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90%以上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.究其原因有兩個:1 充電方式不對,2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,假如經常以超過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,這種方式很少有整車廠采用;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,就是添加所謂的延生器,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,而且去硫化電路市場魚龍混雜,目前有部分整車廠家采用.
二是內阻大,電解液為水熔性,充電過程中析氫和析氧反應會產生大量氫氣和氧氣,充電電流越大反應越劇烈.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,提升充電器的性能,降低使用電流,大多數整車廠商未做任何針對性處理.
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,析氫和析氧反應會產生大量氫氣和氧氣丟失而失水;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串聯充電器,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;再加上失水和硫化程度的不一致,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端電壓差已經擴大到700mV左右,如果配組不嚴格,或者根本是隨意組裝,再加上充電方式不合理,使用方式不對頭,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端電壓不一樣,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,直接大電流充電導致隔膜鼓脹.
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.
如果能夠保證鉛酸電池的平衡,可以大大減少修的頻率和頻度,而現在市場上解決平衡的最常用方法是:并充.并充又分很多種:
1 直接將電池并聯充電,充電器輸出電流等于三倍的普通串聯充電器,這種方式最不科學,這樣的充電模式下,端電壓比較低的電池將在充電初期承受比較大的充電電流,如果此時不平衡很大,則有可能承受0.5C以上的充電電流,此危害人所共知,會導致嚴重的氣體泄露,長時間這樣充電,電池將被充壞,優點是每次基本每個電池都可以充飽.
2  并充充電器A類型,此種并充充電器只有一個變壓器,所有功率均通過同一組初級線圈傳輸,只不過次級多引出幾組線圈,市場上大部分并充屬于此類型;這種方式下,所有電池充電曲線是按照其中的一個電池的荷電狀態調整,此種情況下會有個別電池過充電或者欠充發生,但是因為過充電和欠充電幅度不一定很大,相比第一種方式要好,實際上和串聯充電器的效果相比沒有太大的優勢.
3 并充充電器B類型,此種充電器有幾節電池就有幾個變壓器,并且每個變壓器都是獨立的控制,就好比直接將三個完全獨立的充電器做在一個盒子里,每個充電器獨立根據本節電池的荷電狀態控制,最好的符合了本節電池的曲線,屬于最好的解決平衡的方式,但缺點是代價比較高,這樣的充電器生產成本會在100元以上,因為價格原因大部分廠家不采用.
還有一種方式就是:串聯充電器+平衡電路,此種方式是由平衡電路對每節的充電電流進行管理,衡量的指標是最大平衡電流,也就是說每天的最大平衡能力,比如0.5AH,這種方式代價低廉,在電池一致性差別不大的情況下最為經濟和實用,而且起到預防作用,缺點是平衡能力有限,當電池不一致性超出平衡能力范圍后,將無能為力,只能起到緩沖的作用.
本公司新產品屬于最新專利產品(見附件的照片),體積小25.5mm*21.5mm*4mm便于安裝,價格低廉(初步定位為22元),可以使串聯工作的三串和四串電池在串聯充電串聯放電的情況下每節電芯電壓差最大在15mV以內,徹底避免了不平衡導致的過充和過放對電池的損壞,有效保護電池,延長電池壽命3到6個月.
產品的圖片見附件(樣品外型不太好看,我們會考慮外型的),具體安裝方式以三串(36V)為例,將產品的四根線按照從最負極到最正極的順序依次接在電池組上,裝在電池箱子里即可.
產品主要性能指標:全程均衡,只要有不平衡就一直工作,直到誤差在15mV之內為止,不工作時靜態功耗250uA,平衡能力每天0.5AH,工作時溫升15度以內,安全可靠無故障.      
對新電池尤其有利,可以從一開始就避免過充電和過放電,保護電池,對于舊的,電池損壞不嚴重的也有效果,但性能提升有限.有興趣聯系daoxuemian@126.com或者(0)13584895855幸先生