铅酸电池的不平衡问题分析
铅酸电池因为其廉价,现在已经非常普遍地应用于电动自行车,据统计2004年全国销售电动自行车750万辆,其中有近90%是用铅酸电池做为能量存储设备.铅酸电池历经百余年发展,技术已经非常成熟,如果按照正确的方法在电动自行车上使用,其寿命可以达到一年半到两年以上,就算是80%容量也能保证在一年以上,但目前电动车市场上消费者最不满意的就是电池的使用寿命问题,一般80%以上容量只能保持2个月左右,大部分的车在5个月以后只能表现出30%到50%的容量,甚至已经无法使用,必须更换新的电池,不但增加了消费者的成本,而且严重污染了环境.究其原因,是使用方式不当,使用方式与电池固有特性不吻合:
一是耐倍率放电能力比较差,而且有硫化效果,在充放电过程中会产生硫酸铅颗粒,特别是大电流放电时更为严重,比如10AH的电池,假如以超过10A电流放电,就会在极板材料上产生更多的硫酸铅颗粒,此反应在电动车目前的使用条件下和充电方式下是不可逆反应,随着时间的延长,此种颗粒会在极板材料上累积,由于此颗粒是不导电的,表现出的外部特征就是电池的内阻增加容量降低,引起整组表现容量下降,大电流放电能力(实际表现为爬坡能力)进一步降低.也就是说在使用同样电池的情况下,放电电流越大(爬坡能力越强)的电动车,其电池的使用寿命可能越短,改善的方法有两种:1 是改变使用方式,想增大爬坡能力的,就换用高容量电池,以减轻硫化效果,但会大大增加电池箱的重量和整车成本,在目前电动车已经进入价格竞争阶段的情况下,这种方式几乎没有整车厂采用;2 是改普通的充电器为负脉冲充电器,或者添加负脉冲电路,利用高压负脉冲去除硫化,延缓因为使用不当而发生的硫化进程,这种电路要增加整车50元以上的成本,而且只能起到延缓的作用,目前有部分整车厂家采用.
二是内阻大,电解液为水熔性,充放电的反应过程中会产生氢气和氧气.由于内阻大,在充放电时候的发热量就大,引起电池温度的变化,再加上氢气和氧气的影响,会导致电池内部气压增大,此时密封的再好也会产生部分泄露,丢失水和其他有效气体,日积月累,电池有效化学成分逐渐减少,电解液变稠,内阻增加表现容量降低,并且污染环境.目前尚无好的解决办法,只有加强密封性,改进电池生产工艺减小内阻,降低使用电流.
以上两个原因造成的电池性能下降结果都是一个随时间累积的缓慢过程,大约要到6到8个月,甚至更长的时间,这种影响才能明显体现出来,消费者才能明显感觉到容量或者电池性能下降.但是组内各节电池不平衡引起的过充电和过放电对电池寿命的影响却是一个很快体现的过程.
不管什么种类的充电电池,过充和过放都是严重损坏电池性能和寿命的,过充会引起极板损坏软化,不导电的氧化铅增加,过放后立即采用大电流充电会引起隔膜鼓胀,这个应力会对极板产生机械拉扯力,影响隔膜和极板的良好接触和作用,这个变化是难以恢复的,从而导致整个电池的性能和寿命下降.而实际上出于对成本的考虑,各整车厂家的充电器都是普通的三段式充电,即“恒流—恒压—浮充”,一开始没有检测各节电池电压,没有根据电压判断是否已经有电池过放,也没有先以小电流进行修复性充电,直接以大电流充电,所以在目前电动车使用的铅酸电池上过充电和过放电会很严重的损坏电池.
在充电电池的生产过程中,不论工艺控制有多严格和标准,生产出来的电池在诸多指标上仍会产生不一致,特别是容量,自放电率和内阻这三个指标的差异对整组电池的表现性能影响最大,所以大多数电池厂在出厂前都对电池进行严格配组,选取此三个指标比较接近的电池配在同一组.由于各电池生产厂和整车厂对电池配组的要求不尽一致也不尽严格,所以市场上销售的电动车同一组里的各节电池的一致性千差万别.在消费者使用过程中,随着使用时间加长和使用次数的增多,这个差异性会引起在同一时刻时,各节电池的荷电状态不一致,特征为:同一时刻各节电池的电压不一致,一般情况下,当消费者使用两个月后,电压最大和最小电池之间的压差已经扩大到800mV左右,如果配组不严格,或者根本是随意组装,压差会更大.目前市场上铅酸电动车充放电方式几乎都是“串联充电—串联放电”,串充充电器的充电保护电压是依据整组电压进行判断,一般是平均每节14.8V保护,如果三节串联就是44.4V,控制器的欠压保护点也是依靠电压判断,一般是平均每节10.5V保护,如果三节串联就是31.5V保护.这时候如果各节电池电压不一样,就会出现这种情况:充电时当充电器在平均电压处保护时,也许有一节电池充到了15V甚至15.5V以上,已经发生严重的过充电,放电时当控制器在平均电压处保护时,也许有一节电池已经放到10V甚至9.5V以下,已经发生了严重过放电,再次充电时又没有进行小电流的保护性充电.
由于目前铅酸电池电动车整体价格已经很低廉,所以在动力锂电池领域应用的电池平衡技术由于成本较高很难应用于铅酸电池中,所以市场上几乎所有的铅酸电动车都不配备平衡电路.目前市场上的铅酸电池电动车在使用两到三个月之后,容量和性能明显下降,其实此时只有一节电池因为受到过充电和过放电的长期损坏,明显已经不行,产生的原因就是因为不平衡,导致电池更换频繁,表现性能不好,消费者抱怨,而且加大了铅酸电池的使用量和生产量,严重污染了环境.
