论系统方法解决电动自行车用蓄电池的寿命问题
——石家庄开发区科大智能机器研究所 倪德慷
本人在对电动车电瓶的研究过程中发现,影响电动自行车用铅酸蓄电池的因素很多,归钠起来有以下几点:
一.蓄电池本身质量
蓄电池本身质量是由板栅合金配方、板栅结构、外壳内部结构、电解液配方、活性物质配方、添加剂、生产工艺等多种因素决定,也是影响蓄电池寿命的主要因素.
二.组成蓄电池组的蓄电池的不一致性
不一致性包括两种形式,一种为气质性不均衡,是指组成电池组的蓄电池本身就存在容量偏差,另一种则为使用过程不均衡,是因为铅酸蓄电池的离散性本来就高于其他种类的电池,在使用过程中,本来一致的电池也会变的不均衡.据我们观察,不一致性是蓄电池组过早失效的一个重要原因.以36V电动车为例,在不均衡条件下,假如充电电压限制为43.2V,这时并非每块电池都是14.4V,有的尚未充满有的已过充,同样当放电至终止电压31.5V时,也并非每一块电瓶都是10.5V,有的电池已然过放.在这种条件下反复使用,自然会大大降低蓄电池的使用寿命.不光是电动车,凡是需要蓄电池串联使用的地方,就会有同样的情况发生.
三.电动轮彀的质量直接影响蓄电池的寿命
因为国内生产电动轮彀的企业众多,鱼龙混杂、良莠不齐,质量较差、效率较低的电动轮彀对蓄电池的直接影响就是造成放电电流加大,特别是在起动、爬坡的情况下尤为严重,会造成蓄电池活性物质受大电流冲击而脱落,从而使蓄电池失效.
四.充电器的好坏对蓄电池寿命至关重要
目前市场上流行的充电器,基本上就是一个开关电源或是在开关电源基础上稍加改进而成,最好也就能达到恒压限流充电(先恒流,后恒压,再浮充),价格在100-150元不等.用这种充电器有两个至命伤,一是不可能做到不失水,从而使免维护电池变成了少维护电池,蓄电池需要定期维护才能保证寿命,给消费者和供应商都造成麻烦,二是不可能做到均衡充电(因为加上均衡充电成本要有一定幅度的提高,后面将会述及),也就不能解决由于蓄电池不一致性造成的蓄电池组过早失效的问题.
五.提高消费者使用水平的重要性
据我们了解,消费者在使用过程中有几个问题,对蓄电池寿命影响较大.1.充电不及时,以36V电动车为例,假如他一天只起十几公里,那么往往三、四天才充一回电,或者赶上周末,第二天不用出门,即使电已用尽也不马上充电,这样极易造成不可逆硫酸盐化.2.超重或上陡坡,这都会引起放电电流增大.3.过放电,虽然目前大多数电动车厂家都设有了欠压保护,但由于蓄电池在停止放电后静滞一会儿会出现电压回升现象,这时消费者继续使用无疑会造成过放电.
综上所述,电动自行车用蓄电池的寿命是多种因素综合作用的结果,那么问题的解决也不可能是在单一学科的努力所能办到的,本人坚决反对那种为了推销自己的产品,不顾事实、夸大其词、误导消费者的行为,而是认为综合性问题要用系统方法解决,为了实现这一目标我们做了如下工作:
一.对蓄电池本身进行改进
首先,应该确定的一点,就是动力电瓶和起动电瓶在使用要求上完全不同,那么在设计动力电瓶时一定要摆脱一些旧有观念的束缚.我们从板栅结构、板栅合金、铅膏配方、电解液配方以及壳子内部结构进行了全方位的改进,例如我们的正、负板栅使用的是新近研制的专用多元合金,一般蓄电池只有正、负两种板栅结构,而我们的蓄电池里却装配了三种板栅,通过增加添加剂,使蓄电池容量不下降的情况下,电解液浓度得以降低,改变铅膏配方,采用超细玻璃纤维毡做隔膜,从而提高电解液保持能力,实现不流动电解液,使电池能以任何角度放置和充电.可能大家会怀疑我说的这些,因为要实现这么大量的改进,其实验量相当的大,短时间内不可能完成.其实这得益于我们有一整套先进的智能检测设备,这些设备都是我们自行研制生产的,在我们开始阶段,是将所设想的二十多种方案做成样品,同时在设备上做实验,然后通过对实验数据的分析,以及寿命终止电池的解剖,来筛选和优化配方,设计出新的方案再进行实验,用这种方法进行蓄电池研究,大大加快了研制步伐.目前筛选出的12V10Ah配方应用上海标准DB31/202-1997“电力助动车专用蓄电池”标准测试,其充放循环可达千次以上,按本所自定标准,即5A放电1.5小时,5小时率放电容量低于0.85C为失效(25± 2° C),其充放循环可达500次.我们的配方研制和筛选尚未停止,因为从现在取得的实验数据来看,该种电池还有潜力可挖.
二.蓄电池出厂配组
目前,许多电动自行车生产厂家已经意识到配组的重要意义,所以向我们求购均衡配组设备,我们也应厂家要求给他们生产了该设备,但我们认为在蓄电池生产出来之后再加一个均衡配组工艺,增加了设备、工时、人员投入,从而增加了本来就很高的电动车成本,所以我们对蓄电池生产过程中的化成工艺进行了改革,使得基本不增加设备投入的情况下实现均衡配组.具体方法如下:所谓均衡,本人认为,应该是指用相同方法充电至充电结束,电压相同,在允许的电流和电压范围内,以相同时间通过相同电流(不论充放),其电压变化量相同.达到上述要求的蓄电池在串联使用时,可以保证组成电池组的电池其电压始终一致,即使在使用过程中的产生些许偏离也属正常,使用均衡充电方法即可纠偏,但如果一开始就不一致,使用均衡充电的效果就很有限了.
由以上定义可以看出单纯测电瓶的开路电压是没有意义的,单纯比较几个点的电压变化和容量变化是片面的,对一批样品手动测电压也会因时间间隔过长而影响准确性(充放电过程中电压始终是不断变化的,而相对稳定的空载电压又没有任何意义),而蓄电池内阻的测定只能比较蓄电池的优劣却不能保证相同品质的蓄电池的一致性,这是因为蓄电池内阻本来就是一个动态的参数,会因通电电流的不同而产生变化,无法反映在电动车使用过程中电瓶的综合充放电性能.只有在对一批电池统一充放电的同时实时采样,然后进行比较才能够真正实现蓄电池的均衡配组.
为使上述设想在实际操作中得以实现,我们自行研制成功专用智能化成设备和相关软件,在原来电池化成工艺的基础上,实现在化成过程中实时采集数据,再由计算机自动比较、配组.应用此设备我们可以根据不同蓄电池的要求,确立化成工艺和采样点的位置和数量,对均衡要求非常严格的蓄电池我们甚至可以做到每秒钟采一个样,由电脑进行精密比较.该方法有以下几点好处,1、设备投入小,不改动原有生产工艺路线,处理量大.2、操作简便,采样、比较全部由电脑完成.3、应用范围广,可根据不同电池的要求自行设计化成参数.4、结果准确、可靠.
三.研制智能充电器(带均衡充电功能)
首先,需要确定什么叫智能,一般人认为加一个CPU,编一段程序,确定第一步恒流充电电流多少,第二步限压充电电流的变化模式就算智能了,本人认为这是在打马虎眼,或者是充电器的研制者对蓄电池的特性了解太少所至.这是因为即使一个工厂出的产品,个体也会存在差异,即使经过配组,那组和组之间也不一样,而且蓄电池每一次充电时的亏电程度不同,使用了一年和使用了半年的蓄电池其充电接受能力也会有很大的变化,而且在使用过程中组成电池组的蓄电池也会出现走偏现象,诸如此类的问题单凭分段式充电器能解决吗?所以本人认为真正的智能充电器起码应具备以下几项功能,1.在充电过程中对蓄电池组进行实时采样,检测其亏电程度、充电接受能力、和单只蓄电池电压是否一致.2.对检测结果进行分析,并做出反应,如什么时候进行脉动充电、什么时候加入负脉冲,加多大的负脉冲、什么时候启动均衡充电功能.3.判断充电是否已满,自动停止充电.4.将整个充电过程控制在析气点以下,使免维护电池在寿命期限内(正常使用一年)无明显失水,真正做到免维护.为了实现上述要求,我们对硬件电路进行专门设计,并且增加在蓄电池组串接点上采样的功能,拿36V电动车为例,用我们的充电器就需要4个引出点,这样才能做到实时检测每一块电瓶的状态.另外增加了在软件的编制上加入了很多相应的计算,使充电器可根据具体情况自行做出判断和采取行动.增加这些功能,成本肯定会上升,这就要消费者自己来分析是否合算了.本人认为,充电器的寿命很长,个别元器件损坏也容易修理,而一次的投入可以有效延长电池的使用寿命,从而降低电动自行车的年运行费用,是非常值得的.
四.培养消费者
这里的消费者不单指电动自行车的使用者,还包括很多的电动车的生产者和经营者,可以说,这些生产者和经营者这方面知识的欠缺是造成电动自行车使用者误操作的一个主要原因.
五.电动车厂家的配件采购原则
本人认为,厂家在选购配件时应坚持的一个原则是性价比原则,可能有人会认为我说的是废话,谁不知道这个呢?其实不然,因为价格是容易判定的,但性能的判定是需要有相关知识做保证的,具体到电动自行车配件,就还要增加综合知识的运用能力.否则就会出现好的车体、电池、控制器、充电器被一个次的电动轮彀拖累的情况,这实际上是很不划算的.电动车是一个新兴的产业,大家都处于摸索阶段,本人的论述难免有谬误、偏颇之处,肯请业内人士批评指正.相信在大家的共同努力下,我国的电动车产业定会有一个大的法展.
