油发动机充电时，我们往往会在电池充满之前就停止充电过程。正如我们接下来将看到的，铅酸电池未能充满电对其健康有害。

硫酸铅是你的敌人

硫酸铅是电池放电副产品，在阳极和阴极处形成。在电池充电过程中，硫酸铅被消耗并在相应的极处变成铅和氧化铅。最初产生时，硫酸铅是一种凝胶状物质，反应迅速，在电池充电周期中转化回铅和氧化铅。然而，如果长时间留在板上，硫酸铅会结晶成坚硬且反应性低得多的物质。结晶形式的硫酸铅在充电过程中不会解离，从而永久地结合其他活性铅并降低电池容量。结晶的硫酸铅不仅会降低容量，还会扰乱并减慢两极之间的离子流动，从而降低电池的充电/放电效率。“硫酸化”电池不仅容量较小，而且起动电流容量也低得多。最重要的是，硫酸盐会降低电池的性能，带来双重打击。不幸的是，防止电池“硫酸化”的唯一方法是对其进行轻微放电，并在使用后立即充电至满容量。

均衡

在长时间的放电循环过程中会形成两种硫酸铅晶体。一种类型的晶体是惰性的，而另一种类型的晶体可以通过在充电周期期间升高电压来被迫反应。此过程称为电池“均衡”，涉及以 15.5V 对电池过度充电，同时密切关注电池温度、电池比重和电解液液位。预计会产生大量气泡和气体。均衡仅适用于富液电池，并且应合理频繁地进行（劳斯莱斯建议每年两次）。如果发现得足够早，高质量的富液电池的硫酸盐化是可以逆转的。然而，让任何铅酸电池长时间放电肯定会降低其容量或损坏它。

一些密封电池允许长时间使用较高电压（通常远低于 15.5 V），通过分解硫酸铅来恢复电池容量。然而，作为一般规则，除非制造商明确声明可以这样做，否则应避免该过程。由于电解质不能添加到密封电池中，因此在执行这些恢复程序时应严格遵循制造商流程。

自放电

电池放电时，电子从阳极流向阴极。电子（就像水手）很懒（这是一件好事）并且通常会选择阻力最小的路径。这条路径通常是穿过你的船的电线，电子被诱骗在那里做功。然而，还有另一条路。在两极之间没有直接外部连接的情况下，电子可以流过电解质，导致电池“自”放电。所有化学电池都会发生自放电，对于富液式铅酸电池，自放电通常约为每月电池容量的 5-10%，而对于密封电池，自放电则要低得多。

铅酸电池充电

所有这一切的重要结论是铅酸电池：

• 不喜欢处于放电状态
• 需要很长时间才能充满电
• 将以其最大额定充电速率快速充电至约 90% 容量，然后缓慢充电。
• 如果闲置，自放电相当快
• 如果充电电流/电压过高，电解质将会沸腾
• 会随着使用时间的推移而恶化。放电越多、深度越深，它们失去容量的速度就越快

早些时候，我在没有太多解释的情况下被告知，船的电池组应不少于其每日总安时 (Ah) 消耗的四倍。电池组应每天充电至不少于 90% 容量，每周充满电一次。多年来，这种理念（正如我们所见，有充分的理由）对我们很有帮助。

充电技巧

有多种不同的充电策略可用于为铅酸电池充电。

恒定电压是最简单的。您的汽车用它来维护启动电池。电压调节器用于调节交流发电机的电流，使其永远不会超过 13.35-13.5V。对于穿越海洋的拖网渔船来说，这种方法效果很好。对于我们这些长期处于困境中的人来说，情况就不那么严重了。

帆船和船宿驾驶者希望尽可能减少发动机运行时间来为电池充电。恒压调节对于电池的前 60% 来说效果很好，但对于最后 40% 来说效果很差。需要长时间运行才能给电池组充满电。

更好的三相技术是使用智能调节器和多级过程来允许最大电流流入电池，直到电池达到暂时的高电压。这种状态称为体相。电压通常在 14.5V 左右，然后保持恒定一段时间。这种状态被称为吸收或接受状态。当电池的充电状态达到约 95% 时，调节器会将电压降低到恒定的较低值。第三种状态称为浮动。

下图描述了 3 阶段充电周期。

更复杂的充电方案（例如下面针对密封 Victron 凝胶电池的充电方案）基于三相充电周期的变化，但几乎都遵循相同的原理。需要注意的一件重要事情是，为了使所有多步方案发挥作用，电压调节器必须了解电池的充电状态 (SOC)。如果没有这个，电池就会充电不足或过度。 了解充电期间确定电池 SOC 的详细讨论。

富液电池与密封电池

深循环铅酸电池有两种基本类型：富液式和密封式 (VRLA)。它们之间的最大区别在于，富液式电池使用水作为介质，并带有充电盖。相比之下，密封电池使用凝胶介质（或其他固体介质，例如玻璃哑光）。这些电池采用独特的技术将氢和氧重新结合成水，中和水解，使它们免维护。

只要您愿意维护富液电池，就有很多好处。维护意味着定期检查水位，以确保水位永远不会低于铅板，并偶尔对它们进行均衡循环。补充电池时应始终使用去离子水。只要水位保持不变，富液电池就可以以更高的电压/电流速率充电而不会损坏。它们的使用寿命相当长。

富液电池的一个经常被忽视的优点是，由于您可以接触到电解质，因此可以使用比重计来测量电池的充电状态。该仪器测量电解质的密度，从而得出硫酸的浓度。较高的酸含量对应于较高的荷电状态。充满电的电池将在 1.275-1.28 范围内进行测试，而完全放电的电池将产生 1.140 范围内的读数。测试非常简单，只需取下电池顶部的盖子并将电解质吸入仪器即可。

富液电池有一些缺点：

1. 他们需要维护
2. 它们必须直立安装。他们不会侧着或倒着操作。
3. 他们不能被淹没。
4. 它们需要安装在通风良好的区域，特别是在高压充电和均衡期间。它们会产生氢气和氧气，从而引起爆炸或火灾。

下图显示了从 210 Ah 12 FS 185-HC 电池规格表中获得的 Rolls 富液电池的放电深度 (DOD) 与循环次数 。

因此，如果您将电池放电 35% 并每天充电，则电池预计可持续使用约四年（1500 次循环）。该图表仅用于指导目的，因为电池的实际 DOD 寿命会因许多因素而变化，包括放电率、放电状态剩余时间长度、完全充电频率、均衡频率、工作温度等。

请注意，电池故障的行业标准是电池容量不能超过其原始容量的 20%。例如，100 Ah 电池在容量低于 20% 或 20 安培小时时就会失效。电池通常不会“停止工作”。容量的下降通常是一个渐进的过程。

与富液电池不同，密封铅酸电池无法补充电解液。密封电池采用专门技术，将水电解产生的氢气和氧气重新结合。但该技术有其局限性。它只能处理中等量的电解。因此，在充电周期期间必须非常小心以限制输入电流量。过多的电流会使不可替代的水沸腾，从而降低电池的容量。密封电池制造商推荐针对其电池的充电方案，以最大限度地减少充电时间，同时最大限度地延长电池的预期寿命。这些方案需要智能多级充电器，正如所讨论的那样。

下图描述了Bliss上推荐的 Victron 凝胶电池的充电曲线。

充电周期开始时施加制造商建议的电池最大电流 0.2C（例如，100 Ah 电池为 20 安培）。一旦电荷达到14.1-14.4伏（吸收电压），电流就会减小以维持恒定电压。一旦电池达到容量（通常约为 0.03C 或其 Ah 容量的 3%），则减小电流，并允许电压漂移至 13.5-13.8V 的浮动电压，持续长达 24 小时，以完成电池的充电。收费。如果 24 小时后电池不再有电流需求，则充电电流会进一步减小，将电压降至 13.2V，以便长期存储。存储电流抵消了电池的自放电率，防止硫酸铅长期积聚。

请注意，验收阶段对于密封电池尤其重要，因为升高的充电电压有助于分解硫酸铅。使用密封电池的划船者应在达到可接受电压后继续充电一段时间。交流发电机电流将在此阶段开始下降，因此可能会关闭发动机以提前终止充电周期。只要电池很快充满电，提前终止充电周期就可以。

一旦您能够满足密封电池挑剔的充电要求，它就有很多值得喜欢的地方。这些包括：

• 零维护。
• 无有毒或易燃气体
• 不会因腐蚀性气体和电解液溢出而导致酸泄漏或外部极腐蚀
• 有些密封电池可以侧装，但请检查制造商的规格。
• 它们可以被淹没
• 它们的放电率通常低于富液电池。我的凝胶每月自放电 2%。
• 体面的启动放大器
• 长寿好

AGM 电池、凝胶电池、碳泡沫电池

并非所有密封电池都是一样的。它们的电极和电解介质的制造存在非常明显的差异。 

凝胶电池使用硫酸和气相二氧化硅的浆料；在其他方面，它们与湿电池或富液电池非常相似，只是内部极板使用钙而不是锑来支撑铅和二氧化铅。

另一方面，吸收性玻璃纤维毡 (AGM) 电池使用非常细的玻璃纤维编织成垫子来容纳电解液。这些电池中的极板可以有许多不同的形状，但在其他方面与富液电池或凝胶中的极板具有相似的成分。

碳泡沫电池采用具有数千个微孔的碳 3D 蜂窝结构来固定电解质，并为电化学过程所需的铅和氧化铅提供表面积。这种结构增加了铅的表面积，提高了效率，同时减少了硫酸铅的有害影响，从而证明了卓越的使用寿命和高性能。

一些 AGM 和凝胶电池的充电循环性能数据 。East Penn 是世界上最大的电池制造商之一，以许多不同品牌销售电池，包括 West Marine AGM 电池。下表显示了 East Penn VRLA 电池的循环能力。

请注意，预期寿命随着放电深度的增加而下降，就像富液电池一样。因此，“通常”您可以将 AGM 电池总共放电 150 次，然后才会失效，而凝胶电池通常在失效前总共进行 450 次完全放电后具有更高的耐受性。

现在请注意，如果我们将放电限制在电池组容量的 25% 并定期为电池组充电（如前所述），会发生什么情况。您将看到，对于 AGM，如果每天放电/充电，您将获得 925 个周期或大约 3.5 年的使用寿命。另一方面，凝胶电池在失效前可持续使用 2100 次循环或 5.75 年。因此，当用于管理房屋时，凝胶的预期寿命几乎是 AGM 的两倍。这就引出了一个问题：为什么 AGM 比凝胶更受欢迎？我只能在这里推测，但怀疑大多数船只都是小型快艇，除了运行房屋之外，还使用 ​​AGM 电池启动发动机。在这些条件下，AGM 表现良好，因为它们比凝胶具有更高的启动电流，并且不会深度放电和频繁充电。然而，对于大部分时间都在锚地度过的船宿来说，

与富液电池一样，如果轻度循环并经常更换，凝胶电池和 AGM 电池的使用寿命会更长。

碳泡沫电池则是另一回事。   

没错……在电池失效前进行了 900 次完全放电。并且在失效前放电5000次50%。这意味着电池循环充电至 50% 时可使用 13.7 年！如果每天消耗 65% 的电池容量，则为 7.65 年。这是国防部周期的疯狂数量。

对于碳泡沫（与我们将在第 2 部分中讨论的锂一样），之前针对铅酸电池提出的 4x Ah/25% 建议失效了。由于碳泡沫电池比水式电池、AGM 电池或凝胶电池具有更长的使用寿命，因此您的家庭银行可以小得多，甚至可能是您每日 Ah 消耗量的 2 倍或 1.5 倍。这使得电池组体积更小，每安时总成本更低。

这就引出了一个问题：知道了这一点，为什么我为Bliss选择凝胶而不是碳泡沫电池？确实是个好问题。Bliss诞生于 20 世纪 90 年代初，当时新的电池技术还没有出现。富液式、AGM 和凝胶电池是当时最先进的技术。鉴于这些电池由铅制成，因此决定使用电池的重量作为镇流器，实际上是 2500 磅镇流器。换句话说，布利斯需要一个巨大的电池组来维持她复杂的系统运转，并保持她直立。

因此，我可以购买价值 2000 安培小时的碳泡沫电池，这可以让我使用大约 45 年，或者节省一些钱并购买预期寿命为 6 年的凝胶。还有外形尺寸的问题。Firefly 电池有两种形状，12V G31 100 Ah 电池或 4V L16 450 Ah 电池。那将是 20 节 G31 电池或 12 节 L16 电池。我无法将它们放入我的电池盒中，重新布线将是一场噩梦！所以它是凝胶。我目前有 7 个用于房屋的 8D 凝胶（1855 Ah）和 1 个用于锚机和推进器的 8D 凝胶，可以绑在房屋上。果然是2120啊。我还有一块用于发动机启动电池的 G31 凝胶，但我们不会计算在内。