深圳市維迪澳電子有限公司 許鳳山(518110)
澳大利亞電池技術(shù)股份有限公司 趙鐵良(100089)
澳大利亞電池技術(shù)股份有限公司上海辦事處代表 趙鐵良
摘要:通過電動自行車使用的閥控密封式鉛酸蓄電池主要的失效分析,探討了降低電池失效率采取一些有效的方法,實(shí)現(xiàn)電動自行車鉛酸蓄電池保用2年的夢想.
前言
對于電動自行車來說,發(fā)展勢頭異常迅猛.幾乎沒有那個產(chǎn)品的發(fā)展速度能夠趕上電動自行車的發(fā)展.與其他產(chǎn)品不同的是近幾年每年的實(shí)際產(chǎn)量都超過社會保有量.所以新增用戶多于老用戶.這樣,用戶多數(shù)處于“幼稚狀態(tài)”.所以,很多用戶也比較關(guān)心車的外形和速度等等性能.經(jīng)過用戶數(shù)年的使用,發(fā)現(xiàn)電池問題是購買電動自行車以后最大的消費(fèi).這樣,由關(guān)心電動自行車的外形、速度開始逐步的轉(zhuǎn)向關(guān)心電池的壽命.并且最大的用戶抱怨也是對電池的壽命不滿.因此,提高電池壽命的問題也越來越重要.特別是電摩的出現(xiàn)和發(fā)展,這種沒有身份的車正如預(yù)期的那樣,電池僅僅維持3到6個月的壽命,這樣,電池壽命問題幾乎稱為這個車種的死結(jié).多種多樣的“長壽命電池”,延長電池壽命的充電器層出不窮.但是,幾乎都沒有達(dá)到預(yù)期效果.一些電池制造商曾經(jīng)不斷的突破保用時間,但是,基本上以失敗而告終,甚至一些電池制造商損失慘重,逐步淡出電動自行車配件供應(yīng)商的行列.人們似乎對此已經(jīng)開始喪失信心,認(rèn)為電動自行車的電池壽命也就是一年而已,再探討延長電池壽命是徒勞無益的.而一些后來者仍然看到其巨大的市場商機(jī),不惜繼續(xù)打出招牌,突出的就是提出電摩電池的壽命也保用一年的做法.而凡是當(dāng)時提出電摩電池保用一年的電池供應(yīng)商無一不食言.因?yàn)殡娔﹄姵乇Ｓ靡荒?幾乎等于買一組電池最少要賠一組電池.無論那個電池制造商也無法承擔(dān)這樣的重負(fù).這樣,電池保用15個月、保用18個月的說法在本屆上海國際自行車展中銷聲匿跡了.電池保用2年,幾乎成為業(yè)界可望不可及的夢想.一些車廠干脆就說,即便電池能夠使用2年,也應(yīng)該保用一年,以次來掩飾電池壽命不理想這樣個無可奈何的現(xiàn)實(shí).這樣,又為電池壽命的發(fā)展制造理論障礙.其實(shí),無論電池保用一年還是二年,降低電池的用戶費(fèi)用消耗,始終應(yīng)該是車廠孜孜以求的目標(biāo).
那么如何提高電池的壽命,如何改進(jìn)電池的的使用環(huán)境等等問題都是大家非常失望又關(guān)心的問題.為了弄清楚延長電池壽命的途徑,首先就要弄清楚電池的失效機(jī)理,以便對癥下藥.
一 電動自行車電池的失效現(xiàn)象和原因
與其它鉛酸蓄電池的使用環(huán)境不同,電動自行車電池的失效原因有其特殊性.電動自行車的電池的循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多后備電源類的電池.例如,原郵電部[1994]763號電信網(wǎng)維護(hù)規(guī)程的規(guī)定,每年應(yīng)以實(shí)際負(fù)荷做一次核對性放電試驗(yàn),放出容量的30%~40%.每3年做一次容量試驗(yàn),到使用6年以后,每年做一次容量試驗(yàn).這樣,電信的電池如果不是頻繁的出現(xiàn)停電,電池很少處于放電狀態(tài).假定每年遇到4次停電,這樣,在10年間電池放電也就是40次,所以電池的深循環(huán)壽命定為80次.同時,電信系統(tǒng)的電池放電深度也就是按照30%~40%.而電動自行車使用的電池依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),電池的壽命應(yīng)該是按照70%標(biāo)稱容量的放電要達(dá)到350次.這樣,電動自行車電池的放電深度和循環(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電信系統(tǒng)的電池要求.另外,電動自行車電池要求在8小時以內(nèi)完成充電.這樣,不得不提高充電的電壓值,超過了電池的大量析氣電壓2.42V而形成了較塊速度的失水.而電信系統(tǒng)的電池是完全沒有這樣高的充電電壓的.同時,電動自行車電池的放電電流很大,就是巡航期間的放電電流也接近于0.5C放電,啟動的時候,放電電流會超過1C放電的.這樣,也在影響電池的使用壽命.由于電池特性的特殊要求,我們看到一些可以給核電站供應(yīng)鉛酸蓄電池的制造商也沒有步入電動自行車電池供應(yīng)商的行列.一些規(guī)?？捎^的電池制造商也逐步退出了電動自行車電池供應(yīng)商的行列.而給電動自行車供貨的電池制造商除了沈陽松下以外,就沒有幾個成規(guī)模的電池制造商.雖然沈陽松下供應(yīng)的電池的初期容量相對最低,按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn),其容量在合格與不合格之間,但是,其壽命相對比較長.
這樣,電動自行車使用的電池的性能要求與傳統(tǒng)的密封電池不同,失效模式與傳統(tǒng)的電池失效模式存在很大的差異.出現(xiàn)了一些過去少見的失效模式和失效比例.
一個主要的區(qū)別是放電率的差異.普通的閥控密封式鉛酸蓄電池的放電率多數(shù)是以10小時率或者20小時率來制定的,而電動自行車的電池都是以2小時率或者3小時率來制定的,這與電池的實(shí)際使用情況大體相當(dāng).所以,在供應(yīng)電動自行車電池的初期,電池容量是最大的問題.為了提高電池的容量,各個電池制造商采取了多種方法.以大量使用的10Ah電池為例,最典型的方法如下:
1、 增加極板數(shù)量.
把原設(shè)計(jì)的單格5片6片改為6片7片,7片8片,甚至8片9片.*減薄極板厚度和隔板,增加極板數(shù)量來提高電池容量.
2、 提高電池的硫酸比重.
原來浮充電池的硫酸比重一般都在1.21~1.28之間,而電動自行車的電池的硫酸比重一般都在1.36~1.38左右.只有極少數(shù)的采用1.32的比重.
3、 增加正極板活性物質(zhì)用量.
4、 低溫固化,增加β氧化鉛的比例.
一般密封電池為了實(shí)現(xiàn)氧循環(huán),都要求做好負(fù)極過度.增加正極板活性物質(zhì)用量,可以提高電池的容量,是以降低氧循環(huán)為代價的.
通過這些主要措施,電池的初期容量滿足了電動自行車的容量要求,特別是改善了電池的大電流放電的特性,延長了電池大電流放電的壽命.但是,這些措施也制約著電池壽命.
首先,電池的失效模式與電信使用的浮充電池的失效模式差別很大.電池失水上升到第一位.
產(chǎn)生電池失水的一些原因主要如下:
1、 為了滿足電池在8小時以內(nèi)充滿電,所以在三段式恒壓限流充電中,不得不通過恒壓值,達(dá)到折合單格電池電壓為2.47V~2.49V.這樣,大大超過電池正極板析氧電壓的2.35V和負(fù)極板析氫電壓的2.42V.一些充電器制造商的產(chǎn)品為了降低充電時間的指示,提高了恒壓轉(zhuǎn)浮充的電流,而使得充電指示充滿電以后,還沒有充滿電,就*提高浮充電壓來彌補(bǔ).這樣,很多充電器的浮充電壓超過單格電壓2.35V,這樣在浮充階段還在大量析氧.而電池的氧循環(huán)又不好,這樣在浮充階段也在不斷的排氣.
2、 一些電池制造商沒有找到好的板柵合金,仍然采用低銻合金,這樣,比鉛鈣系列的板柵合金析氣電位低,電池出氣量大,失水相對嚴(yán)重.
3、 增加極板和增加正極板活性物質(zhì)用量以后,負(fù)極過渡不足,氧循環(huán)下降,充電過程中正極板的氧氣來不及被負(fù)極板吸收,而產(chǎn)生失水.
4、 一些電池的開閥壓偏低,容易排氣,同時電池內(nèi)部的氧分壓低,降低了氧循環(huán)能力,增加了析氣量.
5、 由于電池的硫酸比重相對高了很多,所以,電池的硫化也相對嚴(yán)重.電池放電以后到第二天充電以前,硫酸比重高的電池的硫化明顯.這樣,更加降低了負(fù)極板氧循環(huán)的能力.而失水以后的電池,失去的主要是水,留下了硫酸的成分,相當(dāng)于進(jìn)一步提高了硫酸的比重,這樣就使電池更加容易硫化.所以,電池的硫化加重了失水,失水又加重了硫化.
為了克服電池的失水,一些電池制造商采取了不少措施.
在板柵合金方面,一些電池制造商采用了多種方式,去掉了低銻合金而采用鉛鈣錫鋁合金.提高了電池析氣電壓.同時,緩解了鉛鈣合金的析鈣問題,克服了鉛鈣合金的早期容量損失的意外容量下降.同時,還要解決大電流放電特性下降的問題.
令人遺憾的是,山東某電池制造商采用軍工技術(shù),做出了銅網(wǎng)電池,試驗(yàn)結(jié)果證明,其各項(xiàng)參數(shù)都非常優(yōu)秀,但是,可能因?yàn)槌杀締栴},沒有見到他們大批量生產(chǎn)和推廣.
一些電池制造商改進(jìn)了電池塑料模具的結(jié)構(gòu)尺寸,增加了電池的開閥壓,降低了電池開閥壓的離散性,改善了氧循環(huán).
最重要的一個進(jìn)步就是采用抗失水的膠體電池結(jié)構(gòu),大大的改善了氧循環(huán).同時,也出現(xiàn)了膠體電池容易熱失控的故障.
為了緩解電池的失水和熱失控,一些電池制造商要求充電器制造商降低恒壓值.但是,簡單的降低恒壓值,沒有降低恒壓轉(zhuǎn)浮充的電流,電池難免發(fā)生欠充電累積,形成電池容量下降.
有創(chuàng)意的是一些電池制造商面臨著電池失水,采取了一些措施,在全國設(shè)立了補(bǔ)水站,電池也為補(bǔ)水改進(jìn)了結(jié)構(gòu).利用修舊利舊,使平均8個月的電池壽命延長到平均13個月.
為了改善膠體電池的熱失控,最近市場上開始見到一些“半膠體電池”,就是在灌酸的后期,在電池上面再增加膠體.這樣,相當(dāng)于給普通的AGM隔板電池增加了一層彈性的氣密隔離,增加了隔板之間的氣體壓力,改善了氧循環(huán).同時,比膠體電池的局部壓力小,平均壓力不小.這樣克服了局部高氣壓,緩解了氧循環(huán)產(chǎn)生局部高熱.其結(jié)果是:氧循環(huán)好于普通AGM隔板電池,熱失控低于膠體電池,而材料成本也低于膠體電池.
其次是電池的硫化問題.
在解剖失效電池中,單純硫化失效的電池不是很多,但是,幾乎所有的電池都不同程度的存在著硫化.一些電池在做70%的1C充電和60%的2C放電中,由于采用連續(xù)大電流循環(huán),破壞了電池生成大硫酸鉛結(jié)晶的條件,所以可能看不到硫化對電池的破壞.如果試驗(yàn)中途停頓,電池硫化的問題就會顯現(xiàn).由于電池重量大,一些用戶經(jīng)常采取電池經(jīng)過多次使用放完電才再次充電,這樣電池放電以后沒有及時充電,電池的硫化就比較嚴(yán)重.另外,電池的硫酸比重比較高,也是硫化的重要因素.而電池的硫化,破壞了負(fù)極板氧循環(huán)的能力,形成更加容易失水.這樣,電池的硫酸比重更加高,導(dǎo)致更加容易硫化.所以,電池硫化的程度可能不同,但是對電池的壽命影響也是不可忽略的.
第三是漏酸問題.
在電池密封和排氣閥沒有問題的時候,也會出現(xiàn)漏液.很多電池在灌酸以后,電池處于富液狀態(tài),電池沒有氧循環(huán).*電池處于開口狀態(tài)的三充二放把多于的電解液排出.硫酸比重再次提高.在蓋排氣閥的時候,電解液沒有吸光,還存在游離酸.即時把游離酸吸光,電池還是處在“準(zhǔn)貧液”狀態(tài).隔板中的電解液相對要多一些.而隔板中稍多的電解液影響氧循環(huán),這樣,對新電池進(jìn)行充電的時候,排氣量比較大,代出的硫酸比較多.形成“漏酸”.而膠體電池前50~100個循環(huán),電池處于富液到貧液的轉(zhuǎn)換期,排氣比較嚴(yán)重,排氣代出膠體微粒形成了“漏酸”.
第四是正極板軟化問題.
正極板活性物質(zhì)的有效成分是氧化鉛,氧化鉛分α-PbO2和β-PbO2,其中,α-PbO2是活性物質(zhì)的骨架,容量比較小;β-PbO2依附α-PbO2構(gòu)成的骨架上面,其荷電能力比α-PbO2強(qiáng)很多.氧化鉛放電放電以后輸出硫酸鉛,充電時硫酸鉛生產(chǎn)氧化鉛.而充電的時候,在強(qiáng)酸環(huán)境中只能夠生成β-PbO2.所以電池深放電以后,一旦具有骨架作用的α-PbO2參與放電生成硫酸鉛以后,就再也不能夠恢復(fù)成為α-PbO2,而充電只能生成β-PbO2.正極板軟化就出現(xiàn)了.正極板一旦出現(xiàn)軟化,起到支持作用的多孔結(jié)構(gòu)被破壞了,正極板的多孔被電池極板的壓力壓實(shí)了,就降低了參與反應(yīng)的真實(shí)面積,電池容量就下降了.這樣,防止過放電就是控制正極板軟化的重要措施.而這個*的是控制器的欠壓保護(hù).如果欠壓保護(hù)電壓過低,電池就會出現(xiàn)過放電,一些α-PbO2參與放電,就會出現(xiàn)正極板軟化.
放電的時候,如果連續(xù)放電電流比較大,深層的β-PbO2來不及參與放電反應(yīng),外層的α-PbO2就要參與放電反應(yīng),這樣,也會形成正極板軟化.所以控制器中的限流參數(shù)也浮充重要.電摩的放電電流相對比較大,差不多在1C左右放電,加上放電深度相對比較深,所以非常容易產(chǎn)生正極板軟化.
每次放電,或多或少的總要有一點(diǎn)點(diǎn)α-PbO2參與反應(yīng).所以,一個正常使用的電池,在不失水也不硫化,也沒有過放電的情況下,電池的壽命就取決于正極板軟化.
第五就是電池均衡問題.
電池不均衡主要有2中表現(xiàn)形式,其一是某單只電池容量低,其二是電池荷電容量低.第二種情況是說該電池的容量并不抵,但是該電池沒有充慢電.第一種情況是該電池放電的時候,提前反應(yīng)電壓下降的快,充電的時候電壓上升也快.第二種情況是充電荷放電電池的電壓都低.
其縮短電池壽命的原因如下:
1、 充電時電壓高的電池會增加失水,電壓低的電池會欠充電;
2、 放電的時候,電壓低的會出現(xiàn)過放電,形成電池正極板軟化.
這樣,容量低的電池在每次放電的時候放電深度比其他電池深度深,所以正極板軟化的快.二充電電壓高的失水,充電電壓低的欠充電.如果一只電池荷電少,就存在充電少,放電深的問題.這樣該電池就會同時產(chǎn)生正極板軟化荷硫化的問題.
產(chǎn)生電池不均衡的原因如下:
1、 對串連電池組的組配不好,存在著容量差和開路電壓差,這是原始就有誤差的問題;
2、 電池開閥壓有差別,失水不同,形成后天電池的容量差;
3、 電池的自放電不同,逐步形成荷電容量的差異;
4、 失水不同,形成電池實(shí)際的硫酸比重不同,形成開路電壓差;
5、 電池壽命差,在后期反應(yīng)一只電池容量下降,影響其他電池的正常狀態(tài).
要改進(jìn)電池的不均衡問題,首先就要改善電池在制造期間的工藝一致性問題.這也是國內(nèi)多數(shù)電池制造商的主要問題.例如,最好的電池制造商的板柵是采用壓鑄的,而國內(nèi)相當(dāng)多的電池制造商連鑄板機(jī)都沒有,還是手工澆鑄.
第六是熱失控.
密封電池的最基本原理之一就是正極板析氧以后,氧氣直接到負(fù)極板,被負(fù)極板吸收而還原為水,考核電池這個技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)叫做“密封反應(yīng)效率”,這種現(xiàn)象叫做“氧循環(huán)”.這樣,電池的失水很少,實(shí)現(xiàn)了“免維護(hù)”,就是免加水.為此,都要求負(fù)極板容量做的比正極板容量大一些,叫做負(fù)極過渡.
電池在充入電量達(dá)到70%以后,電池的極化電壓相對比較高,充電的副反應(yīng)開始逐步增加.電解水開始了.在充電的單格電壓達(dá)到2.35V以后,首先正極板析氧,在達(dá)到2.42V以后,負(fù)極板開始析氫.這時候充電的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能減少,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娊馑哪芰吭黾?充電過程的是否析氣取決于充電電壓,析氣量取決于達(dá)到析氣電壓以后的充電電流.所以,在充電過程中,充電電壓在進(jìn)入恒壓以后,電壓開始接近于最高,充電電流也保持限流值.這時候析氣量最大.在進(jìn)入恒壓以后,充電電流應(yīng)該逐步下降,析氣量也應(yīng)該逐步下降.
充電本身是放熱反應(yīng),一般電池的熱設(shè)計(jì)是可以控制溫升的.在電池大量析氣以后,氧氣在負(fù)極板復(fù)合為水,發(fā)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電時的發(fā)熱.密封電池希望負(fù)極板具有良好的氧循環(huán)能力,但是,氧循環(huán)也會產(chǎn)生發(fā)熱.所以,氧循環(huán)是一把雙刃劍,好處是減少了水損失,壞處是電池會發(fā)熱.
如果電池發(fā)熱,在恒壓充電的條件下,氧循環(huán)電流也參與了充電電流,所以充電電流下降速率下降.而電池發(fā)熱,會引起充電電流下降速率降低,甚至?xí)痣娏鞣瓷?而充電電流在電池發(fā)熱的作用下,一旦電流反升,又增加了發(fā)熱.這樣,充電電流一直會上升到限流值.電池發(fā)高熱,并且積累熱,一直到電池外殼發(fā)生熱軟化變形.而電池的熱變形時,內(nèi)部氣壓高,所以呈現(xiàn)電池時鼓脹的.這就是電池?zé)崾Э囟鴵p壞電池.電池一旦出現(xiàn)嚴(yán)重鼓脹,漏酸和漏氣的問題也出現(xiàn)了,電池會出現(xiàn)急性失效.
誘發(fā)電池鼓脹的原因有很多.如果充電電壓高,析氣量大,會產(chǎn)生熱失控.如果某一組電池或者某一個單格電池發(fā)生嚴(yán)重落后,而充電的恒壓值不變,其他的單格電池也會出現(xiàn)充電電壓相對過高,也會產(chǎn)生熱失控問題.
第七是電池異常故障
為了增加電池的容量,目前電動自行車電池的隔板相對比其他電池的隔板薄一些,負(fù)極板的硫酸鉛結(jié)晶長大,充電以后出現(xiàn)少量硫酸鉛遺留在隔板中,遺留在隔板中的硫酸鉛一旦被還原稱為鉛,積累多了,電池就會出現(xiàn)微短路.這種現(xiàn)象叫做“鉛枝搭橋”.產(chǎn)生這種微短路,輕的產(chǎn)生該單格電壓落后,嚴(yán)重的時候會出現(xiàn)單格短路.這種現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)在膠體電池中,在普通的AGM電池中也會出現(xiàn).一旦出現(xiàn)電池的單格嚴(yán)重落后,電池還很容易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象.
還有就是極群組裝虛焊問題.容易產(chǎn)生虛焊的地方是極板.而每個電池的單格有15片極板,就是15個焊點(diǎn),一個電池有6個單格,就有90個焊點(diǎn),一組電池由3個電池組成,就要270個焊點(diǎn).如果一個焊點(diǎn)存在虛焊,該單格容量就下降,進(jìn)而該單格形成電池落后,形成整個電池都落后,電池就會形成嚴(yán)重的不均衡.就會使改組電池提前失效.如果虛焊率達(dá)到萬分之一,平均每37組電池就有一組電池存在這虛焊,這是絕對不能夠允許的.而鉛鈣合金的電池,在焊接的時候會析出鈣而掩蓋虛焊問題,這樣,很多電池制造商寧愿還采用低銻合金的板柵而沒有采用簡單的鉛鈣合金.
二、延長電池使用壽命的一些方法
延長電池的使用壽命需要采用一系列整體的措施.
首先是需要對車的處理.
首先,整車行駛時的電流對電池壽命至關(guān)重要.如電摩的電池,放電電流經(jīng)常接近1C,甚至超過1C,這樣的電池壽命難以達(dá)到很長.
可能一些電池制造商都進(jìn)行過1C充電70%,2C放電60%的循環(huán)壽命試驗(yàn).經(jīng)過這樣的壽命試驗(yàn),電池壽命達(dá)到350次的電池很多,但是使用在電摩上的效果相差甚遠(yuǎn).其原因是多種多樣的,一個最關(guān)鍵的原因是,電摩每次放電的深度可能要超過60%;另外就是放電以后,并不能夠在30分鐘以內(nèi)進(jìn)行充電,電池存在這硫化.這就是電摩電池與試驗(yàn)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)的主要原因.
所謂簡易型的車的電池壽命相對來說比較長,其實(shí)就是車輪直徑大,車重輕,電池負(fù)擔(dān)輕.而一些車采用了無刷電機(jī)或者高速電機(jī),其電流更小.這樣的車的20公里時速巡航時的電流也就是4A左右,這種車的壽命相對比較長.而一些車的車輪直徑小,電機(jī)效率沒有做上來,*增加電流來保證車速,特別是一些輕摩化的車,車重增加到50kg以上,行駛的電流增加很大,在20公里巡航時的電流接近6A甚至更大.這樣影響的不僅僅時續(xù)行能力,而且在同樣續(xù)行要求下電池放電深度增加了50%,電池也是容易在深放電的條件下運(yùn)行,電池壽命自然要短.所以車重對續(xù)行能力有影響,對電池壽命影響很大.
另一個問題據(jù)說限速問題.大多數(shù)車的控制器都留了一個線損插頭,并且很多經(jīng)銷商以去掉限速來招攬顧客.一些車廠干脆就去掉限速出廠.這樣的車的電流也過大,導(dǎo)致電池壽命下降.
一些車廠采用的控制器問題很多.就維修車來說,奇怪的是很多車的欠壓保護(hù)電壓都等于31.5V.這樣,每次車顯示欠壓的時候,電池已經(jīng)過放電.其實(shí),在電池電壓低于32V以后一直到27V,所增加的續(xù)行能力不到2公里,而對電池的損傷缺少非常大的,多數(shù)出現(xiàn)容量下降5%左右.只要出現(xiàn)這樣的情況10次,電池的容量多數(shù)都低于標(biāo)準(zhǔn)要求的70%標(biāo)稱容量.另外,一些用戶發(fā)現(xiàn)電池在欠壓以后,過10分鐘,電池又不欠壓了,就又采取給電行駛,這對電池破壞更大.而大多數(shù)車的說明書沒有給用戶以警示.
另外,欠壓保護(hù)采取什么電壓為好?目前多數(shù)車采用的是32V±0.5V.應(yīng)該看到,多數(shù)電池在放電到31.5V的時候,由于電池存在容量差,此時往往會有一個電池電壓低于10.5V,該電池處于過放電狀態(tài).而其他電池還沒有達(dá)到11V.這時候,過放電的電池容量急劇下降,對電池的損傷影響的不僅僅是該單只電池,而且會影響整組電池的壽命.所以我建議:對于標(biāo)稱36V的欠壓保護(hù)應(yīng)該選32.5V±0.5V, 對于標(biāo)稱24V的欠壓保護(hù)應(yīng)該設(shè)在21.5V~22V,對于標(biāo)稱48V的應(yīng)該設(shè)在44V~45V.這樣的電壓對續(xù)行能力僅僅少不到1公里,但是對電池的壽命的影響很好.
目前多數(shù)控制器內(nèi)部都有可調(diào)的電位器,而這個可調(diào)的電位器的振動漂移是比較嚴(yán)重的.在價格競爭中,幾乎沒有一個產(chǎn)品采用抗振動的精密多圈電位器,這樣的控制器發(fā)生振動后漂移也不奇怪.最近,看到一種全部采用SMD(貼片)元件的控制器,并且在出廠以前采用固定電阻來調(diào)試,并且采取環(huán)氧樹脂灌封的控制器,該控制器的可*性非常高,可是價格沒有明顯的增加,這樣的控制器的結(jié)構(gòu)可以保證不會出現(xiàn)任何漂移.所以采用這樣的結(jié)構(gòu),對延長電池壽命也非常有好處.
網(wǎng)友可以參看日本的車,輪徑大,輕便,幾乎沒有一個多余的裝飾件.我最近刻意在JSX那里調(diào)查用戶需求,一些買第二臺車的用戶確實(shí)是在偏愛輕便型的車.可見隨著用戶的逐漸成熟,買笨拙車的用戶將會下降.
其次是電池質(zhì)量問題.
就電池來說,業(yè)界公認(rèn)壽命最長的是沈陽松下電池.松下電池的特點(diǎn)是什么?為什么都在中國大陸,其他企業(yè)無法完成這樣的電池,唯獨(dú)有松下電池獨(dú)步天下?
我國目前的電池的結(jié)構(gòu),包括松下電池在內(nèi),基本上是適合淺循環(huán)的浮充電池發(fā)展而來的.其結(jié)構(gòu)上沒有按照深循環(huán)的規(guī)律要求去改造.而淺循環(huán)電池的深循環(huán)壽命做到80次循環(huán)就綽綽有余了,而市場希望電動自行車的電池能夠做到800次深循環(huán)才好.可是目前電池的結(jié)構(gòu)已經(jīng)決定了,這個目標(biāo)是難以達(dá)到的.為了適應(yīng)深循環(huán),國內(nèi)對電池做了適應(yīng)性的改動.這些改動是:
1、 為了提高電池的容量,同時適合大電流放電,采用了增加極板的發(fā)生.例如,松下電池堅(jiān)持采用11片極板,而國內(nèi)多數(shù)企業(yè)采用15片極板,甚至有的企業(yè)采用17片極板.這樣,極板,隔板都減薄了.正極板的活性物質(zhì)用量增加了,電池的初期容量上去了,大電流特性改善了,但是負(fù)極過渡減少了,氧循環(huán)變差了,失水增加了.
2、 提高電解液的比重也有利于增加電池的初期容量,但是,硫化和正極板軟化也增加了,也影響電池的壽命.
3、 隔板減薄了,硫酸的貯存減少了,失水導(dǎo)致電池失效的概率增加了,同時,電池的微短路和鉛枝搭橋的概率增加了.
松下電池沒有完全按照這個方法改動,其硫酸比重依然是按照1.28來做的,其極板仍然采用11片(最近發(fā)展為13片),其固化溫度也沒有降低到50℃,正極板活性物質(zhì)用量也沒有大幅度的增加.該電池的初期容量也僅僅是合格而已,不像國產(chǎn)其他電池那樣,做的比標(biāo)稱值大10%~25%.在我測量的電池中,甚至有5A放電接近170分鐘的,這樣的電池的容量高達(dá)14Ah,比標(biāo)稱值增加了40%,測量這個電池的密封反應(yīng)效率不合格.也就是說,該電池失水會更加嚴(yán)重.而松下電池的初期容量按照電動自行車的行標(biāo)來說在合格和不合格之間,新型電池也就是剛剛合格而已.但是壽命可以做到很長.
產(chǎn)生這個問題的原因就是很多車廠沒有對電池的壽命開展試驗(yàn).我看過很多車廠,對電池唯一的檢驗(yàn)方法就是裝車以后跑圈.這樣的檢驗(yàn)方法其實(shí)就是檢驗(yàn)了電池的初期壽命而已,對電池的壽命是完全沒有考核的.那么,如果真的按照松下電池那樣完成了長壽命的設(shè)計(jì),也會因?yàn)檐噺S采用跑圈的電池檢驗(yàn)方法而被淘汰的.對此,應(yīng)該說行協(xié)在發(fā)展電動自行車初期搞的三屆里程賽推動了電池有浮充型向動力型的改善,但是留下的副作用為害到今天.今天,針對消費(fèi)者的投訴情況,似乎應(yīng)該開展電池深循環(huán)壽命競賽了.而這個競賽的方法應(yīng)該是市場抽樣計(jì)成績,送樣的計(jì)壽命,不計(jì)成績.
不少電池在單體測試中,可以獲得比較好的結(jié)果,但是,對于串連電池組來說,其壽命明顯下降.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的重要原因就是串連電池組的配組問題.所以在電池質(zhì)量中一個非常重要的問題.電池配組一般應(yīng)該注意的是:
1、 電池工藝狀態(tài)的配組;
電池的工藝狀態(tài)不同,電池的失效模式也不相同.多數(shù)電池制造商沒有人工氣候調(diào)整條件,生產(chǎn)的工藝也要不斷的調(diào)整,失效模式也略有差異.而這個差異將在串連電池組中被擴(kuò)大,最終形成提前失效.
2、 電池容量的配組;
3、 電池開路電壓的配組;
4、 電池荷電狀態(tài)的配組.
第三,充電器問題.
業(yè)界廣為流傳的一句話就是:電池不是用壞的,是充壞的.發(fā)生這種現(xiàn)象的第一個重要原因就是消費(fèi)類產(chǎn)品價格因素的制約;第二個的原因就是從事電化學(xué)的和從事電子學(xué)的缺少溝通;第三個原因是缺少從電化學(xué)和電子學(xué)聯(lián)合的失效分析;第四個原因是對用戶的使用情況和要求分析不足.
我曾經(jīng)向一些從事電化學(xué)的同行問過,如果說電池是充壞的,為了避免充壞,能否提出一個好的充電模式來,即能夠保證電池的壽命,又能夠滿足用戶的要求,電子工程師是可以實(shí)現(xiàn)任何充電模式的.就充電的恒壓值問題,我就多次問過從事電化學(xué)行業(yè)的同事,他們眾說紛紜,始終搖擺不定.例如,恒壓值高了,保證了充電時間,但是犧牲的是失水和熱失控.恒壓值低了,充電時間和充入電量又難以保證.所以,我認(rèn)為,不僅僅是充電器沒有做好,而是還不知道如何做好.
還有一些現(xiàn)象,掩蓋了真相.例如,多數(shù)電池制造商和充電器都說車廠因?yàn)閮r格因素不接受好的但是可以保證電池壽命的充電器.應(yīng)該承認(rèn),這是大多數(shù)小企業(yè)是如此,但是,有發(fā)展的、規(guī)模性企業(yè)確實(shí)在出高價也買不到好的充電器.一些充電器制造商把某寫功能夸大,成品的功效沒有其宣傳的那樣好.還有不少功能是屬于賣概念的功能,實(shí)效有限.
那么如何在電池和車都保證的條件下,如何提高充電器的功能,確保電池的壽命呢?基本方法如下.
首先就是充電的最高充電電壓或者恒壓值要降下來.
降低充電最高電壓的意義在于:
——降低失水;
——減少大量析氣對正極板的沖刷,緩解正極板軟化;
——保持電解液的硫酸比重不再提高,緩解電池硫化.
實(shí)現(xiàn)最高充電電壓工作在大量析氧,但是沒有大量析氫的狀態(tài).在改善電池的電池板柵合金、提高析氣電位、改善氧循環(huán)性能,提高密封反應(yīng)效率的基礎(chǔ)上,控制充電最高充電電壓在2.42V以下,也就是在析氫電位以下.這樣做必然會導(dǎo)致充電時間的延長,這就必須在大電流充電(限流充電)的狀態(tài)下,加入去極化的負(fù)脈沖,改善電池的充電接受能力,在大電流充電的時候多充入一些電量,縮短補(bǔ)足充電時間.
其次,需要對最高充電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償.
溫度補(bǔ)充償?shù)囊饬x在于:
——解決電池夏季過充電、冬季欠充電的矛盾;
——緩解電池在高溫環(huán)境中的熱失控?fù)p壞.
到目前為止,看到一些采用模擬的方法實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)充的充電器普遍存在著模擬誤差較大的問題.同時,在充電器內(nèi)部模擬電池的溫度的差異比較大.可能在某個溫度的差異不大,但是在環(huán)境溫差變化比較大,在通風(fēng)狀態(tài)差異比較大的時候,就產(chǎn)生模擬狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差別過大的問題.所以,還是推薦采用測量電池溫度或者強(qiáng)制風(fēng)冷,數(shù)字化測量環(huán)境溫度的方法.
第三,采取抑制硫化的措施.
電池硫化的可能性在于:
——電池放電以后不能夠及時充電,再次期間形成稍大的硫酸鉛結(jié)晶.這種現(xiàn)象發(fā)生與所有的深放電的電池,并且在電池放電12小時以后就可以找到大硫酸鉛結(jié)晶;
——深循環(huán)電池的硫酸比重相對比較高,消除容易產(chǎn)生硫化的條件;
——負(fù)極過度的密封鉛酸蓄電池,在100%充電以后,還會有不少的硫酸鉛結(jié)晶沒有得到還原,形成了產(chǎn)生大硫酸鉛結(jié)晶的“晶種”,其他條件一旦具備,非常容易形成大的硫酸鉛結(jié)晶;
——正極板容量下降以后,負(fù)極板也不能夠完全還原,形成硫酸鉛結(jié)晶逐步長大的條件.
由此看見,任何深循環(huán)電池在正常使用中,是無法避免完全產(chǎn)生大的硫酸鉛結(jié)晶,也就是電池硫化的可能.而電池一旦出現(xiàn)硫化,不僅僅會使電池的負(fù)極板容量下降,也會加重失水和正極板軟化,對整個電池的壽命形成影響.
現(xiàn)在流行一種電池快速壽命測試方法,就是采用1C電流充入70%的電量,采用2C電流放出60%電量,來考核電池深循環(huán)壽命.70%的2C電流充電,是電池在充電接受能力比較大的時候,對電池采用大電流充電,對電池的損傷比較小.電池基本上沒有高于嚴(yán)重析氫電壓.一旦高于析氫電壓,電池也會快速的失水.這個試驗(yàn),必須采用連續(xù)充放電,如果數(shù)次中途停電幾天,電池也會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的硫化而提前失效.而用戶使用電池,是無法保證每次使用以后,都能夠及時充電的,一年以內(nèi)發(fā)生數(shù)次沒有及時充電的情況,電池的硫化就會積累,而積累的硫酸鉛結(jié)晶就會形成“晶種”而逐漸長大.
抑制和消除電池硫化的方法很多,其中,采用高電壓大電流充電,使大的硫酸鉛結(jié)晶產(chǎn)生負(fù)阻擊穿的方法來溶解的方法使快速消除硫化的便捷方法.試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),這種消除硫化的方法是可以獲得暫時的消除硫化的效果,但是,也會在消除硫化中帶來加重失水和正極板軟化的問題,對電池帶來壽命上的損傷.
比較好的方法還是采用快速的脈沖前沿的充放電脈沖,利用其高次諧波與大的硫酸鉛結(jié)晶諧振的方法,在充電過程中消除電池的硫化.利用這種方法來消除電池的硫化,做得最成功的就是美國PULSETHEC公司的設(shè)備.采用這種方法,可以在給電池充電得時候,合理得控制充電脈沖得前沿,利用其高次諧波成分與大得硫酸鉛結(jié)晶諧振而溶解大硫酸鉛結(jié)晶.另外就是在電池兩端接入脈沖發(fā)生器,在電池電壓沒有過放電的時候,對電池不斷地產(chǎn)生脈沖,其一可以具有溶解大硫酸鉛的條件,其二是脈沖擾動,破壞了大硫酸鉛繼續(xù)生長的條件,在電池電壓低于規(guī)定值的時候,自動停止工作,不會因?yàn)槊}沖發(fā)生器消耗的電流使電池過放電.
另外的一個方法就是周期性的采用10%~20%的過充電的方法,可以還原電池的深層硫化,防止結(jié)晶繼續(xù)生長.這是國際上在2000年以后開始流行的一種行之有效的方法,據(jù)資料介紹,可以延長深循環(huán)電池壽命達(dá)一倍以上.
對樣車跟蹤的數(shù)據(jù)證明,定期的對電池采取脈沖除硫化和微過充電消除硫化的方法是行之有效的方法.國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)具有脈沖修復(fù)和過充電修復(fù)功能的充電器,采用這種充電器,可以非常有效的消除電池的硫化.
第四,抑制熱失控的措施
對于膠體電池來說,就其特性來說,可以*良好的氧循環(huán)特性緩解電池的失水,然而,改善了電池的氧循環(huán)也是一把雙刃劍,其副作用就是氧循環(huán)產(chǎn)生的高熱量非常容易形成熱失控.而所有熱失控僅僅是在充電過程中產(chǎn)生的,所以充電器的選擇和定位更加重要.就我對膠體電池充電器的測試看,問題還不少.主要的問題是最高充電電壓過高,這在夏季非常誘發(fā)熱失控.就我看目前的膠體電池所選用的充電器還不能夠根絕或者基本上避免膠體電池的熱失控.
現(xiàn)在采取的方法有不少.其中一些方法和對其評價如下.
1、 降低充電的最高充電電壓,提高恒壓轉(zhuǎn)浮充的電流.
這樣的做法可以緩解熱失控,但是充入電量下降,非常容易形成由于欠充電形成的硫化,導(dǎo)致電池容量下降.
2、 給充電增加定時器.
有2種增加定時器的方法,其一是開始充電以后,對充電進(jìn)行定時,當(dāng)按照電池可以充滿電的時間,就關(guān)閉充電器.這樣的做法是寄希望于在8~10小時定時以內(nèi),電池的熱失控的熱積累不至于使電池的塑料外殼達(dá)到玻璃點(diǎn)溫度,也就是電池的外殼還沒有升到軟化的程度.如果對有熱失控前兆并且充滿電的電池再次充電,電池溫升已經(jīng)超過外殼玻璃點(diǎn)溫度,這種方法也可以緩解,但是不能夠避免.
其二,是在電池進(jìn)入恒壓狀態(tài)以后開始計(jì)時,計(jì)時的時間比開始就計(jì)時的時間短,但是,這樣的計(jì)時也最少需要4小時,對于完全充滿電并且有熱失控前兆的電池的溫升也有超過外殼玻璃點(diǎn)溫度的可能.
這2種方法可以大大緩解熱失控電池帶來的損失,但是,不能夠從根本上避免.
3、 給電池增加負(fù)脈沖,降低極板溫升.
不過,多數(shù)的負(fù)脈沖加的往往是僅僅具有降低負(fù)脈沖到來期間的充電電流的作用,沒有對電池進(jìn)行放電,
4、 在電氣控制方法中,最好的方法就是采取通過邏輯控制,使在恒壓充電以后,充電電流不能夠反升.這就切斷了熱失控反饋的環(huán)路,停止了電流增加所帶來的發(fā)熱提高的過程.
第五,抑制電池落后的方法
即便電池經(jīng)過嚴(yán)格的組配,但是眾多的原因還會導(dǎo)致串連電池組的電池差異.誘發(fā)電池落后的部分原因是:
——電池自放電的差異;
——排氣壓力的差異;
——生意硫酸比重的差異;
——失水的差異;
——制造工藝的差別.
電池在發(fā)生容量差異以后還會擴(kuò)大,導(dǎo)致加速容量下降.
解決電池落后的最好的方法是每組電池單獨(dú)充電.這里需要注意的每組充電恒壓值的差異.并聯(lián)充電是消除這種差異的好方法.但是,并聯(lián)充電給每只電池的充電電流會產(chǎn)生差異,所以充滿電的時間會有差異.作為維修是比較好的,作為正常充電,還需要在電流分配上采取適當(dāng)?shù)拇胧?
當(dāng)然,也可以采用小電流恒流充電,例如采用0.03C~0.05C電流充電,在這樣小電流長時間的充電過程中,達(dá)到高電壓的電池充入電量不多,副反應(yīng)到是比較強(qiáng)烈,充電電壓低的會逐步提升,這樣電池容量逐步接近與平衡.
三、電池的修復(fù)
電池的修復(fù)雖然沒有成為一個行業(yè),但是電池修復(fù)工作一直是存在的.不少電池制造商對保用期以內(nèi)的返退電池采取“修舊利舊”的發(fā)生,把通過維修的電池重新提供給用戶,以提高電池的有效使用壽命,降低報廢率,減少電池制造商的部分理索賠的損失.這些修復(fù)方法為:
1、 重新配組
電池返退以后,電池制造商重新進(jìn)行充放電檢驗(yàn),在檢驗(yàn)中往往會發(fā)現(xiàn)有50%以上的電池不符合返退條件的電池.其原因也就是在串連電池組中,個別的電池落后形成整組電池功能下降而引起整組返退.
2、 補(bǔ)水
鑒于部分電池制造商還是采用低銻合金的板柵,電池失水電平比較低,加上最高充電電壓高于析氫電壓,電池失水更加嚴(yán)重,形成了電池的第一位的失效原因.對此,一些電池制造商有意的改造了蓋板,并且在排氣閥下部設(shè)立了螺裝結(jié)構(gòu),為打開電池形成了方便條件,這樣,有電池制造商開展電池補(bǔ)水工作.對使用了半年的電池進(jìn)行一次補(bǔ)水,可以延長電池的使用壽命,延長時間平均達(dá)到3個月以上.應(yīng)該注意的是,每次補(bǔ)水以后,電池都利用處于過充電狀態(tài)把電池由“準(zhǔn)貧液”轉(zhuǎn)為“貧液”狀態(tài),而這個過充電對提高電池容量是有好處的.
3、 消除硫化
采用專門的設(shè)備,對電池進(jìn)行消除硫化的處理.這里主要有2種方法,其一就是高電壓大電流脈沖充電,通過負(fù)阻擊穿消除硫化.這種方法速度快,見效快,但是對電池的壽命影響比較大.另外的方法就是采用小電流頻率高達(dá)8KHz以上,利用大結(jié)晶諧振的方法來溶解,這種方法修復(fù)比較慢,修復(fù)效果也比較好,但是,修復(fù)時間比較長,往往在120小時以上.實(shí)際測試數(shù)據(jù)表明,對于補(bǔ)水以后沒有達(dá)到60%補(bǔ)充容量的電池進(jìn)行除硫處理,還有約2/3的電池可以達(dá)到60%以上的容量,甚至還有35%以上的電池的容量可以達(dá)到80%以上的容量.
4、 采取類似保護(hù)器、延生器類的脈沖發(fā)生器并聯(lián)在電池上,對電池進(jìn)行脈沖維修.
這種方法對修復(fù)電池比較慢,但是由于長年在維修,所以,如果沒有過放電,對于連續(xù)使用的電池來說,往往是徹底消除了電池硫化的可能性.
5、 綜合修復(fù)方法
如果對電池采用定期檢驗(yàn),及時除硫和補(bǔ)水,單只電池充電、重新配組.采取這些做法以后,電池的平均壽命會大大提高.定期檢修的意義比較大,不要等電池由于失水和硫化的影響,損傷正極板以后再修復(fù).這樣,可以大大延長電池的壽命.而一旦電池出現(xiàn)嚴(yán)重的失水和硫化以后,對正極板的損傷相對也比較大.所以,應(yīng)該在對正極板損傷以前久對電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修.采取防患于未然的檢修的方法比亡羊補(bǔ)牢的方法更加有效.
四、結(jié)語
采取綜合措施,可以大大延長電池的的實(shí)際使用壽命.如果做到如下措施,電池的實(shí)際壽命可以獲得延長一倍以上的結(jié)果.
1、 追求車的效率.
盡可能的使整車輕便化.據(jù)說,最輕便的車和最重的車,塑料件形成高達(dá)十多公斤.而這十多公斤的塑料件不僅僅是行車的累贅,也給用戶塑料件日后維修帶來非常大的麻煩.
適當(dāng)限速,做好欠壓保護(hù),嚴(yán)防電池過放電.采用固化的控制器,杜絕控制器參數(shù)漂移的現(xiàn)象.采用好的助力方式,使輸出與腳踏用力成正比,形成有效的智能化助力控制.
采用大輪徑,細(xì)輪胎,提高電機(jī)的效率,使電機(jī)工作在相對比較高的工作效率狀態(tài).同時減少輪胎與地面的摩擦損失.
2、 采用長壽命的電池
逐步扭轉(zhuǎn)以電池的初期容量來評價電池的趨勢,以深循環(huán)壽命來評價電池.這樣,帶動電池向發(fā)展壽命方面改進(jìn).
3、 采用先進(jìn)合理的充電器
這個充電器應(yīng)該使電池最高充電電壓低于大量析氫電壓,最好在大量析氧電壓和大量析氫電壓之間.要達(dá)到這個目標(biāo),最好的方法還是采用大電流負(fù)脈沖充電.
采用適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?解決夏季過充電冬季欠充電的問題.
合理的快速脈沖前沿,使其具有消除硫化的作用.
4、 完善的售后服務(wù)檢修體系
對電池進(jìn)行定期的檢修,緩解和消除電池缺陷擴(kuò)大化.
采取這些措施的效果是非常明顯的.就平均每天續(xù)行25公里的多家樣車跟蹤看,電池的使用壽命基本上都超過二年.有的已經(jīng)達(dá)到三年以上.
采取這些方法的意義很大.首先是給用戶帶來了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益,減少了用戶的麻煩.其次是提高了車廠的聲譽(yù),為拓展生產(chǎn)提供了條件.第三可以大大減少電池制造商的理索賠費(fèi)用.第四,改善電動自行車的形象,拓展電動自行車整體市場的發(fā)展.第五,提高電池的利用率,有利于環(huán)保.
采取這些措施,不僅僅可以減少用戶的使用費(fèi)用,由于降低了大量塑料件的累贅,也可以降低新車的成本.而這個先機(jī)給國外留下了進(jìn)入中國電動自行車市場巨大的空間.殷切企盼國人能夠奮起直追,趕超國外的先進(jìn)技術(shù),屏棄低水平的重復(fù)競爭,開拓出電動自行車市場嶄新的局面.是中國電動自行車不僅僅是在國內(nèi)銷售的產(chǎn)量第一,而且爭取做到國際市場是也獨(dú)占鰲頭.
通信基站電池的維護(hù)與修復(fù)
深圳市維迪澳電子有限公司
2005年3月12日
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作為后備電源的大容量鉛酸蓄電池(以下簡稱“電池”)是基站電源的保障.在國內(nèi)出現(xiàn)“電荒”的時候,后備電源的可靠性顯得格外重要.在長三角和珠三角地區(qū),每周內(nèi)停三供四的時間很多,甚至出現(xiàn)聽四供三更加嚴(yán)重的局面.多數(shù)處于野外的基站,其供電是難以保證都是采用一、二類電源的,這樣,電池的可靠性問題尤其嚴(yán)重.
雖然目前的科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,近年鉛酸蓄電池的發(fā)展也比較快,基本上以大型閥控密封式鉛酸蓄電池代替了防算酸隔爆型電池.就是大型閥控密封式鉛酸蓄電池近些年也在發(fā)展.但是大容量的固定電池還是以鉛酸蓄電池為唯一的選擇.如何延長鉛酸蓄電池的正常使用壽命,一直是業(yè)內(nèi)人士探討的主要問題.
相同的電池,在不同的設(shè)備條件、不同的使用條件和不同維護(hù)條件下使用壽命相差很大.這就需要在設(shè)備條件、使用條件和維護(hù)條件上尋找其差異.而電池失效的的幾個主要現(xiàn)象是:
a．正極板軟化;
b．正極板板柵腐蝕;
c．負(fù)極板硫化;
d．失水;
e．少數(shù)電池出現(xiàn)熱失控(包括電池鼓脹).
下面,就以電池失效模式來探討設(shè)備條件、使用條件和維護(hù)條件對電池失效的影響及其應(yīng)對方法.
一、電池的失效模式及其原因
1、電池的正極板軟化
電池的正極板是由板柵和活性物質(zhì)組成的,其中活性物質(zhì)的有效成分就是氧化鉛.放電的時候氧化鉛轉(zhuǎn)為硫酸鉛,充電的時候硫酸鉛轉(zhuǎn)為氧化鉛.氧化鉛是由α氧化鉛和β氧化鉛組成的,在2種氧化鉛中以其中α氧化鉛荷電能力小但是體積大,比為β氧化鉛堅(jiān)硬,主要起支撐作用;β氧化鉛恰好相反,荷電能力大但是體積小,比為β氧化鉛軟,主要起荷電作用.α氧化鉛是在堿性環(huán)境中生成的,在電池內(nèi)部一旦出現(xiàn)參與放電以后,在充電只能夠生產(chǎn)β氧化鉛.正極板的活性物質(zhì)是多孔結(jié)構(gòu)的,就與電解液——硫酸的接觸面積來說,多孔結(jié)構(gòu)是平面的數(shù)十倍.如果α氧化鉛參與放電以后,重新充電以后只能夠生成β氧化鉛,這樣就失去了支撐,不僅僅會產(chǎn)生正極板活性物質(zhì)脫落,而且脫落的活性物質(zhì)還會堵塞正極板的微孔,導(dǎo)致正極板參與反應(yīng)的真實(shí)面積下降,形成電池容量的下降.后備電源的電池使用年限要求比較嚴(yán)格,對電池的比容要求比較寬,因此后備電源使用的電池的后備電源的電池α氧化鉛和β氧化鉛比例比深循環(huán)的動力型電池大一些.為了減少α氧化鉛參與放電,一般控制放電深度僅僅為40%.隨著電池的使用時間的增加,電池的容量下降,新電池放電40%的電量,對于舊電池來說必然上超過40%的,所以舊電池就相當(dāng)于放電深度深,電池的正極板軟化也會被加速.所以,電池的容量壽命曲線的后期下降速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中期.電池容量越小,放電深度越深,α氧化鉛損失也越多,正極板軟化也越嚴(yán)重,導(dǎo)致電池容量下降越快,形成了惡性循環(huán).
這樣,電池的放電深度需要嚴(yán)格控制.實(shí)現(xiàn)這個控制的是靠基站的電源管理系統(tǒng)的國內(nèi)和設(shè)置.目前控制電池放電深度的主要標(biāo)準(zhǔn)還是一次放電量和放電電壓.這樣,盡可能避免在應(yīng)急的時候強(qiáng)制放電,而應(yīng)該按照放電量來增加電池的容量.
2、電池的正極板腐蝕
正極板的板柵中的鉛在充電過程中或被氧化為氧化鉛,并且不能夠再還原為鉛,形成正極板腐蝕.而氧化鉛的體積比鉛的體積大,形成體積線性增加變形,使正極板活性物質(zhì)與板柵脫離,導(dǎo)致正極板失效.而過充電會嚴(yán)重加速正極板腐蝕.我們一般以為不會產(chǎn)生過充電狀態(tài).實(shí)際上,基站的浮充電壓如果跟不上環(huán)境溫度的上升而進(jìn)行下降的補(bǔ)償,過充電就產(chǎn)生了.如基站的空調(diào)不夠或者損壞,電池的過充電也會產(chǎn)生.這樣電池的正極板板柵在不同的使用條件下會有不同的腐蝕速度.長三角和珠三角地區(qū)的正極板腐蝕也會比內(nèi)地嚴(yán)重,這與電池的使用環(huán)境溫度關(guān)系密切.
3、電池的負(fù)極板硫化
電池放電以后,負(fù)極板的鉛轉(zhuǎn)換為硫酸鉛,如果不及時充電或者充電時間比較長,這些硫酸鉛晶體就會逐步聚積而形成粗大的硫酸鉛結(jié)晶,采用普通的充電方式是無法恢復(fù)的所以稱為不可逆硫酸鉛鹽化,簡稱硫化.
在折合單格電壓為2.25V的浮充狀態(tài)下,電池基本充滿電需要一周的時間,完全充滿電需要28天的時間,其間電池就處于欠充電狀態(tài).在電池放電以后的12小時,就可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生粗大的硫酸鉛結(jié)晶.在發(fā)生電荒的地區(qū),電池的硫化相當(dāng)嚴(yán)重.
在一般浮充狀態(tài)下使用,隨著日夜環(huán)境溫度的變化,硫酸鉛結(jié)晶也會聚積而形成粗大硫酸鉛結(jié)晶而導(dǎo)致硫化.
在冬季環(huán)境溫度比較低的時候,電池的浮充電壓應(yīng)該相應(yīng)的提升,如果浮充電設(shè)備沒有依據(jù)室溫相應(yīng)的調(diào)解上升,電池欠充電就會產(chǎn)生,電池硫化也就產(chǎn)生了.
失水的電池相當(dāng)于電解液的硫酸濃度上升,也形成了加速電池硫化的條件.
較快速的充電可以抑制電池的硫化,基站的充電電流相對都比較小,所以硫化程度比充電電流大的電池嚴(yán)重.另外,浮充電壓紋波越小,浮充電流的擾動越小,也形成了電池硫化的條件.
采用低銻合金的正極板的電池,浮充電壓比較低,也比其它鉛鈣錫鋁合金電池更加容易出現(xiàn)硫化.
從上面的硫化失效原因看看,很多電池的是無法避免的.特別是電池組發(fā)生單體電池落后的時候,個別落后的單體電池處于欠充電狀態(tài),這樣該電池比其它電池更加容易硫化.
電池一旦出現(xiàn)硫化,靠單純的浮充和均充是無法解決的,必須采取其它措施.目前消除密封電池硫化的方法有化學(xué)法和脈沖法.化學(xué)法雖然會較快的消除負(fù)極板硫化,但是其副作用——增加電池自放電會比較明顯.這樣會形成新的失效模式.所以,除了應(yīng)急處理以外,沒有任何電池制造商同意采用這種方法來修復(fù)電池.而脈沖修復(fù)硫化,屬于無損修復(fù),這是近年來所廣泛提倡的方法.
4、電池的失水
電池充電達(dá)到單體電池2.35V(25℃)以后,就會進(jìn)入正極板大量析氧狀態(tài),對于密封電池來說,負(fù)極板具備了氧復(fù)合能力.如果充電電流比較大,負(fù)極板的氧復(fù)合反應(yīng)跟不上析氧的速度,氣體會頂開排氣閥而形成失水.如果充電電壓達(dá)到2.42V(25℃),電池的負(fù)極板會析氫,而氫氣不能夠類似氧循環(huán)那樣被正極板吸收,只能夠增加電池氣室的氣壓,最后會被排出氣室而形成失水.電池具備負(fù)的溫度特性,其析氣也與溫度特性一致.當(dāng)電池溫升以后,電池的析氣電壓也會下降,溫升會導(dǎo)致電池容易析氣失水.長三角和珠三角地區(qū)夏季環(huán)境溫度比較高,如果沒有空調(diào)或者空調(diào)容量不足,會使電池失水增加.如果單體電池的浮充電壓折合為2.25V,在30℃的時候,電池失水比25℃條件下增加一倍,在40℃條件下,電池失水是25℃的8倍左右,除非相應(yīng)的降低浮充電壓.
如果電池的正極板含銻,隨著銻的循環(huán),部分的轉(zhuǎn)移到負(fù)極板上面.由于氫離子在銻還原的超電勢約低200mV,于是負(fù)極板銻的積累會導(dǎo)致電池的充電電壓降低,充電的大部分電流用來做水分解而形成失水.所以,我們認(rèn)為在大型固定型電池中應(yīng)該逐步淘汰低銻正極板的電池.另外,對在電池生產(chǎn)過程中,應(yīng)該嚴(yán)格控制鉛鈣錫鋁正極板的含量.
5、電池的熱失控
電池在均充狀態(tài)時,充電電壓會達(dá)到折合單格2.4V,這個電壓超過了電池正極板大量析氧的電壓,特別是在高溫環(huán)境中,大量析氧電壓會下降,這樣產(chǎn)生的析氧量會大幅度的增加.而正極板產(chǎn)生的氧氣在負(fù)極板會被吸收,吸收氧氣是明顯的放熱反應(yīng),電池的溫度會提升.如果電池已經(jīng)出現(xiàn)失水,玻璃纖維隔板的無酸孔隙增加,會加速負(fù)極板吸收氧氣,產(chǎn)生的熱量會更多,電池溫升也更高.而電池的溫升也會加速正極板析氧,形成惡性循環(huán)——熱失控.在熱失控狀態(tài)下,析氧量增加,電池內(nèi)的氣壓增加,當(dāng)達(dá)到塑料電池外殼的玻璃點(diǎn)溫度的時候,電池開始鼓脹變型,這種變型除了影響電池內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)以外,還會形成電池漏氣,而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的失水漏酸.
盡管電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象發(fā)生的不多,但是一旦發(fā)生熱失控,電池的壽命會迅速提前結(jié)束.6、電池的不均衡
新電池的容量、開路電壓和內(nèi)阻應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的配組.所以新電池一般離散性比較小.隨著電池使用,電池在制造工藝中必然存在的微小差距會被擴(kuò)大.
如電池開閥壓的區(qū)別,會導(dǎo)致電池失水不同.失水多的電池相當(dāng)于電池的硫酸比重提升,導(dǎo)致電池開路電壓增加,也是該單體電池的充電電壓相當(dāng)于其它電池電壓高,而在串聯(lián)電池組中的其它電池分配的電壓就會下降,形成其它電池的欠充電.欠充電的電池內(nèi)阻會增加,放電的時候電池電壓會更低,充電電壓跟不上,導(dǎo)致電池電壓高的更高,低的更低.
電池正極板軟化的差異隨著充放電也會被擴(kuò)大.當(dāng)電池正極板發(fā)生軟化的時候,脫落的活性物質(zhì)會堵塞一部分微孔,正極板上單位面積的電流密度會增加,而增加電流密度的反應(yīng)部分的充放電活性物質(zhì)的膨脹收縮更加厲害,導(dǎo)致正極板軟化被加速,這樣就形成的容量落后的電池更加落后.
電池的負(fù)極板發(fā)生硫化,放電電流的密度也會增加,相當(dāng)于增加了放電深度,硫酸鉛結(jié)晶會比較集中在放電部位,形成較大的硫酸鉛結(jié)晶.硫酸鉛結(jié)晶體積越大,其吸附能力也相對增加,導(dǎo)致硫化更加嚴(yán)重.而硫化的電池在放電過程中也相當(dāng)于增加了放電深度,硫化也更加嚴(yán)重.所以,電池容量的下降也會形成惡性循環(huán).
從電池的壽命容量曲線看,電池的容量總體上是逐步加速的.凡是電池出現(xiàn)不均衡,總是加速的.
對于電池的不均衡,目前唯一的充電方式是采用“均充”,其愿望是對充滿電的電池實(shí)現(xiàn)增加電池的副反應(yīng),把欠充電的電池充滿電.但是,實(shí)際上,這個作用不足以恢復(fù)電池的均衡.目前比較有效的方法還是采用單體電池的補(bǔ)足充電.可是一般基站和修復(fù)隊(duì)伍都不具備這個設(shè)備條件.二、對策1、設(shè)備管理與改造
a.機(jī)房環(huán)境溫度對電池的壽命影響至關(guān)重要.除了配備相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備以外,應(yīng)該增加和完善機(jī)房溫度的遙測,在中心機(jī)房就可以發(fā)現(xiàn)任意一個機(jī)房溫度超溫(高溫和低溫)報警,以便及時處理.
b.檢測浮充電壓和均充電壓與環(huán)境溫度的的關(guān)系,應(yīng)該依據(jù)電池的特性具備-3mV~-4mV/℃/單格 的特性.2、均衡充電和容量配組
為了防止電池落后,對單格電壓低的電池進(jìn)行單獨(dú)充電.現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了2V/50A的充電器,可以用來給落后的電池單獨(dú)充電.也可以通過2V/50A的放電器對進(jìn)行精確的容量測試.以便進(jìn)行容量配組.3、消除硫化
消除電池硫化的方法有幾種方法,各有特點(diǎn).
a. 水療法
如果硫化不太嚴(yán)重,可以使用較稀的電解液,密度在1.100g/cm3以下,即向電池中加水稀釋電解液,以提高硫酸鉛的溶解度.并用20h率以下的電流,在液溫30℃~40℃的范圍內(nèi)較長時間充電,可能得以恢復(fù).如果電解液密度較高,則充電時只進(jìn)行水分解,活性物質(zhì)難以恢復(fù).對于密封電池來說,水療法是無法進(jìn)行的.另外,水療法的成本和使用工時都比較大.現(xiàn)在有了脈沖修復(fù)的方法,已經(jīng)很少見到水療法了.
b. 化學(xué)處理方法
采用化學(xué)添加劑,在電池發(fā)生硫化的時候使用.這種方法對消除硫化是行之有效的,但是其副作用不可忽視.主要問題是會形成自放電明顯增加,所以一般的電池制造商都不敢使用.
c. 大電流充電
若認(rèn)為吸附是造成硫酸鹽化的原因,則可以用高電流密度充電(達(dá)100mA./cm2).在這樣的電流密度下,負(fù)極可以達(dá)到很負(fù)的電勢值,這時遠(yuǎn)離零電荷點(diǎn),使φ-φ(0)<0,改變了電極表面帶電的符號,表面活性物質(zhì)會發(fā)生脫附,特別是對陰離子型的表面活性物質(zhì),這種有害的表面活性物質(zhì)從電極表面上脫附以后,就可以使充電順利進(jìn)行.目前國內(nèi)幾乎沒有人使用這種方法處理不可逆硫酸鹽化,可能出于以下考慮:高電流密度下極化和歐姆壓降增加,這部分能量轉(zhuǎn)化為熱,使蓄電池內(nèi)部溫度升高,同時又有大量的氣體析出,尤其是正極大量氣析出氣體,其沖刷作用易使活性物質(zhì)脫落.
d. 脈沖修復(fù)
按照原子物理學(xué)和固體物理學(xué)的原理,硫離子具有5個不同的能級狀態(tài),通常處于亞穩(wěn)定能級狀態(tài)的離子趨向與遷落到最穩(wěn)定的共價鍵能級而存在.在最低能級(即共價鍵能級狀態(tài)),硫離子包含8個原子的環(huán)形分子形式存在,這8個原子的環(huán)形分子模式是一種穩(wěn)定的組合,難以被打碎,形成電池的不可逆硫酸鹽化——硫化.多次發(fā)生這樣的情況,就形成了一層類似與絕緣層一樣的硫酸鉛結(jié)晶.
要打碎這些硫酸鹽層的束縛,就要提升原子的能級到一定的程度,這時候在外層原子加帶的電子被激活到下一個更高的能帶,使原子之間解除束縛.每一個特定的能級都有唯一的諧振頻率,必須提供給一些能量,才能夠使得被激活的分子遷移到更高的能級狀態(tài),太低得能量無法達(dá)到躍遷所需要的能量要求,但是,過高的能量會使已經(jīng)脫離了束縛而躍遷的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài),又回落到原來的能級.這樣,必須通過多次諧振,使得其中一次脫離了束縛,達(dá)到最活躍的能級狀態(tài)而又沒有回落的原來的能級,這樣,就轉(zhuǎn)化為溶解于電解液的自由離子,而參與電化學(xué)反應(yīng).
很高的電壓可以實(shí)現(xiàn),就是大電流高電壓充電的方法,諧振也可以實(shí)現(xiàn),就是脈沖諧波諧振的方法.
從固體物理上來講,任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿.一旦絕緣層被擊穿,粗大的硫酸鉛就會呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài).如果對高電阻率的絕緣施加瞬間的高電壓,也可以擊穿大的硫酸鉛結(jié)晶.如果這個高電壓足夠短,并且進(jìn)行限流,在打穿絕緣層的條件下,充電電流不大,也不至于形成大量析氣.電池析氣量強(qiáng)正相關(guān)于充電電流和充電時間,如果脈沖寬度足夠短,占空比足夠大,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結(jié)晶的條件下,同時發(fā)生的微充電來不及形成析氣.這樣,實(shí)現(xiàn)了脈沖消除硫化.
實(shí)現(xiàn)脈沖消除硫化和抑制電池硫化的方法,一般可以采用脈沖保護(hù)器和修復(fù)儀來處理.一般使用2類修復(fù)方法.其一為在線修復(fù),把可以產(chǎn)生脈沖源的保護(hù)器并聯(lián)在電池的正負(fù)極柱上,使用電池或者充電器的電源或者使用外來的市電,就會有脈沖輸出到電池上面.這種修復(fù)方式所需要的能源很少,比較慢,但是由于常年并聯(lián)在電池極柱2端,慢也沒有關(guān)系.對于沒有硫化的電池,可以抑制電池的硫化.
其二為離線式的,可以產(chǎn)生快速的脈沖,脈沖電流相對比較大,產(chǎn)生脈沖的頻率比較高,脈沖占空比比較大.一些產(chǎn)品還具有自動控制.這種修復(fù)儀主要是用來修復(fù)已經(jīng)硫化的電池.
三、維迪澳產(chǎn)品的目前現(xiàn)狀和發(fā)展
1、保護(hù)器類產(chǎn)品
維迪澳以前開發(fā)了專門為100AH~500AH的電池的BH-06B型鉛酸蓄電池保護(hù)器,可以適合叉車電池、UPS電池和后備電源的電池使用,常年使用可以克服電池的硫化.其使用方法是在48V電池組中,每3個單格(6V)電池并聯(lián)一臺變換器.變換器也是從浮充電源中吸取能量,形成脈沖以后針對這些電池的需要,維迪澳公司開發(fā)了BH-06D型變換器,從浮充電源吸取的電流增加,但是修復(fù)脈沖電流也增加幾十倍,修復(fù)時間大大縮短,對電池的防止硫化的效果也好很多.今年二季度以后,用戶就可以享受更新的產(chǎn)品技術(shù)了.
對于保護(hù)器系列產(chǎn)品用戶最關(guān)心的問題莫過于加裝保護(hù)器以后的電源紋波問題.對于保護(hù)器來說,脈沖電流也就是1~2A的峰值電流,硫化的單體電池也就是2mΩ左右.所以附加紋波也就是在2~4mV,三只電池串聯(lián)也就是在10mV左右.而8臺保護(hù)器不是同步的,在最不利的狀態(tài)也沒有發(fā)生紋波超過20mV的,一般也就是在10mV以下.并聯(lián)保護(hù)器以后,電池內(nèi)阻會持續(xù)下降,紋波也會下降.這也是我們沒有采用對48V串連電池組采用一個單一保護(hù)器的原因.通過簡單計(jì)算可以得知,如果每個電池的內(nèi)阻都是2mΩ,48V電池組的內(nèi)阻就有48mΩ,加1A的峰值脈沖電流,也會形成48mV的紋波電流.國外的產(chǎn)品是采用這樣的方案,其紋波電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們產(chǎn)品的紋波.所以也僅僅在對紋波要求不大的電力系統(tǒng)中采用,對通訊系統(tǒng)中難以推廣.
這里應(yīng)該說明的是,不同類型的保護(hù)器使用在不同容量的電池中,如果把適應(yīng)小容量電池的保護(hù)器使用在大容量電池中,保護(hù)效果會很慢.如果把適應(yīng)大容量電池的保護(hù)器使用在小容量電池上,紋波會超差.所以,BH-06B保護(hù)器僅僅適應(yīng)于100AH~500AH,而BH06D適應(yīng)于200AH~1000AH電池.所以BH-06D更加適合基站使用.
維迪澳公司電池的保護(hù)器系列產(chǎn)品在最近會有較大的發(fā)展.其系列產(chǎn)品有,8V中密電池保護(hù)器,適應(yīng)于100AH~500AH、8V電池組.這是面向高爾夫球車的電池組的保護(hù)使用的.
有BH-48A型和BH-48B一般通訊離線備用電池保護(hù)的.這是考慮到備用電池組沒有更高的紋波要求而設(shè)計(jì)的.其中,BH-48A型采用有源的,使用市電,可以脫離浮充電源單獨(dú)使用.BH-48B是無源的,不能夠脫離市電使用.這2個產(chǎn)品將在5月份面市.
有BH-48E型的48V/1000AH~3000AH有源保護(hù)器.該產(chǎn)品主要是面向局站電池的離線保護(hù)修復(fù).
有BH-2×6A的6路有源保護(hù)器,主要是針對2V/1000AH~2V/3000AH電池的有源保護(hù)器.其中6路輪流工作,電池的紋波僅僅相當(dāng)于單體電池的紋波.這樣4臺儀器就可以應(yīng)付一組48V1000AH~3000AH的電池組.
從這里看出,我們抑制紋波的方法與國外的方法不同.我們是采用輪流工作的方法,而國外是采用產(chǎn)生紋波加濾波的方法.國外的方法的紋波大,濾除設(shè)備龐雜,設(shè)備造價昂貴且穩(wěn)定性欠佳.2、電池修復(fù)系統(tǒng)
在大面積取得電動自行車鉛酸蓄電池和汽車啟動電池修復(fù)的成功經(jīng)驗(yàn)以后,現(xiàn)在開展了對基站和局站大容量電池的修復(fù)工作.
其中有:
——2V50A電池充電器,適用于200AH~1000AH電池的單體電池充電,未來會有2V/150A充電器.
——2V50A放電器,適用于200AH~1000AH電池的單體電池放電,未來會有2V/150A放電器.
以上2種產(chǎn)品是用來測試電池容量的輔助儀器,同時也可以用作補(bǔ)水充電使用.也可以為電池配組和均衡充電使用.與之配套的是:
——XF-02A型大容量鉛酸蓄電池修復(fù)儀,可以單獨(dú)對200AH/2V~1000AH/2V電池進(jìn)行脈沖消除硫化使用.
配合大密電池的修復(fù),我們也會制定一套標(biāo)準(zhǔn)化的修復(fù)工藝供用戶參考使用.四、簡短的結(jié)語
鉛酸蓄電池的保護(hù)技術(shù)雖然不是誕生在中國,但是我們繼承了國外的先進(jìn)技術(shù),并且發(fā)展了這些先進(jìn)技術(shù),取得了目前暫時領(lǐng)先與國外的水平.雖然我們臥薪嘗膽,歷時6年時間,試驗(yàn)無數(shù),碩果累累,但是,產(chǎn)品真正的考驗(yàn)還是最終用戶.我們要不斷的發(fā)展鉛酸蓄電池修復(fù)和保護(hù)技術(shù),使國人首先享用這一個世界領(lǐng)先的技術(shù).
上海維迪澳鉛酸蓄電池修復(fù)連鎖有限公司宣
2005年3月21日
