電動(dòng)車用密封式膠體鉛酸蓄電池的原理與維護(hù)

尹立兵，李 豐，王志文

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電動(dòng)車用密封式膠體鉛酸蓄電池的原理與維護(hù)

尹立兵，李 豐，王志文

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

本文介紹了電動(dòng)車用密封式膠體鉛酸蓄電池的基本原理，介紹影響電池性能的基本因素，包括充電、放電和溫度等方面，提出了應(yīng)對(duì)該影響因素的措施。

膠體鉛酸電池 充電 放電

0 引言

電動(dòng)自行車用動(dòng)力電池，從早期的富液式鉛酸蓄電池到閥控式密封鉛酸蓄電池，再到膠體鉛酸蓄電池和鋰離子電池，在不停的進(jìn)步。富液式鉛酸蓄電池由于氣體的析出會(huì)帶出部分酸霧，早被淘汰；閥控式密封鉛酸蓄電池解決了析氣時(shí)帶出酸霧的問(wèn)題，但氣體的富集會(huì)導(dǎo)致電池鼓包，氣體的排出又會(huì)導(dǎo)致電池干涸，現(xiàn)在也在慢慢被淘汰；而鋰離子電池受到價(jià)格和安全性的影響，一時(shí)也難于占領(lǐng)電動(dòng)自行車動(dòng)力電源的市場(chǎng)。相比較以上電池，膠體鉛酸蓄電池價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，成為時(shí)下電動(dòng)自行車動(dòng)力電源的首選。

1 膠體鉛酸蓄電池的原理

膠體鉛酸蓄電池的正極為紅褐色的PbO2，負(fù)極為青灰色的Pb，電解液為儲(chǔ)存在硅膠中的硫酸，在注入電池前，硫酸硅膠體系呈流動(dòng)性很好的液態(tài)，注入電池后漸漸成凝膠狀，利用硅凝膠的觸變特性，達(dá)到電解液的固定目的。

電池總反應(yīng)為：

放電時(shí)消耗H2SO4，生成H2O，電解液密度下降；充電時(shí)則相反，消耗PbSO4和H2O，生成H2SO4，電解液密度上升[1-6]。

電池使用的環(huán)境溫度對(duì)電池的影響很大，最佳使用溫度為（25±5）℃。

1.1 硫酸鹽化理論

膠體鉛酸蓄電池放電后如果長(zhǎng)期擱置（超過(guò)15天）而不充電，PbSO4會(huì)結(jié)晶析出，即PbSO4的硫酸鹽化，而PbSO4晶體顆粒在充電狀態(tài)下不能轉(zhuǎn)化成紅褐色的PbO2或青灰色的Pb，最終導(dǎo)致電池容量下降。此時(shí)主要表現(xiàn)為，充電時(shí)電壓快速上升，電池內(nèi)部溫度隨之升高，從而導(dǎo)致不能充電；放電時(shí)電壓又快速下降。

1.2 負(fù)極吸氧原理

膠體鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中，當(dāng)充入容量的70%時(shí)，正極開(kāi)始析氧，當(dāng)充入容量的90%時(shí)，負(fù)極開(kāi)始析氫。正極析出的氧氣可以被負(fù)極的Pb吸收生成PbO，PbO與H2SO4反應(yīng)生成PbSO4，經(jīng)過(guò)充電PbSO4又會(huì)反應(yīng)生成負(fù)極的海綿狀Pb。而正負(fù)極之間的玻璃纖維隔膜上的縫隙和凝膠收縮后形成的微小縫隙給氧氣由正極流向負(fù)極提供了通道，所以電池可以密封。

1.3 電池水分分解原理

充電過(guò)程中單格電壓高于2.4 V時(shí)，電解液中的水分開(kāi)始分解，在電池正極上析出氧氣，在電池負(fù)極上析出氫氣。

1.4 端電壓的均衡性

電動(dòng)車單體電池一般是12 V，48 V電動(dòng)車的電池是由4塊12 V電池串聯(lián)組成，正常情況下單塊電池充滿電的開(kāi)路電壓為13.0 V左右，4塊電池之間的電壓差別不大于0.5 V。當(dāng)充滿電后其中1塊的電壓比其他3塊下降很多時(shí)，電池的端電壓失去平衡，如果不加以維護(hù)而繼續(xù)使用，會(huì)使電壓差距進(jìn)一步拉大，最終導(dǎo)致整組電池報(bào)廢。

2 膠體鉛酸蓄電池的維護(hù)

2.1 環(huán)境溫度

膠體鉛酸蓄電池在（-15～＋45）℃的環(huán)境條件下應(yīng)能正常工作。但最佳使用溫度為（25±5）℃，溫度過(guò)低，電池放電能力下降，即電池放不出電；溫度過(guò)高，電池放電能力上升，會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)放電，如果使用不當(dāng)，對(duì)電池?fù)p害很大，所以在夏天高溫時(shí)，雖然電池還能放電，也要及時(shí)充電。在最佳溫度以上使用時(shí)，溫度每上升10℃，電池壽命將下降一半。

試驗(yàn)電池6DZMJ10額定電壓為12 V，額定容量為10 Ah，3只電池分別在35℃、25℃、15℃進(jìn)行10 h率恒流（1 A）放電至10.8 V，放電結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)際放電容量為10.870 Ah、10.260 Ah、9.647 Ah，換算成25℃后容量為10.255 Ah、10.260 Ah、10.263 Ah。轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：25，C，分別為25℃放電容量、℃放電容量和實(shí)際放電溫度℃。

表1 6DZMJ10電池不同溫度10 h率放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 硫酸鹽化

膠體鉛酸蓄電池放電后應(yīng)及時(shí)充電，尤其是放電超過(guò)50%后必須及時(shí)充電，雖然密封式膠體鉛酸電池的硫酸鹽化不像密封式閥控鉛酸蓄電池快，但放電后充電時(shí)間越早對(duì)電池越有利。深度放電后再充電時(shí)間間隔不宜超過(guò)15天，且每月至少應(yīng)進(jìn)行1次完全充電。

2.3 負(fù)極吸氧

膠體鉛酸蓄電池充電過(guò)程中正極析出的氧氣被負(fù)極吸收，但負(fù)極析出的氫氣會(huì)在電池內(nèi)富集，所以應(yīng)避免電池過(guò)充電。

表2 6DZMJ10電池在25℃擱置6個(gè)月前后10 h率放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 水分分解

當(dāng)單格膠體鉛酸蓄電池的充電電壓高于2.4 V時(shí)，電解液中的水會(huì)分解，所以在恒壓充電、恒流充電或脈沖充電條件下，應(yīng)嚴(yán)格控制充電電壓不高于2.4 V。

2.5 電池自放電

雖然膠體鉛酸蓄電池的自放電比閥控鉛酸蓄電池壓低，6個(gè)月的自放電小于5%，但如果長(zhǎng)時(shí)間不補(bǔ)充電，導(dǎo)致硫酸鹽化，因此長(zhǎng)期不用的膠體鉛酸蓄電池，每6個(gè)月應(yīng)進(jìn)行1次完全充電。

試驗(yàn)電池6DZMJ10額定電壓為12 V，額定容量為10 Ah，在25℃進(jìn)行10 h率恒流（1 A）放電至10.8 V，然后完全充電，在25℃擱置6個(gè)月后不充電進(jìn)行10 h率恒流（1A）放電至10.8 V，2次放電結(jié)果見(jiàn)表2。2次放電容量分別為10.48 Ah和10.02 Ah，荷電保持能力為95.6%，即6個(gè)月的自放電為4.4%。

2.6 端電壓均衡性

避免端電壓失去平衡的方法是每1～2月進(jìn)行一次完全充電。如果端電壓已經(jīng)失衡，可以用小電流充放循環(huán)進(jìn)行修復(fù)。

3 結(jié)論

延長(zhǎng)密封式膠體鉛酸蓄電池使用壽命的關(guān)鍵在于電池的維護(hù)：1）不宜過(guò)充欠充，充滿即止；2）充電要及時(shí)，放電后應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)充電；3）注意環(huán)境溫度，在高溫環(huán)境下，電池會(huì)過(guò)度放電，若充電不及時(shí)，容量和壽命會(huì)明顯下降。

[1] 桂長(zhǎng)青等. 實(shí)用蓄電池手冊(cè)［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011: 41-226.

[2] 伊?xí)圆? 鉛酸蓄電池制造與過(guò)程控制[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 286-337.

[3] 劉廣林. 鉛酸蓄電池工藝學(xué)概論[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008: 146-350.

[4] 伊?xí)圆? 熊蘭英, 曹水煥等. GB/T 19638.2-2005 固定型閥控密封式鉛酸蓄電池[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005.

[5] 王志文, 李維俊, 梅魁主等. Q/ZGN J 001-2011 湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/閥控式密封鉛酸蓄電池[S]. 湖北鄂州: 湖北省鄂州市標(biāo)準(zhǔn)局, 2011.

[6] 王志文, 李維俊, 梅魁主等. 雙極群鉛酸蓄電池性能研究[J]. 船電技術(shù), 2012,（增刊）: 121-123.

The Principle and Maintenance of Sealed Colloid Lead-acid Battery for Electric Vehicle

Yin Libing, Li Feng, Wang Zhiwen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2018）06-0023-03

2017-12-22

尹立兵（1985-），男，工程師。研究方向：化學(xué)電源。Email：465782710@qq.com