铅酸电池的不平衡问题

1、铅酸电池的不平衡问题分析 铅酸电池因为其廉价,现在已经非常普遍地应用于电动自行车,据统计2004年全国销售电动自行车750万辆,其中有90%以上是用铅酸电池做为能量存储设备.铅酸电池历经百余年发展,技术已经非常成熟,如果按照正确的方法在电动自行车上使用,其寿命可以达到一年半到两年以上,就算是80%容量也能保证在一年以上,但目前电动车市场上消费者最不满意的就是电池的使用寿命问题,一般80%以上容量只能保持2个月左右,大部分的车在5个月以后只能表现出30%到50%的容量,甚至已经无法使用,必须更换新的电池,不但增加了消费者的成本,而且严重污染了环境.究其原因有两个:1 充电方式不对,2使

2、用方式不当,使用方式与电池固有特性不吻合: 一是耐倍率放电能力比较差,而且有硫化效果,在充放电过程中会产生硫酸铅颗粒,特别是大电流放电时更为严重,比如10AH的电池,假如经常以超过10A电流放电,就会在极板材料上产生更多的硫酸铅颗粒,此反应在电动车目前的使用条件下和充电方式下是不可逆反应,随着时间的延长,此种颗粒会在极板材料上累积,由于此颗粒是不导电的,表现出的外部特征就是电池的内阻增加容量降低,引起整组表现容量下降,大电流放电能力(实际表现为爬坡能力)进一步降低.也就是说在使用同样电池的情况下,放电电流越大(爬坡能力越强)的电动车,其电池的使用寿命可能越短,改善的方法有两种:1 是

3、改变使用方式,想增大爬坡能力的,就换用高容量电池,以减轻硫化效果,但会大大增加电池箱的重量和整车成本,在目前电动车已经进入价格竞争阶段的情况下,这种方式很少有整车厂采用;2 是改普通的充电器为负脉冲充电器,或者添加负脉冲电路,利用高压负脉冲去除硫化,延缓因为使用不当而发生的硫化进程,就是添加所谓的延生器,这种电路要增加整车50元以上的成本,而且只能起到延缓的作用,而且去硫化电路市场鱼龙混杂,目前有部分整车厂家采用. 二是内阻大,电解液为水熔性,充电过程中析氢和析氧反应会产生大量氢气和氧气,充电电流越大反应越剧烈.由于内阻大,在充放电时候的发热量就大,引起电池温度的变化,再加上氢气和氧

4、气的影响,会导致电池内部气压增大,此时密封的再好也会产生部分泄露,丢失水和其他有效气体,日积月累,电池有效化学成分逐渐减少,电解液变稠,内阻增加表现容量降低,并且污染环境.目前尚无好的解决办法,只有加强密封性,改进电池生产工艺减小内阻,提升充电器的性能,降低使用电流,大多数整车厂商未做任何针对性处理. 以上两个原因造成的电池性能下降结果都是一个随时间累积的缓慢过程,大约要到6到8个月,甚至更长的时间,这种影响才能明显体现出来,消费者才能明显感觉到容量或者电池性能下降.但是组内各节电池不平衡引起的过充电和过放电对电池寿命的影响却是一个很快体现的过程. 不管什么种类的充电电池,

5、过充和过放都是严重损坏电池性能和寿命的,过充会引起极板损坏软化,不导电的氧化铅增加,析氢和析氧反应会产生大量氢气和氧气丢失而失水;过放后立即采用大电流充电会引起隔膜鼓胀,这个应力会对极板产生机械拉扯力,影响隔膜和极板的良好接触和作用,这个变化是难以恢复的,从而导致整个电池的性能和寿命下降.而实际上出于对成本的考虑,各整车厂家的充电器都是普通的三段式串联充电器,即“恒流恒压浮充”,一开始没有检测各节电池电压,没有根据电压判断是否已经有电池过放,也没有先以小电流进行修复性充电,直接以大电流充电,所以在目前电动车使用的铅酸电池上过充电和过放电会很严重的损坏电池. 在充电电池的生产过程中,不

6、论工艺控制有多严格和标准,生产出来的电池在诸多指标上仍会产生不一致,特别是容量,自放电率和内阻这三个指标的差异对整组电池的表现性能影响最大,所以大多数电池厂在出厂前都对电池进行严格配组,选取此三个指标比较接近的电池配在同一组.由于各电池生产厂和整车厂对电池配组的要求不尽一致也不尽严格,所以市场上销售的电动车同一组里的各节电池的一致性千差万别.在消费者使用过程中,随着使用时间加长和使用次数的增多,这个差异性会引起在同一时刻时,各节电池的荷电状态不一致,特征为同一时刻各节电池的电压不一致;再加上失水和硫化程度的不一致,一般情况下,当消费者使用两个月后,电压最大和最小电池之间的端电压差已经扩大到70

7、0mV左右,如果配组不严格,或者根本是随意组装,再加上充电方式不合理,使用方式不对头,压差会更大.目前市场上铅酸电动车充放电方式几乎都是“串联充电串联放电”,串充充电器的充电保护电压是依据整组电压进行判断,一般是平均每节14.8V保护,如果三节串联就是44.4V,控制器的欠压保护点也是依靠电压判断,一般是平均每节10.5V保护,如果三节串联就是31.5V保护.这时候如果各节电池端电压不一样,就会出现这种情况:充电时当充电器在平均电压处保护时,也许有一节电池充到了15V甚至15.5V以上,已经发生严重的过充电,放电时当控制器在平均电压处保护时,也许有一节电池已经放到10V甚至9.5V以下,已经发

8、生了严重过放电,再次充电时又没有进行小电流的保护性充电,直接大电流充电导致隔膜鼓胀. 由于目前铅酸电池电动车整体价格已经很低廉,所以在动力锂电池领域应用的电池平衡技术由于成本较高很难应用于铅酸电池中,所以市场上几乎所有的铅酸电动车都不配备平衡电路.目前市场上的铅酸电池电动车在使用两到三个月之后,容量和性能明显下降,其实此时只有一节电池因为受到过充电和过放电的长期损坏,明显已经不行,产生的原因就是因为不平衡,导致电池更换频繁,表现性能不好,消费者抱怨,而且加大了铅酸电池的使用量和生产量,严重污染了环境. 如果能够保证铅酸电池的平衡,可以大大减少修的频率和频度,而现在市场上解决

9、平衡的最常用方法是:并充.并充又分很多种: 1 直接将电池并联充电,充电器输出电流等于三倍的普通串联充电器,这种方式最不科学,这样的充电模式下,端电压比较低的电池将在充电初期承受比较大的充电电流,如果此时不平衡很大,则有可能承受0.5C以上的充电电流,此危害人所共知,会导致严重的气体泄露,长时间这样充电,电池将被充坏,优点是每次基本每个电池都可以充饱. 2  并充充电器A类型,此种并充充电器只有一个变压器,所有功率均通过同一组初级线圈传输,只不过次级多引出几组线圈,市场上大部分并充属于此类型;这种方式下,所有电池充电曲线是按照其中的一个电池的荷电状态调整

10、,此种情况下会有个别电池过充电或者欠充发生,但是因为过充电和欠充电幅度不一定很大,相比第一种方式要好,实际上和串联充电器的效果相比没有太大的优势. 3 并充充电器B类型,此种充电器有几节电池就有几个变压器,并且每个变压器都是独立的控制,就好比直接将三个完全独立的充电器做在一个盒子里,每个充电器独立根据本节电池的荷电状态控制,最好的符合了本节电池的曲线,属于最好的解决平衡的方式,但缺点是代价比较高,这样的充电器生产成本会在100元以上,因为价格原因大部分厂家不采用. 还有一种方式就是:串联充电器+平衡电路,此种方式是由平衡电路对每节的充电电流进行管理,衡量的指标是最大平衡电流

11、,也就是说每天的最大平衡能力,比如0.5AH,这种方式代价低廉,在电池一致性差别不大的情况下最为经济和实用,而且起到预防作用,缺点是平衡能力有限,当电池不一致性超出平衡能力范围后,将无能为力,只能起到缓冲的作用. 本公司新产品属于最新专利产品(见附件的照片),体积小25.5mm*21.5mm*4mm便于安装,价格低廉(初步定位为22元),可以使串联工作的三串和四串电池在串联充电串联放电的情况下每节电芯电压差最大在15mV以内,彻底避免了不平衡导致的过充和过放对电池的损坏,有效保护电池,延长电池寿命3到6个月. 产品的图片见附件(样品外型不太好看,我们会考虑外型的),具体安装方式以三串(36V)为例,将产品的四根线按照从最负极到最正极的顺序依次接在电池组上,装在电池箱子里即可. 产品主要性能指标:全程均衡,只要有不平衡就