延长电池的使用寿命需要采用一系列整体的措施.
首先是需要对车的处理.
首先,整车行驶时的电流对电池寿命至关重要.如电摩的电池,放电电流经常接近1C,甚至超过1C,这样的电池寿命难以达到很长.
可能一些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,电池寿命达到350次的电池很多,但是使用在电摩上的效果相差甚远.其原因是多种多样的,一个最关键的原因是,电摩每次放电的深度可能要超过60%;另外就是放电以后,并不能够在30分钟以内进行充电,电池存在这硫化.这就是电摩电池与试验结果相差甚远的主要原因.
所谓简易型的车的电池寿命相对来说比较长,其实就是车轮直径大,车重轻,电池负担轻.而一些车采用了无刷电机或者高速电机,其电流更小.这样的车的20公里时速巡航时的电流也就是4A左右,这种车的寿命相对比较长.而一些车的车轮直径小,电机效率没有做上来,靠增加电流来保证车速,特别是一些轻摩化的车,车重增加到50kg以上,行驶的电流增加很大,在20公里巡航时的电流接近6A甚至更大.这样影响的不仅仅时续行能力,而且在同样续行要求下电池放电深度增加了50%,电池也是容易在深放电的条件下运行,电池寿命自然要短.所以车重对续行能力有影响,对电池寿命影响很大.
另一个问题据说限速问题.大多数车的控制器都留了一个线损插头,并且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出厂.这样的车的电流也过大,导致电池寿命下降.
一些车厂采用的控制器问题很多.就维修车来说,奇怪的是很多车的欠压保护电压都等于31.5V.这样,每次车显示欠压的时候,电池已经过放电.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,而对电池的损伤缺少非常大的,多数出现容量下降5%左右.只要出现这样的情况10次,电池的容量多数都低于标准要求的70%标称容量.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.
另外,欠压保护采取什么电压为好?目前多数车采用的是32V±0.5V.应该看到,多数电池在放电到31.5V的时候,由于电池存在容量差,此时往往会有一个电池电压低于10.5V,该电池处于过放电状态.而其他电池还没有达到11V.这时候,过放电的电池容量急剧下降,对电池的损伤影响的不仅仅是该单只电池,而且会影响整组电池的寿命.所以我建议:对于标称36V的欠压保护应该选32.5V±0.5V, 对于标称24V的欠压保护应该设在21.5V~22V,对于标称48V的应该设在44V~45V.这样的电压对续行能力仅仅少不到1公里,但是对电池的寿命的影响很好.
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,几乎没有一个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.最近,看到一种全部采用SMD(贴片)元件的控制器,并且在出厂以前采用固定电阻来调试,并且采取环氧树脂灌封的控制器,该控制器的可靠性非常高,可是价格没有明显的增加,这样的控制器的结构可以保证不会出现任何漂移.所以采用这样的结构,对延长电池寿命也非常有好处.
网友可以参看日本的车,轮径大,轻便,几乎没有一个多余的装饰件.我最近刻意在JSX那里调查用户需求,一些买第二台车的用户确实是在偏爱轻便型的车.可见随着用户的逐渐成熟,买笨拙车的用户将会下降.
其次是电池质量问题.
就电池来说,业界公认寿命最长的是沈阳松下电池.松下电池的特点是什么?为什么都在中国大陆,其他企业无法完成这样的电池,唯独有松下电池独步天下?
我国目前的电池的结构,包括松下电池在内,基本上是适合浅循环的浮充电池发展而来的.其结构上没有按照深循环的规律要求去改造.而浅循环电池的深循环寿命做到80次循环就绰绰有余了,而市场希望电动自行车的电池能够做到800次深循环才好.可是目前电池的结构已经决定了,这个目标是难以达到的.为了适应深循环,国内对电池做了适应性的改动.这些改动是:
1、 为了提高电池的容量,同时适合大电流放电,采用了增加极板的发生.例如,松下电池坚持采用11片极板,而国内多数企业采用15片极板,甚至有的企业采用17片极板.这样,极板,隔板都减薄了.正极板的活性物质用量增加了,电池的初期容量上去了,大电流特性改善了,但是负极过渡减少了,氧循环变差了,失水增加了.
2、 提高电解液的比重也有利于增加电池的初期容量,但是,硫化和正极板软化也增加了,也影响电池的寿命.
3、 隔板减薄了,硫酸的贮存减少了,失水导致电池失效的概率增加了,同时,电池的微短路和铅枝搭桥的概率增加了.
松下电池没有完全按照这个方法改动,其硫酸比重依然是按照1.28来做的,其极板仍然采用11片(最近发展为13片),其固化温度也没有降低到50℃,正极板活性物质用量也没有大幅度的增加.该电池的初期容量也仅仅是合格而已,不像国产其他电池那样,做的比标称值大10%~25%.在我测量的电池中,甚至有5A放电接近170分钟的,这样的电池的容量高达14Ah,比标称值增加了40%,测量这个电池的密封反应效率不合格.也就是说,该电池失水会更加严重.而松下电池的初期容量按照电动自行车的行标来说在合格和不合格之间,新型电池也就是刚刚合格而已.但是寿命可以做到很长.
产生这个问题的原因就是很多车厂没有对电池的寿命开展试验.我看过很多车厂,对电池唯一的检验方法就是装车以后跑圈.这样的检验方法其实就是检验了电池的初期寿命而已,对电池的寿命是完全没有考核的.那么,如果真的按照松下电池那样完成了长寿命的设计,也会因为车厂采用跑圈的电池检验方法而被淘汰的.对此,应该说行协在发展电动自行车初期搞的三届里程赛推动了电池有浮充型向动力型的改善,但是留下的副作用为害到今天.今天,针对消费者的投诉情况,似乎应该开展电池深循环寿命竞赛了.而这个竞赛的方法应该是市场抽样计成绩,送样的计寿命,不计成绩.
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,其寿命明显下降.产生这种现象的重要原因就是串连电池组的配组问题.所以在电池质量中一个非常重要的问题.电池配组一般应该注意的是:
1、 电池工艺状态的配组;
电池的工艺状态不同,电池的失效模式也不相同.多数电池制造商没有人工气候调整条件,生产的工艺也要不断的调整,失效模式也略有差异.而这个差异将在串连电池组中被扩大,最终形成提前失效.
2、 电池容量的配组;
3、 电池开路电压的配组;
4、 电池荷电状态的配组.
第三,充电器问题.
业界广为流传的一句话就是:电池不是用坏的,是充坏的.发生这种现象的第一个重要原因就是消费类产品价格因素的制约;第二个的原因就是从事电化学的和从事电子学的缺少沟通;第三个原因是缺少从电化学和电子学联合的失效分析;第四个原因是对用户的使用情况和要求分析不足.
我曾经向一些从事电化学的同行问过,如果说电池是充坏的,为了避免充坏,能否提出一个好的充电模式来,即能够保证电池的寿命,又能够满足用户的要求,电子工程师是可以实现任何充电模式的.就充电的恒压值问题,我就多次问过从事电化学行业的同事,他们众说纷纭,始终摇摆不定.例如,恒压值高了,保证了充电时间,但是牺牲的是失水和热失控.恒压值低了,充电时间和充入电量又难以保证.所以,我认为,不仅仅是充电器没有做好,而是还不知道如何做好.
还有一些现象,掩盖了真相.例如,多数电池制造商和充电器都说车厂因为价格因素不接受好的但是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、规模性企业确实在出高价也买不到好的充电器.一些充电器制造商把某写功能夸大,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.
那么如何在电池和车都保证的条件下,如何提高充电器的功能,确保电池的寿命呢?基本方法如下.
首先就是充电的最高充电电压或者恒压值要降下来.
降低充电最高电压的意义在于:
——降低失水;
——减少大量析气对正极板的冲刷,缓解正极板软化;
——保持电解液的硫酸比重不再提高,缓解电池硫化.
实现最高充电电压工作在大量析氧,但是没有大量析氢的状态.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,缩短补足充电时间.
其次,需要对最高充电电压进行温度补偿.
温度补充偿的意义在于:
——解决电池夏季过充电、冬季欠充电的矛盾;
——缓解电池在高温环境中的热失控损坏.
到目前为止,看到一些采用模拟的方法实现温度补充的充电器普遍存在着模拟误差较大的问题.同时,在充电器内部模拟电池的温度的差异比较大.可能在某个温度的差异不大,但是在环境温差变化比较大,在通风状态差异比较大的时候,就产生模拟状态与实际状态的差别过大的问题.所以,还是推荐采用测量电池温度或者强制风冷,数字化测量环境温度的方法.
第三,采取抑制硫化的措施.
电池硫化的可能性在于:
——电池放电以后不能够及时充电,再次期间形成稍大的硫酸铅结晶.这种现象发生与所有的深放电的电池,并且在电池放电12小时以后就可以找到大硫酸铅结晶;
——深循环电池的硫酸比重相对比较高,消除容易产生硫化的条件;
——负极过度的密封铅酸蓄电池,在100%充电以后,还会有不少的硫酸铅结晶没有得到还原,形成了产生大硫酸铅结晶的“晶种”,其他条件一旦具备,非常容易形成大的硫酸铅结晶;
——正极板容量下降以后,负极板也不能够完全还原,形成硫酸铅结晶逐步长大的条件.
由此看见,任何深循环电池在正常使用中,是无法避免完全产生大的硫酸铅结晶,也就是电池硫化的可能.而电池一旦出现硫化,不仅仅会使电池的负极板容量下降,也会加重失水和正极板软化,对整个电池的寿命形成影响.
现在流行一种电池快速寿命测试方法,就是采用1C电流充入70%的电量,采用2C电流放出60%电量,来考核电池深循环寿命.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.这个试验,必须采用连续充放电,如果数次中途停电几天,电池也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,而积累的硫酸铅结晶就会形成“晶种”而逐渐长大.
抑制和消除电池硫化的方法很多,其中,采用高电压大电流充电,使大的硫酸铅结晶产生负阻击穿的方法来溶解的方法使快速消除硫化的便捷方法.试验中发现,这种消除硫化的方法是可以获得暂时的消除硫化的效果,但是,也会在消除硫化中带来加重失水和正极板软化的问题,对电池带来寿命上的损伤.
比较好的方法还是采用快速的脉冲前沿的充放电脉冲,利用其高次谐波与大的硫酸铅结晶谐振的方法,在充电过程中消除电池的硫化.利用这种方法来消除电池的硫化,做得最成功的就是美国PULSETHEC公司的设备.采用这种方法,可以在给电池充电得时候,合理得控制充电脉冲得前沿,利用其高次谐波成分与大得硫酸铅结晶谐振而溶解大硫酸铅结晶.另外就是在电池两端接入脉冲发生器,在电池电压没有过放电的时候,对电池不断地产生脉冲,其一可以具有溶解大硫酸铅的条件,其二是脉冲扰动,破坏了大硫酸铅继续生长的条件,在电池电压低于规定值的时候,自动停止工作,不会因为脉冲发生器消耗的电流使电池过放电.
另外的一个方法就是周期性的采用10%~20%的过充电的方法,可以还原电池的深层硫化,防止结晶继续生长.这是国际上在2000年以后开始流行的一种行之有效的方法,据资料介绍,可以延长深循环电池寿命达一倍以上.
对样车跟踪的数据证明,定期的对电池采取脉冲除硫化和微过充电消除硫化的方法是行之有效的方法.国内已经出现具有脉冲修复和过充电修复功能的充电器,采用这种充电器,可以非常有效的消除电池的硫化.
第四,抑制热失控的措施
对于胶体电池来说,就其特性来说,可以靠良好的氧循环特性缓解电池的失水,然而,改善了电池的氧循环也是一把双刃剑,其副作用就是氧循环产生的高热量非常容易形成热失控.而所有热失控仅仅是在充电过程中产生的,所以充电器的选择和定位更加重要.就我对胶体电池充电器的测试看,问题还不少.主要的问题是最高充电电压过高,这在夏季非常诱发热失控.就我看目前的胶体电池所选用的充电器还不能够根绝或者基本上避免胶体电池的热失控.
现在采取的方法有不少.其中一些方法和对其评价如下.
1、 降低充电的最高充电电压,提高恒压转浮充的电流.
这样的做法可以缓解热失控,但是充入电量下降,非常容易形成由于欠充电形成的硫化,导致电池容量下降.
2、 给充电增加定时器.
有2种增加定时器的方法,其一是开始充电以后,对充电进行定时,当按照电池可以充满电的时间,就关闭充电器.这样的做法是寄希望于在8~10小时定时以内,电池的热失控的热积累不至于使电池的塑料外壳达到玻璃点温度,也就是电池的外壳还没有升到软化的程度.如果对有热失控前兆并且充满电的电池再次充电,电池温升已经超过外壳玻璃点温度,这种方法也可以缓解,但是不能够避免.
其二,是在电池进入恒压状态以后开始计时,计时的时间比开始就计时的时间短,但是,这样的计时也最少需要4小时,对于完全充满电并且有热失控前兆的电池的温升也有超过外壳玻璃点温度的可能.
这2种方法可以大大缓解热失控电池带来的损失,但是,不能够从根本上避免.
3、 给电池增加负脉冲,降低极板温升.
不过,多数的负脉冲加的往往是仅仅具有降低负脉冲到来期间的充电电流的作用,没有对电池进行放电,
4、 在电气控制方法中,最好的方法就是采取通过逻辑控制,使在恒压充电以后,充电电流不能够反升.这就切断了热失控反馈的环路,停止了电流增加所带来的发热提高的过程.
第五,抑制电池落后的方法
即便电池经过严格的组配,但是众多的原因还会导致串连电池组的电池差异.诱发电池落后的部分原因是:
——电池自放电的差异;
——排气压力的差异;
——生意硫酸比重的差异;
——失水的差异;
——制造工艺的差别.
电池在发生容量差异以后还会扩大,导致加速容量下降.
解决电池落后的最好的方法是每组电池单独充电.这里需要注意的每组充电恒压值的差异.并联充电是消除这种差异的好方法.但是,并联充电给每只电池的充电电流会产生差异,所以充满电的时间会有差异.作为维修是比较好的,作为正常充电,还需要在电流分配上采取适当的措施.
当然,也可以采用小电流恒流充电,例如采用0.03C~0.05C电流充电,在这样小电流长时间的充电过程中,达到高电压的电池充入电量不多,副反应到是比较强烈,充电电压低的会逐步提升,这样电池容量逐步接近与平衡.
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