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电池应用

二、电动车铅蓄电池寿命短的原因

从1859年，法国人加斯东普兰特发现了铅酸充放电的现象后，铅酸蓄电池一直是电池领域应用最广泛的产品，如汽车、机车、轮船、飞机、后备供电设备上都有铅酸蓄电池，但我们并有听到很多来自这些领域对铅酸蓄电池的不满，然而，为什么同样的产品到了电动自行车上却是名符其实的“怨声载道”。

下面我们从几个方面阐述产生这一问题的原因。

1、铅酸蓄电池工作原理方面的原因

铅酸蓄电池充放电的过程是电化学反应的过程，充电时，硫酸铅形成氧化铅，放电时氧化铅又还原为硫酸铅。

而硫酸铅是一种非常容易结晶的物质，当电池中电解溶液的硫酸铅浓度过高或静态闲置时间过长时，就会“抱成”团，结成小晶体，这些小晶体再吸引周围的硫酸铅，就象滚雪球一样形成大的惰性结晶，结晶后的硫酸铅充电时不但不能再还原成氧化铅，还会沉淀附着在电极板上，造成了电极板工作面积下降，这一现象叫硫化，也就是常说的老化。

这时电池容量会逐渐下降，直至无法使用。

当硫酸铅大量堆集时还会吸引铅微粒形成铅枝，正负极板间的铅枝搭桥就造成电池短路。

如果极板表面或密封塑壳有缝隙，硫酸铅结晶就会在这些缝隙内堆积，并产生膨胀张力，最终使极板断裂脱落或外壳破裂，造成电池不可修复性物理损坏。

所以，导致铅酸蓄电池失效和损坏的主要机理就是电池本身无法避免的硫化。

2、电动自行车特殊工作环境的原因

只要是铅蓄电池，在使用的过程中都会硫化，但其它领域的铅酸电池却比电动自行车上使用的铅酸电池有着更长的寿命，这是因为电动自行车的铅酸电池有着一个更容易硫化的工作环境。

①深度放电

用在汽车上的铅蓄电池只是在点火时单向放电，点火后发电机会对电池自动充电，不造成电池深度放电。

而电动自行车在骑行时不可能充电，经常会超过60%的深度放电，深放电时，硫酸铅浓度增加，硫化就会相当严重。

②大电流放电

电动车20公里巡航电流一般是4A，这个值已经高于其它领域的电池工作电流，而超速超载的电动车的工作电流就更大。

电池制造商都进行过1C充电70％，2C放电60％的循环寿命试验。

经过这样的寿命试验，可达到充放电循环350次寿命的电池很多，但是实际在用的效果就相差甚远了。

这是因为大电流工作增加了50%的放电深度，电池会加速硫化。

所以，电动三轮摩托车的电池寿命更短，因为三轮摩托车的车身太重，工作电流达6A以上。

③充放电频率高

用在后备供电领域的电池，只有在停电时才会放电，如果一年停8次电，要达到10年的寿命，只用做到80次循环充电寿命，而电动车一年充放电循环300次以上很常见。

④短时充电

由于电动自行车是交通工具，可充电的时间不多，要在8小时内完成36伏或48伏的20安时充电，这就必须提高充电电压（一般为单节2.7~2.9伏），当充电电压超过单节电池的析氧电压（2.35伏）或析氢电压（2.42伏）时，电池就会因过度析氧而开阀排气，造成失水，使电解液浓度增加，电池的硫化现象加重。

⑤放电后不能及时充电

作为交通工具，电动自行车的充电及放电被完全分离开来，放电后很难有条件及时充电，而放电后形成的大量硫酸铅如果超过半小时不充电还原为氧化铅，就会硫化结成晶体。

3、铅蓄电池生产方面的原因

针对电动自行车用铅酸蓄电池的特殊性，各个电池制造商采取了多种方法。

最典型的方法如下：

①增加极板数量。

把原设计的单格5片6片制改为6片7片制，7片8片制，甚至8片9片制。

靠减薄极板厚度和隔板，增加极板数量来提高电池容量。

②提高电池的硫酸比重。

原来浮充电池的硫酸比重一般都在1.21~1.28之间，而电动自行车的电池的硫酸比重一般都在1.36～1.38左右，这样可以提供较大的电流，提升电池的初期容量。

③增加正极板活性物质氧化铅的用量和比例。

增加氧化铅就增加了参与放电的电化学反应物质，也就增加了放电时间，增加了电池容量。

通过这些措施，电池的初期容量满足了电动自行车的容量要求，特别是改善了电池的大电流放电的特性。

但是，极板增加了，硫酸的容量就减少了，电池发热导致大量失水，同时，电池的微短路和铅枝搭桥的概率增加了。

提高硫酸比重增加了电池的初期容量，但是，硫化现象就更严重。

密封电池的最基本原理之一就是正极板析氧以后，氧气直接到负极板，被负极板吸收而还原为水，考核电池这个技术指标的参数叫做“密封反应效率”，这种现象叫做“氧循环”。

这样，电池的失水很少，实现了“免维护”，就是免加水。

为此，都要求负极板容量做的比正极板容量大一些，又称为负极过渡。

增加正极板活性物质必然使得，负极过渡减少了，氧循环变差了，失水增加了，又会造成硫化。

这些措施虽然提升了电池的初期容量，但是却会造成失水和硫化，而失水和硫化又会相互促成，最终结果却是牺牲电池的寿命。

还有就是极群组装虚焊问题。

容易产生虚焊的地方是极板。

而每个电池的单格有15片极板，就是15个焊点，一个电池有6个单格，就有90个焊点，一组电池由3个12V电池组成，就有270个焊点。

如果一个焊点存在虚焊，该单格容量就下降，进而该单格形成电池落后，造成整个电池都落后，电池就会形成严重的不均衡，使这组电池提前失效。

就算虚焊控制在万分之一，平均每37组电池就会有一组电池存在虚焊，这是绝对不能够允许的。

而铅钙合金板栅的电池，在焊接的时候会析出钙而掩盖虚焊问题，这样，很多电池制造商宁愿采用低锑合金的板栅而没有采用铅钙合金。

而低锑合金的板栅析氧析氢电压更低，电池出气量大，失水相对严重，电池更容易硫化。

4、电动自行车生产方面的原因

大多数车的控制器都留了一个线损插头，很多经销商以去掉限速来招揽顾客。

一些车厂干脆就去掉限速器出厂，既可以吸引看重车速的客户，也能降低成本，这样的车在高速行驶时电流非常大，会严重缩短电池寿命。

12V铅酸电池的最低保护电压为10.5V，如果是36V电池组，最低保留电压就是31.5V，目前大多数车厂采用的控制器欠压保护电压也都是31.5V。

表面上看这是正确的，但是，实际当36V电池组只剩下31.5V电压时，由于电池存在容量差，肯定就会有一个电池电压低于10.5V，该电池就处于过放电状态。

这时候，过放电的电池容量急剧下降，这时对电池的损伤影响不仅仅是该单只电池，而是影响整组电池的寿命。

其实，在电池电压低于32V以后一直到27V，所增加的续行能力不到2公里，而对电池的损伤却非常大。

只要出现这样的情况10次，电池的容量就会低于标称容量的70%。

另外，一些用户发现电池在欠压以后，过10分钟，电池又不欠压了，就又采取给电行驶，这对电池破坏更大，而大多数车的说明书没有给用户以警示。

目前多数控制器内部都有可调的电位器，而这个可调的电位器的振动漂移是比较严重的。

在价格竞争中，面对更注重车外表的用户群，很少有产品采用抗振动的精密多圈电位器，这样的控制器发生振动后漂移也不奇怪。

5、充电设备的原因

业界广为流传的一句话就是：

电池不是用坏的，是充坏的。

为了满足电动自行车电池的短时高容量充电，在三段式恒压限流充电中，不得不通过提高恒压值到2.47V～2.49V。

这样，大大超过电池正极板析氧电压和负极板析氢电压。

一些充电器制造商的产品为了降低充电时间的指示，提高了恒压转浮充的电流，而使得充电指示充满电以后，还没有充满电，就靠提高浮充电压来弥补。

这样，很多充电器的浮充电压超过单格电压2.35V，这样在浮充阶段还在大量析氧。

而电池的氧循环又不好，这样在浮充阶段也在不断的排气。

恒压值高了，保证了充电时间，但是牺牲的是失水和硫化。

恒压值低了，充电时间和充入电量又难以保证。

在改善电池的电池板栅合金、提高析气电位、改善氧循环性能，提高密封反应效率的基础上，控制充电最高充电电压在2.42V以下，也就是在析氢电位以下。

这样做必然会导致充电时间的延长，这就必须在大电流充电（限流充电）的状态下，加入去极化的负脉冲，改善电池的充电接受能力，在大电流充电的时候多充入一些电量，缩短充电时间。

70％的2C电流充电，是电池在充电接受能力比较大的时候，对电池采用大电流充电，对电池的损伤比较小。

电池基本上没有高于严重析氢电压。

一旦高于析氢电压，电池也会快速的失水。

使用这类充电器，必须采用连续充放电，如果中途停止几天充电，电池就会产生比较严重的硫化而提前失效。

而用户使用电池，是无法保证每次使用以后，都能够及时充电的，一年以内发生数次没有及时充电的情况，电池的硫化就会积累。

多数充电器制造商都说车厂因为价格因素不接受可以保证电池寿命的充电器。

应该承认，这是大多数小企业是如此，但是，有发展的、规模性大企业确实出高价也买不到好的充电器。

一些充电器制造商把某些功能夸大，成品的功效没有其宣传的那样好。

还有不少功能是属于卖概念的功能，实效有限。

6、其它原因

不少电池在单体测试中，可以获得比较好的结果，但是，对于串连电池组来说，由于容量、开路电压、荷电状态、硫化程度各不相同，这个差异会在串连电池组被扩大，状态差的单体会影响整组电池，其寿命明显下降。

从电池在生产线上充电，到用户购车后配车使用这段时间要经过很多环节，间隔时间甚至会长达数月，在这期间，由于没对电池进行补充电，自放电产生的硫酸铅大量堆积结晶，用户刚买到的新电池可能是已经老化甚至报费的电池。

电池厂家在执行质保时，对回收电池并不是完全的淘汰。

电池返退以后，电池制造商重新进行充放电检验，在检验中往往会发现有60％以上的单体电池是不符合返退条件的电池。

其原因也就是在串连电池组中，个别的电池落后形成整组电池功能下降而引起整组返退。

不少电池制造商对返退电池采取配组、补水、除硫、包装后，又重新提供给用户，以提高电池的有效使用寿命，降低报废率，减少电池制造商的部分理索赔的损失，所以，很多经销商已经感觉到厂家提供的电池明显“一代不如一代”。

三、如何解决电池的硫化

要减小电池的硫化，延长电池的使用寿命，首先就要改善电动自行车的工作环境。

减小车身自重，去掉不必要的装饰件，适当限速，不搭载重物，长时间不使用电动自行车时要做补充充电，最好每次放电后都能及时充电，做好欠压保护，严防电池过放电，对于标称24V的欠压保护应该设在21.5V～22V，对于标称36V的欠压保护应该选32.5V±0.5V，对于标称48V的应该设在44V～45V。

这样的电压对续行能力仅仅减少不到2公里，但是可以有效延长电池的使用寿命。

每三个月定期到专业维修点检修电池，及时补水。

这些方法简单易行，经济成本很低，但要严格遵守却有一定难度。

所以，可以使用专门的设备进行除硫维护，这些方法有：

1.使用台式快速除硫设备

台式快速除硫设备的工作原理是高电压大电流脉冲充电，通过负阻击穿消除硫化。

这种方法速度快，见效快，可以获得暂时的消除硫化的效果，但是，高电压大电流能击除硫也能除活性物质,在消除硫化中带来严重失水和正极板软化的问题，对电池产生致命的损伤，经过这类设备除硫两次后的电池基本都会报废。

另外，目前的专业维修点进行一次除硫收费基本在60~80元之间，最多能延长电池寿命半年，并没有为用户来显著的经济利益。

目前,市场上的专业电池维护店主都已经明白了这种方法的危害.于是,又出现了脉冲放电除硫的设备,其实,根本原理并没有变,只是从恒高压恒大电流变成了瞬时峰值高压,还是会损伤极板活性物质,用过这类产品的朋友应该很清楚这点.

2.选择可除硫充电器

目前可除硫充电器有三种工作原理，一种是类同于台式快速除硫设备的工作原理，采用高电压大电流脉冲充电，通过负阻击穿除硫，上面已经说明了这种方法对电池寿命会构成致命伤害，已被市场否定。

第二种是采用快速的脉冲前沿的充放电脉冲，利用瞬间峰值，在充电过程中干扰电池的硫化。

另一种是周期性的采用10％～20％的过充电的方法，还原电池的硫酸铅结晶。

这两种充电器都可以在充电时除硫，但会造成欠充或过充，也忽略了电池放电过程才是最主要的硫化过程这一事实，所以，效果并不理想，大部分用户在具备电动车配备的充电器后会放弃这种重复投资的除硫方式。

3.使用在线式铅酸蓄电池延生器

在线式铅酸蓄电池延生器与电池并联，可二十四小时阻止及消除硫化。

这种方法修复比较慢，修复时间比较长，往往在120小时以上，但无论是充电还放电过程都能阻止和消除硫化，修复效果很好。

因为采用低电压低电流，延生器不会对电池极板产生强大冲击而导致失水和软化，这是一种用户一次投入就可以持之以恒的维护方式，特别是对于质量较好的新电池，可延长电池寿命2~5倍，而且一次投入，可伴随电动自动车，下一次更换电池，延生器还可以继续使用，能为用户节约大量的经济成本。

如果用户一年更换一次电池，一组电池280元，用户10年就要花费2800元在电池的更换上，就保守的计算，如果使用延生器延长电池寿命两倍，10年也可节约近一半的电池费用。

采取这个方法的意义很大。

首先是给用户带来了实实在在的经济效益，减少了用户的麻烦。

其次是提高了车厂的声誉，为拓展生产提供了条件。

第三，为电动车经销商解决了电池质保的难甚，减少投诉，提高信誉度，增加了利润点，同时，在店面销售上也增加了促成交易的销售方案。

第四，可以大大减少电池制造商的理索赔费用。

第五，改善电动自行车的形象，拓展电动自行车整体市场的发展。

第六，提高电池的利用率，有利于环保。

电动自行车用铅酸蓄电池组并联充放电的研究

来源：

全球电源网 2007-07-03 浏览131次【字号：

大中小】

作者：

桂长清

摘要：

对不同荷电态的电动自行车用铅酸蓄电池组进行了并联充放电过程的研究。

结果表明：

流经各组电池的电流是按照电池组的荷电态而自动调配的。

在充放电过程中，原来荷电态较高的电池组充（放）电电流由小（大）逐步增加（减小）；原来荷电态较低的电池组充（放）电电流由大（小）逐步减小（增大），最终各个电池组的充（放）电电流趋于一致。

实验同时还证实了恒电压并联充电可以改善蓄电池组的均匀性，有利于延长蓄电池组的使用寿命。

关键词：

铅酸蓄电池；并联充放电；均匀性；使用寿命

电动自行车普遍采用由3只6DZMl0阀控式密封铅酸蓄电池组成36V蓄电池组作为动力源。

实车使用结果表明：

3只电池中总有1只过早失效，而不是同时失效。

在严格控制工艺过程的同时，许多厂家还使用了配组机，根据新电池的开路电压、放电电压以及放电容量，选取数值相近的3只电池配成一组。

这样仍避免不了某只电池过早失效。

本文作者曾提出适当提高蓄电池组的放电终止电压[1]和避免深度过放电[2]的方法来解决此类问题；根据电动自行车用铅酸蓄电池组并联充电的实验结果，利用蓄电池并联充电会有“偏流”的特性，采用并联充电方式进一步改善蓄电池组的均匀性，延长蓄电池组的使用寿命。

1实验

1.1并联充电

将自制的2组（每组3只）6DZMl0电动自行车用阀控式密封铅酸蓄电池组（下文简称6DZMl0电池组），预先用5A恒流放电至31.5V；然后将第2组电池组先用电动自行车用充电器充电4h，再将其和第1组电池组并联起来，按照电动自行车用充电器的充电模式进行充电。

每组电池分别接有电流表，以测量流¾各支路的电流Il和I2。

在总线路中也接有电流表，测量流¾总线路的电流Io。

1.2并联放电

实验前先将2组（每组3只）6DZMl0电池组用电动车用充电器充足电，然后将第2组电池组预先用5A恒流放电50min，再将其和第1组电池组并联接入电路，进行恒流放电。

2结果和讨论

2.1并联充电过程中的电流分配

表1是2组（每组3只）6DZMIO电池组并联充电时的电流分配。

流¾两个支电路的电流总和与流过总线路上的电流是一致的。

这意味着并联充电过程中，虽然流¾两组电池组的充电电流不一致，即有“偏流”现象，但不会出现一些人认为的一组电池组会对另一组电池组充电的情况。

其次，流¾各电池组的充电电流是自动按照各电池组的荷电态来分配的。

第2组电池组Ô先已充电4h，其荷电态较第1组的高，其初始充电电流就小。

随着充电过程的进行，各组电池的容量相差变小，则充电电流的差别就逐步减小。

待到各组电池基本上充足电时，各组电池的充电电流就逐步趋于一致。

Mass定律指出：

电池充电时的最大充电电流与电池先前放出的容量成正比。

表1中的实验结果基本上符合这一规律。

2.2并联放电过程中的电流分配

表2选出了具有代表性的2组（每组3只）6DZMl0电池组并联放电时的电流分配。

从表2可以看出：

流¾两个支路的电流总和也与流过总线路上的电流是一致的。

这意味着并联放电过程中也不会出现一组电池对另一组电池放电的情况。

同样，流¾各电池组的放电电流也是自动按照各电池组的荷电态来分配的。

第2组电池组Ô先已放电50min，其初始放电电流小。

随着放电过程的进行，各电池组的容量相差变小，放电电流的差别逐步减小。

由此可知，蓄电池并联放电时，并联电池之间是“相互配合，能者多劳”的；蓄电池串联放电时，流¾各串联电池的电流是相同的。

显然，并联放电有利于延长蓄电池组寿命。

2.3并联充电对电池均匀性的影响

表3列出了6只6DZMl0电池平均分成2组，进行并联充电前后，5A放电时间的变化情况。

第1组电池（1，2，3号）Ô来放电时间较短，这可能跟它们Ô先充电不足有关，在并联充电过程中这一组电池比另一组电池充入的电量多，其放电时间就会延长；第2组电池（4，5，6号）Ô来放电时间虽然较长，但各只电池之间的差别较大。

在并联充电过程中，这一组电池充电电流较小（表1），因而¾过并联充电后，放电时间增加很少，但3只电池之间的差别减小了。

并联充电可以改善蓄电池组的均匀性，是利用了蓄电池并联充电过程中出现的“偏流”现象，即充电过程中流¾各只电池的电流，是根据电池的本身荷电态自动调节的。

Ô先充电不足的电池会自动分配到较大的充电电流；Ô先荷电态较高的电池会自动分配到较小的充电电流，最后使各只电池的荷电态趋向一致。

应当指出，每只6DZMl0电池是由6块单体电池串联而成的。

在对每只电池进行并联充电时，电池内部的6块单体电池仍旧是串联充电。

当某块单体电池出现内部微短路或严重失水，导致整只电池性能下降时，并联充电对它们之间的均匀性所起的作用就不太显著了。

2.4均匀性对蓄电池组寿命的影响

由许多只电池串联组成的蓄电池组在运行过程中，不论是充电还是放电，流过各只电池的电流是相同的。

如果各只电池的性能比较均匀，那么它们在充放电过程中的电压值应相差不大，全组电池的电压平均值基本上可以代表各只电池的电压值。

根据该平均值对蓄电池组的工作状态进行控制时，可以使各只电池基本上处于最佳工作状态。

电动自行车用电池组（3只）的放电终止电压为31.5V，就是认为每只电池的放电终止电压为10.5V，单体电池的放电终止电压为1.75V。

事实上各只电池的电压不可能完全均匀[2]，当有相同的电流在其中流过时，它们的电压值必然存在差别，整组电池的平均电压值就不能完全符合每只电池。

用平均电压值作为监控参数，必然会使部分电池处于不利的工作状态。

当蓄电池组处于充电状态时，其中电压较高的电池就会提前析气，温度升高，电解水反应加快，这些变化反过来又促使电池温升加大，失水量加剧，甚至出现热失控，加速电池的恶化进度，直到失效。

电池组中电压较低的电池，其充电电压上升很慢，容易造成充电不足，长期如此，必然加剧极板的硫酸盐化[3]，使电池的容量下降，引起电池提前失效。

当蓄电池处于放电状态时，容量较小的电池放电深度就加深。

整组电池放电到31.5V时，就可能使某只电池的放电电压降至规定的终止电压以下，加深放电深度，缩短电池寿命；与此相反，Ô来电压较高的电池还没有放到终止电压，即放电深度变浅，这就使各只电池之间的均匀性变差，最终必然进一步缩短整组电池的寿命。

实践证明，电动自行车用阀控式密封铅酸蓄电池组不论是在使用过程中还是在寿命实验过程中，一旦出现1只落后的电池，它跟正常电池的差距就会很快增大，这是由上述恶性Ñ环所致。

3并联充电及其时机选择

并联充电是将3只电池由串联改成并联，然后采用恒压（14.1-14.4V）限流（6.0-7.2A）同时给3只电池充电，接着保持电压不变，直到电流下降到0.1~0.2A为止。

并联充电不能使用Ô来的车用充电器，应当使用低电压（14.1~14.4V）大电流（6.0~7.0A）的充电器。

目前已有厂家研制出供单只电动自行车用阀控式密封铅酸蓄电池充电用的充电器。

利用这种充电器可以将3只电池用手工并联起来进行充电。

铅酸蓄电池是一种渐变失效的产品[4]，根据本文作者以前观察研究的结果[1]，在铅酸蓄电池使用寿命的前2/3阶段，其均匀性是比较好的；在后1/3阶段，其均匀性才开始迅速恶化。

基于这一特点，应当这样选择并联充电时机：

a．新电池每次的放电深度不要超过80％，在使用约3个月之后，再进行并联充电，一般每两周充1次就可以了。

b．不论新电池还是旧电池，只要发生了过放电（电池电压已降到电压红线），则当天就应进行并联充电。

4小结

a．电动自行车用电池组恒压并联充电时，流¾各只电池的电流是根据电池的荷电态自动调节的，既不会有一只电池给另一只电池充电，也不会出现某只电池过充电的现象。

b．在电池寿命中期以前，每两周将同一组3只电池进行恒压并联充电，有利于提高整组电池的均匀性，并对延长蓄电池组的使用寿命有利。

当寿命后期某块单体电池严重失效时，并联充电对它们之间的均匀性所起的作用不太显著。

电动车蓄电池使用时间短，失效的主要原因及我们作为电动车厂最根本最有效的解决方法

第一个原因：

电池本身引起的

铅酸蓄电池充放电的过程是电化学反应的过程，充电时，硫酸铅形成氧化铅，放电时氧化铅又还原为硫酸铅。

而硫酸铅是一种非常容易结晶的物质，当电池中电解溶液的硫酸铅浓度过高或静态闲置时间过长时，就会“抱成”团，结成小晶体，这些小晶体再吸引周围的硫酸铅，就象滚雪球一样形成大的惰性结晶，结晶后的硫酸铅充电时不但不能再还原成氧化铅，还会沉淀附着在电极板上，造成了电极板工作面积下降，这一现象叫硫化。