鉛酸電池的不平衡問題分析
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750萬輛,其中有90%以上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.究其原因有兩個(gè):1 充電方式不對(duì),2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,假如經(jīng)常以超過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,這種方式很少有整車廠采用;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,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(chǎng)魚龍混雜,目前有部分整車廠家采用.
二是內(nèi)阻大,電解液為水熔性,充電過程中析氫和析氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量氫氣和氧氣,充電電流越大反應(yīng)越劇烈.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,提升充電器的性能,降低使用電流,大多數(shù)整車廠商未做任何針對(duì)性處理.
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,消費(fèi)者才能明顯感覺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充電和過放電對(duì)電池壽命的影響卻是一個(gè)很快體現(xiàn)的過程.
不管什么種類的充電電池,過充和過放都是嚴(yán)重?fù)p壞電池性能和壽命的,過充會(huì)引起極板損壞軟化,不導(dǎo)電的氧化鉛增加,析氫和析氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)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(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串聯(lián)充電器,即“恒流—恒壓—浮充”,一開始沒有檢測(cè)各節(jié)電池電壓,沒有根據(jù)電壓判斷是否已經(jīng)有電池過放,也沒有先以小電流進(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充電和過放電會(huì)很嚴(yán)重的損壞電池.
在充電電池的生產(chǎn)過程中,不論工藝控制有多嚴(yán)格和標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)出來的電池在諸多指標(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別.在消費(fèi)者使用過程中,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;再加上失水和硫化程度的不一致,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端電壓差已經(jīng)擴(kuò)大到700mV左右,如果配組不嚴(yán)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(duì)頭,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)電池端電壓不一樣,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)重過放電,再次充電時(shí)又沒有進(jìn)行小電流的保護(hù)性充電,直接大電流充電導(dǎo)致隔膜鼓脹.
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^充電和過放電的長(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.
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(xiàn)在市場(chǎng)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(lián)充電,充電器輸出電流等于三倍的普通串聯(lián)充電器,這種方式最不科學(xué),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(shí)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氣體泄露,長(zhǎng)時(shí)間這樣充電,電池將被充壞,優(yōu)點(diǎn)是每次基本每個(gè)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(gè)變壓器,所有功率均通過同一組初級(jí)線圈傳輸,只不過次級(jí)多引出幾組線圈,市場(chǎng)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(gè)電池的荷電狀態(tài)調(diào)整,此種情況下會(huì)有個(gè)別電池過充電或者欠充發(fā)生,但是因?yàn)檫^充電和欠充電幅度不一定很大,相比第一種方式要好,實(shí)際上和串聯(lián)充電器的效果相比沒有太大的優(yōu)勢(shì).
3 并充充電器B類型,此種充電器有幾節(jié)電池就有幾個(gè)變壓器,并且每個(gè)變壓器都是獨(dú)立的控制,就好比直接將三個(gè)完全獨(dú)立的充電器做在一個(gè)盒子里,每個(gè)充電器獨(dú)立根據(jù)本節(jié)電池的荷電狀態(tài)控制,最好的符合了本節(jié)電池的曲線,屬于最好的解決平衡的方式,但缺點(diǎn)是代價(jià)比較高,這樣的充電器生產(chǎn)成本會(huì)在100元以上,因?yàn)閮r(jià)格原因大部分廠家不采用.
還有一種方式就是:串聯(lián)充電器+平衡電路,此種方式是由平衡電路對(duì)每節(jié)的充電電流進(jìn)行管理,衡量的指標(biāo)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(jià)低廉,在電池一致性差別不大的情況下最為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用,而且起到預(yù)防作用,缺點(diǎn)是平衡能力有限,當(dāng)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(chǎn)品屬于最新專利產(chǎn)品(見附件的照片),體積小25.5mm*21.5mm*4mm便于安裝,價(jià)格低廉(初步定位為22元),可以使串聯(lián)工作的三串和四串電池在串聯(lián)充電串聯(lián)放電的情況下每節(jié)電芯電壓差最大在15mV以內(nèi),徹底避免了不平衡導(dǎo)致的過充和過放對(duì)電池的損壞,有效保護(hù)電池,延長(zhǎng)電池壽命3到6個(gè)月.
產(chǎn)品的圖片見附件(樣品外型不太好看,我們會(huì)考慮外型的),具體安裝方式以三串(36V)為例,將產(chǎn)品的四根線按照從最負(fù)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(chǎn)品主要性能指標(biāo):全程均衡,只要有不平衡就一直工作,直到誤差在15mV之內(nèi)為止,不工作時(shí)靜態(tài)功耗250uA,平衡能力每天0.5AH,工作時(shí)溫升15度以內(nèi),安全可靠無故障.      
對(duì)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(hù)電池,對(duì)于舊的,電池?fù)p壞不嚴(yán)重的也有效果,但性能提升有限.有興趣聯(lián)系daoxuemian@126.com或者(0)13584895855幸先生