鉛酸電池的不平衡問題分析
鉛酸電池因為其廉價,現在已經非常普遍地應用于電動自行車,據統計2004年全國銷售電動自行車750萬輛,其中有近90%是用鉛酸電池做為能量存儲設備.鉛酸電池歷經百余年發展,技術已經非常成熟,如果按照正確的方法在電動自行車上使用,其壽命可以達到一年半到兩年以上,就算是80%容量也能保證在一年以上,但目前電動車市場上消費者最不滿意的就是電池的使用壽命問題,一般80%以上容量只能保持2個月左右,大部分的車在5個月以后只能表現出30%到50%的容量,甚至已經無法使用,必須更換新的電池,不但增加了消費者的成本,而且嚴重污染了環境.究其原因,是使用方式不當,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,在充放電過程中會產生硫酸鉛顆粒,特別是大電流放電時更為嚴重,比如10AH的電池,假如以超過10A電流放電,就會在極板材料上產生更多的硫酸鉛顆粒,此反應在電動車目前的使用條件下和充電方式下是不可逆反應,隨著時間的延長,此種顆粒會在極板材料上累積,由于此顆粒是不導電的,表現出的外部特征就是電池的內阻增加容量降低,引起整組表現容量下降,大電流放電能力(實際表現為爬坡能力)進一步降低.也就是說在使用同樣電池的情況下,放電電流越大(爬坡能力越強)的電動車,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,但會大大增加電池箱的重量和整車成本,在目前電動車已經進入價格競爭階段的情況下,這種方式幾乎沒有整車廠采用;2 是改普通的充電器為負脈沖充電器,或者添加負脈沖電路,利用高壓負脈沖去除硫化,延緩因為使用不當而發生的硫化進程,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.
二是內阻大,電解液為水熔性,充放電的反應過程中會產生氫氣和氧氣.由于內阻大,在充放電時候的發熱量就大,引起電池溫度的變化,再加上氫氣和氧氣的影響,會導致電池內部氣壓增大,此時密封的再好也會產生部分泄露,丟失水和其他有效氣體,日積月累,電池有效化學成分逐漸減少,電解液變稠,內阻增加表現容量降低,并且污染環境.目前尚無好的解決辦法,只有加強密封性,改進電池生產工藝減小內阻,降低使用電流.
以上兩個原因造成的電池性能下降結果都是一個隨時間累積的緩慢過程,大約要到6到8個月,甚至更長的時間,這種影響才能明顯體現出來,消費者才能明顯感覺到容量或者電池性能下降.但是組內各節電池不平衡引起的過充電和過放電對電池壽命的影響卻是一個很快體現的過程.
不管什么種類的充電電池,過充和過放都是嚴重損壞電池性能和壽命的,過充會引起極板損壞軟化,不導電的氧化鉛增加,過放后立即采用大電流充電會引起隔膜鼓脹,這個應力會對極板產生機械拉扯力,影響隔膜和極板的良好接觸和作用,這個變化是難以恢復的,從而導致整個電池的性能和壽命下降.而實際上出于對成本的考慮,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”,一開始沒有檢測各節電池電壓,沒有根據電壓判斷是否已經有電池過放,也沒有先以小電流進行修復性充電,直接以大電流充電,所以在目前電動車使用的鉛酸電池上過充電和過放電會很嚴重的損壞電池.
在充電電池的生產過程中,不論工藝控制有多嚴格和標準,生產出來的電池在諸多指標上仍會產生不一致,特別是容量,自放電率和內阻這三個指標的差異對整組電池的表現性能影響最大,所以大多數電池廠在出廠前都對電池進行嚴格配組,選取此三個指標比較接近的電池配在同一組.由于各電池生產廠和整車廠對電池配組的要求不盡一致也不盡嚴格,所以市場上銷售的電動車同一組里的各節電池的一致性千差萬別.在消費者使用過程中,隨著使用時間加長和使用次數的增多,這個差異性會引起在同一時刻時,各節電池的荷電狀態不一致,特征為:同一時刻各節電池的電壓不一致,一般情況下,當消費者使用兩個月后,電壓最大和最小電池之間的壓差已經擴大到800mV左右,如果配組不嚴格,或者根本是隨意組裝,壓差會更大.目前市場上鉛酸電動車充放電方式幾乎都是“串聯充電—串聯放電”,串充充電器的充電保護電壓是依據整組電壓進行判斷,一般是平均每節14.8V保護,如果三節串聯就是44.4V,控制器的欠壓保護點也是依靠電壓判斷,一般是平均每節10.5V保護,如果三節串聯就是31.5V保護.這時候如果各節電池電壓不一樣,就會出現這種情況:充電時當充電器在平均電壓處保護時,也許有一節電池充到了15V甚至15.5V以上,已經發生嚴重的過充電,放電時當控制器在平均電壓處保護時,也許有一節電池已經放到10V甚至9.5V以下,已經發生了嚴重過放電,再次充電時又沒有進行小電流的保護性充電.
由于目前鉛酸電池電動車整體價格已經很低廉,所以在動力鋰電池領域應用的電池平衡技術由于成本較高很難應用于鉛酸電池中,所以市場上幾乎所有的鉛酸電動車都不配備平衡電路.目前市場上的鉛酸電池電動車在使用兩到三個月之后,容量和性能明顯下降,其實此時只有一節電池因為受到過充電和過放電的長期損壞,明顯已經不行,產生的原因就是因為不平衡,導致電池更換頻繁,表現性能不好,消費者抱怨,而且加大了鉛酸電池的使用量和生產量,嚴重污染了環境.