鉛酸電池的不平衡問(wèn)題分析
鉛酸電池因?yàn)槠淞畠r(jià),現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍地應(yīng)用于電動(dòng)自行車,據(jù)統(tǒng)計(jì)2004年全國(guó)銷售電動(dòng)自行車750萬(wàn)輛,其中有近90%是用鉛酸電池做為能量存儲(chǔ)設(shè)備.鉛酸電池歷經(jīng)百余年發(fā)展,技術(shù)已經(jīng)非常成熟,如果按照正確的方法在電動(dòng)自行車上使用,其壽命可以達(dá)到一年半到兩年以上,就算是80%容量也能保證在一年以上,但目前電動(dòng)車市場(chǎng)上消費(fèi)者最不滿意的就是電池的使用壽命問(wèn)題,一般80%以上容量只能保持2個(gè)月左右,大部分的車在5個(gè)月以后只能表現(xiàn)出30%到50%的容量,甚至已經(jīng)無(wú)法使用,必須更換新的電池,不但增加了消費(fèi)者的成本,而且嚴(yán)重污染了環(huán)境.究其原因,是使用方式不當(dāng),使用方式與電池固有特性不吻合:
一是耐倍率放電能力比較差,而且有硫化效果,在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生硫酸鉛顆粒,特別是大電流放電時(shí)更為嚴(yán)重,比如10AH的電池,假如以超過(guò)10A電流放電,就會(huì)在極板材料上產(chǎn)生更多的硫酸鉛顆粒,此反應(yīng)在電動(dòng)車目前的使用條件下和充電方式下是不可逆反應(yīng),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),此種顆粒會(huì)在極板材料上累積,由于此顆粒是不導(dǎo)電的,表現(xiàn)出的外部特征就是電池的內(nèi)阻增加容量降低,引起整組表現(xiàn)容量下降,大電流放電能力(實(shí)際表現(xiàn)為爬坡能力)進(jìn)一步降低.也就是說(shuō)在使用同樣電池的情況下,放電電流越大(爬坡能力越強(qiáng))的電動(dòng)車,其電池的使用壽命可能越短,改善的方法有兩種:1 是改變使用方式,想增大爬坡能力的,就換用高容量電池,以減輕硫化效果,但會(huì)大大增加電池箱的重量和整車成本,在目前電動(dòng)車已經(jīng)進(jìn)入價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)階段的情況下,這種方式幾乎沒(méi)有整車廠采用;2 是改普通的充電器為負(fù)脈沖充電器,或者添加負(fù)脈沖電路,利用高壓負(fù)脈沖去除硫化,延緩因?yàn)槭褂貌划?dāng)而發(fā)生的硫化進(jìn)程,這種電路要增加整車50元以上的成本,而且只能起到延緩的作用,目前有部分整車廠家采用.
二是內(nèi)阻大,電解液為水熔性,充放電的反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣.由于內(nèi)阻大,在充放電時(shí)候的發(fā)熱量就大,引起電池溫度的變化,再加上氫氣和氧氣的影響,會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部氣壓增大,此時(shí)密封的再好也會(huì)產(chǎn)生部分泄露,丟失水和其他有效氣體,日積月累,電池有效化學(xué)成分逐漸減少,電解液變稠,內(nèi)阻增加表現(xiàn)容量降低,并且污染環(huán)境.目前尚無(wú)好的解決辦法,只有加強(qiáng)密封性,改進(jìn)電池生產(chǎn)工藝減小內(nèi)阻,降低使用電流.
以上兩個(gè)原因造成的電池性能下降結(jié)果都是一個(gè)隨時(shí)間累積的緩慢過(guò)程,大約要到6到8個(gè)月,甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,這種影響才能明顯體現(xiàn)出來(lái),消費(fèi)者才能明顯感覺(jué)到容量或者電池性能下降.但是組內(nèi)各節(jié)電池不平衡引起的過(guò)充電和過(guò)放電對(duì)電池壽命的影響卻是一個(gè)很快體現(xiàn)的過(guò)程.
不管什么種類的充電電池,過(guò)充和過(guò)放都是嚴(yán)重?fù)p壞電池性能和壽命的,過(guò)充會(huì)引起極板損壞軟化,不導(dǎo)電的氧化鉛增加,過(guò)放后立即采用大電流充電會(huì)引起隔膜鼓脹,這個(gè)應(yīng)力會(huì)對(duì)極板產(chǎn)生機(jī)械拉扯力,影響隔膜和極板的良好接觸和作用,這個(gè)變化是難以恢復(fù)的,從而導(dǎo)致整個(gè)電池的性能和壽命下降.而實(shí)際上出于對(duì)成本的考慮,各整車廠家的充電器都是普通的三段式充電,即“恒流—恒壓—浮充”,一開(kāi)始沒(méi)有檢測(cè)各節(jié)電池電壓,沒(méi)有根據(jù)電壓判斷是否已經(jīng)有電池過(guò)放,也沒(méi)有先以小電流進(jìn)行修復(fù)性充電,直接以大電流充電,所以在目前電動(dòng)車使用的鉛酸電池上過(guò)充電和過(guò)放電會(huì)很嚴(yán)重的損壞電池.
在充電電池的生產(chǎn)過(guò)程中,不論工藝控制有多嚴(yán)格和標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)出來(lái)的電池在諸多指標(biāo)上仍會(huì)產(chǎn)生不一致,特別是容量,自放電率和內(nèi)阻這三個(gè)指標(biāo)的差異對(duì)整組電池的表現(xiàn)性能影響最大,所以大多數(shù)電池廠在出廠前都對(duì)電池進(jìn)行嚴(yán)格配組,選取此三個(gè)指標(biāo)比較接近的電池配在同一組.由于各電池生產(chǎn)廠和整車廠對(duì)電池配組的要求不盡一致也不盡嚴(yán)格,所以市場(chǎng)上銷售的電動(dòng)車同一組里的各節(jié)電池的一致性千差萬(wàn)別.在消費(fèi)者使用過(guò)程中,隨著使用時(shí)間加長(zhǎng)和使用次數(shù)的增多,這個(gè)差異性會(huì)引起在同一時(shí)刻時(shí),各節(jié)電池的荷電狀態(tài)不一致,特征為:同一時(shí)刻各節(jié)電池的電壓不一致,一般情況下,當(dāng)消費(fèi)者使用兩個(gè)月后,電壓最大和最小電池之間的壓差已經(jīng)擴(kuò)大到800mV左右,如果配組不嚴(yán)格,或者根本是隨意組裝,壓差會(huì)更大.目前市場(chǎng)上鉛酸電動(dòng)車充放電方式幾乎都是“串聯(lián)充電—串聯(lián)放電”,串充充電器的充電保護(hù)電壓是依據(jù)整組電壓進(jìn)行判斷,一般是平均每節(jié)14.8V保護(hù),如果三節(jié)串聯(lián)就是44.4V,控制器的欠壓保護(hù)點(diǎn)也是依靠電壓判斷,一般是平均每節(jié)10.5V保護(hù),如果三節(jié)串聯(lián)就是31.5V保護(hù).這時(shí)候如果各節(jié)電池電壓不一樣,就會(huì)出現(xiàn)這種情況:充電時(shí)當(dāng)充電器在平均電壓處保護(hù)時(shí),也許有一節(jié)電池充到了15V甚至15.5V以上,已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的過(guò)充電,放電時(shí)當(dāng)控制器在平均電壓處保護(hù)時(shí),也許有一節(jié)電池已經(jīng)放到10V甚至9.5V以下,已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重過(guò)放電,再次充電時(shí)又沒(méi)有進(jìn)行小電流的保護(hù)性充電.
由于目前鉛酸電池電動(dòng)車整體價(jià)格已經(jīng)很低廉,所以在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域應(yīng)用的電池平衡技術(shù)由于成本較高很難應(yīng)用于鉛酸電池中,所以市場(chǎng)上幾乎所有的鉛酸電動(dòng)車都不配備平衡電路.目前市場(chǎng)上的鉛酸電池電動(dòng)車在使用兩到三個(gè)月之后,容量和性能明顯下降,其實(shí)此時(shí)只有一節(jié)電池因?yàn)槭艿竭^(guò)充電和過(guò)放電的長(zhǎng)期損壞,明顯已經(jīng)不行,產(chǎn)生的原因就是因?yàn)椴黄胶?導(dǎo)致電池更換頻繁,表現(xiàn)性能不好,消費(fèi)者抱怨,而且加大了鉛酸電池的使用量和生產(chǎn)量,嚴(yán)重污染了環(huán)境.