電動車用密封式膠體鉛酸蓄電池的原理與維護

2018-07-05 07:21:28尹立兵王志文

船電技術 2018年6期

尹立兵，李豐，王志文

尹立兵，李豐，王志文

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文介紹了電動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，提出了應對該影響因素的措施。

膠體鉛酸電池充電放電

0 引言

電動自行車用動力電池，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，在不停的進步。富液式鉛酸蓄電池由于氣體的析出會帶出部分酸霧，早被淘汰；閥控式密封鉛酸蓄電池解決了析氣時帶出酸霧的問題，但氣體的富集會導致電池鼓包，氣體的排出又會導致電池干涸，現(xiàn)在也在慢慢被淘汰；而鋰離子電池受到價格和安全性的影響，一時也難于占領電動自行車動力電源的市場。相比較以上電池，膠體鉛酸蓄電池價格低廉，性能穩(wěn)定，成為時下電動自行車動力電源的首選。

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，負極為青灰色的Pb，電解液為儲存在硅膠中的硫酸，在注入電池前，硫酸硅膠體系呈流動性很好的液態(tài)，注入電池后漸漸成凝膠狀，利用硅凝膠的觸變特性，達到電解液的固定目的。

電池總反應為：

放電時消耗H2SO4，生成H2O，電解液密度下降；充電時則相反，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期擱置（超過15天）而不充電，PbSO4會結(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，最終導致電池容量下降。此時主要表現(xiàn)為，充電時電壓快速上升，電池內(nèi)部溫度隨之升高，從而導致不能充電；放電時電壓又快速下降。

1.2 負極吸氧原理

膠體鉛酸蓄電池在充電過程中，當充入容量的70%時，正極開始析氧，當充入容量的90%時，負極開始析氫。正極析出的氧氣可以被負極的Pb吸收生成PbO，PbO與H2SO4反應生成PbSO4，經(jīng)過充電PbSO4又會反應生成負極的海綿狀Pb。而正負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

充電過程中單格電壓高于2.4 V時，電解液中的水分開始分解，在電池正極上析出氧氣，在電池負極上析出氫氣。

1.4 端電壓的均衡性

電動車單體電池一般是12 V，48 V電動車的電池是由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。當充滿電后其中1塊的電壓比其他3塊下降很多時，電池的端電壓失去平衡，如果不加以維護而繼續(xù)使用，會使電壓差距進一步拉大，最終導致整組電池報廢。

2 膠體鉛酸蓄電池的維護

2.1 環(huán)境溫度

膠體鉛酸蓄電池在（-15～＋45）℃的環(huán)境條件下應能正常工作。但最佳使用溫度為（25±5）℃，溫度過低，電池放電能力下降，即電池放不出電；溫度過高，電池放電能力上升，會導致電池過放電，如果使用不當，對電池損害很大，所以在夏天高溫時，雖然電池還能放電，也要及時充電。在最佳溫度以上使用時，溫度每上升10℃，電池壽命將下降一半。

試驗電池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℃進行10 h率恒流（1 A）放電至10.8 V，放電結(jié)果見表1。實際放電容量為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、℃放電容量和實際放電溫度℃。

表1 6DZMJ10電池不同溫度10 h率放電試驗數(shù)據(jù)

2.2 硫酸鹽化

膠體鉛酸蓄電池放電后應及時充電，尤其是放電超過50%后必須及時充電，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，但放電后充電時間越早對電池越有利。深度放電后再充電時間間隔不宜超過15天，且每月至少應進行1次完全充電。

2.3 負極吸氧

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

表2 6DZMJ10電池在25℃擱置6個月前后10 h率放電試驗數(shù)據(jù)

2.4 水分分解

當單格膠體鉛酸蓄電池的充電電壓高于2.4 V時，電解液中的水會分解，所以在恒壓充電、恒流充電或脈沖充電條件下，應嚴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個月的自放電小于5%，但如果長時間不補充電，導致硫酸鹽化，因此長期不用的膠體鉛酸蓄電池，每6個月應進行1次完全充電。

試驗電池6DZMJ10額定電壓為12 V，額定容量為10 Ah，在25℃進行10 h率恒流（1 A）放電至10.8 V，然后完全充電，在25℃擱置6個月后不充電進行10 h率恒流（1A）放電至10.8 V，2次放電結(jié)果見表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個月的自放電為4.4%。