電動自行車電池的失效現象和原因 (一)

www.guilinhy.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-9-1 1

摘要：通過電動自行車使用的閥控密封式鉛酸蓄電池主要的失效分析，探討了降低電池失效率采取一些有效的方法，實現電動自行車鉛酸蓄電池保用2年的夢想。前言對于電動自行車來說，發展勢頭異常迅猛。幾乎沒有那個產品的發展速度(Tempo)能夠趕上電動自行車的發展。與其他產品不同的是近幾年每年的實際產量都超過社會保有量。所以新增用戶多于老用戶。這樣，用戶多數處于“幼稚狀態”。所以，很多用戶也比較關心車的外形和速度(Tempo)等等性能。經過用戶數年的使用，發現電池問題是購買電動自行車以后最大的消費。這樣，由關心電動自行車的外形、速度(Tempo)開始逐步的轉向關心電池的壽命。并且用戶最大的抱怨也是對電池的壽命不滿。因此，提高電池壽命的問題也越來越重要。特別是電摩的出現和發展，這種沒有身份的車正如預期的那樣，電池僅僅維持3到6個月的壽命，這樣，電池壽命問題幾乎成為這個車種的死結。多種多樣的“長壽命電池”、延長電池壽命的充電器層出不窮。但是，幾乎都沒有達到預期效果。一些電池制造商曾經不斷的突破保用時間，但是，基本上以失敗而告終，甚至一些電池制造商損失慘重，逐步淡出電動自行車配件供應商的行列。人們似乎對此已經開始喪失信心(Reliance)，認為電動自行車的電池壽命也就是一年而已，再探討延長電池壽命是徒勞無益的。而一些后來者仍然看到其巨大的市場(Rialto)商機，不惜繼續打出招牌，突出的就是提出電摩電池的壽命也保用一年的做法。而凡是當時提出電摩電池保用一年的電池供應商基本無一不食言。因為電摩電池保用一年，幾乎等于買一組電池最少要賠一組電池。無論那個電池制造商也無法承擔這樣的重負。這樣，電池保用15個月、保用18個月的說法在本屆上海國際自行車展中銷聲匿跡了。電池保用2年，幾乎成為業界可望不可及的夢想。一些車廠干脆就說，即便電池能夠使用2年，也應該保用一年，以此來掩飾電池壽命不理想這樣個無可奈何的現實。這樣，又為電池壽命的發展制造理論障礙。其實，無論電池保用一年還是二年，降低電池的用戶費用消耗，始終應該是車廠孜孜以求的目標。那么如何提高電池的壽命，如何改進電池的使用環境等等問題都是大家非常失望又關心的問題。為了弄清楚延長電池壽命的途徑，首先就要弄清楚電池的失效機理，以便對癥下藥。電動車電池的失效現象和原因。與其它鉛酸蓄電池的使用環境不同，電動自行車電池的失效原因有其特殊性。電動自行車的電池的循環次數遠遠多于后備電源類的電池。例如，原郵電部[1994]763號電信網維護規程的規定，每年應以實際負荷做一次核對性放電試驗，放出容量的30％～40％。每3年做一次容量試驗，到使用6年以后，每年做一次容量試驗。這樣，電信的電池如果不是頻繁的出現停電，電池很少處于放電狀態。假定每年遇到4次停電，這樣，在10年間電池放電也就是40次，所以電池的深循環壽命定為80次。同時，電信系統的電池放電深度也就是按照30％～40％。而電動自行車使用的電池依據標準，電池的壽命應該是按照70％標稱容量的放電要達到350次。這樣，電動自行車電池的放電深度和循環壽命遠遠超過電信系統的電池要求。另外，電動自行車電池要求在8小時以內完成充電。這樣，不得不提高充電的電壓值，超過了電池的大量析氣電壓2.42V而形成了較塊速度(Tempo)的失水。而電信系統的電池是完全沒有這樣高的充電電壓的。同時，電動自行車電池的放電電流很大，就是巡航期間的放電電流也接近于0.5C放電，啟動的時候，放電電流會超過1C放電的。這樣，也在影響電池的使用壽命。由于電池特性的特殊要求，我們看到一些可以給核電站供應鉛酸蓄電池的制造商也沒有步入電動自行車電池供應商的行列。一些規模可觀的電池制造商也逐步退出了電動自行車電池供應商的行列。這樣，電動自行車使用的電池的性能要求與傳統的密封電池不同，失效模式與傳統的電池失效模式存在很大的差異。出現了一些過去少見的失效模式和失效比例。一個主要的區別是放電率的差異。普通的閥控密封式鉛酸蓄電池的放電率多數是以10小時率或者20小時率來制定的，而電動自行車的電池都是以2小時率或者3小時率來制定的，這與電池的實際使用情況大體相當。所以，在供應電動自行車電池的初期，電池容量是最大的問題。為了提高電池的容量，各個電池制造商采取了多種方法。以大量使用的10Ah電池為例，最典型的方法如下： 1、增加極板數量。把原設計的單格5片6片改為6片7片，7片8片，甚至8片9片。減薄極板厚度和隔板，增加極板數量來提高電池容量。 2、提高電池的硫酸比重。原來浮充電池的硫酸比重一般都在1.21~1.28之間，而電動自行車的電池的硫酸比重一般都在1.36～1.38左右。只有極少數的采用1.32的比重。 3、增加正極板活性物質用量。 4、低溫固化，增加β氧化鉛的比例。一般密封電池為了實現氧循環，都要求做好負極過度。增加正極板活性物質用量，可以提高電池的容量，是以降低氧循環為代價的。通過這些主要措施，電池的初期容量滿足了電動自行車的容量要求，特別是改善了電池的大電流放電的特性，延長了電池大電流放電的壽命。但是，這些措施也制約著電池壽命。第一是電池失水問題產生電池失水的一些原因主要如下： 1、為了滿足電池在8小時以內充滿電，所以在三段式恒壓限流充電中，不得不通過恒壓值，達到折合單格電池電壓為2.47V～2.49V。這樣，大大超過電池正極板析氧電壓的2.35V和負極板析氫電壓的2.42V。一些充電器制造商的產品為了降低充電時間的指示，提高了恒壓轉浮充的電流，而使得充電指示充滿電以后，還沒有充滿電，就提高浮充電壓來彌補。這樣，很多充電器的浮充電壓超過單格電壓2.35V，這樣在浮充階段還在大量析氧。而電池的氧循環又不好，這樣在浮充階段也在不斷的排氣。 2、一些電池制造商沒有找到好的板柵合金，仍然采用低銻合金，這樣，比鉛鈣系列的板柵合金析氣電位低，電池出氣量大，失水相對嚴重。 3、增加極板和增加正極板活性物質用量以后，負極過渡不足，氧循環下降，充電過程中正極板的氧氣來不及被負極板吸收，而產生失水。 4、一些電池的開閥壓偏低，容易排氣，同時電池內部的氧分壓低，降低了氧循環能力，增加了析氣量。 5、由于電池的硫酸比重相對高了很多，所以，電池的硫化也相對嚴重。電池放電以后到第二天充電以前，硫酸比重高的電池的硫化明顯。這樣，更加降低了負極板氧循環的能力。而失水以后的電池，失去的主要是水，留下了硫酸的成分，相當于進一步提高了硫酸的比重，這樣就使電池更加容易硫化。所以，電池的硫化加重了失水，失水又加重了硫化。為了克服電池的失水，一些電池制造商采取了不少措施。在板柵合金方面，一些電池制造商采用了多種方式，去掉了低銻合金而采用鉛鈣錫鋁合金。提高了電池析氣電壓。同時，緩解了鉛鈣合金的析鈣問題，克服了鉛鈣合金的早期容量損失的意外容量下降。同時，還要解決大電流放電特性下降的問題。令人遺憾的是，山東某電池制造商采用軍工技術，做出了銅網電池，試驗結果證明，其各項參數都非常優秀，但是，可能因為成本問題，沒有見到他們大批量生產和推廣。一些電池制造商改進了電池塑料模具的結構尺寸，增加了電池的開閥壓，降低了電池開閥壓的離散性，改善了氧循環。最重要的一個進步就是采用抗失水的膠體電池結構，大大的改善了氧循環。但同時也出現了膠體電池容易熱失控的故障。為了緩解電池的失水和熱失控，一些電池制造商要求充電器制造商降低恒壓值。但是，簡單的降低恒壓值，沒有降低恒壓轉浮充的電流，電池難免發生欠充電累積，形成電池容量下降。有創意的是一些電池制造商面臨著電池失水，采取了一些措施，在全國設立了補水站，電池也為補水改進了結構。利用修舊利舊，使平均8個月的電池壽命延長到平均13個月。為了改善膠體電池的熱失控，最近市場(Rialto)上開始見到一些“半膠體電池”，就是在灌酸的后期，在電池上面再增加膠體。這樣，相當于給普通的AGM隔板電池增加了一層彈性的氣密隔離，增加了隔板之間的氣體壓力，改善了氧循環。同時，比膠體電池的局部壓力小，平均壓力不小。這樣克服了局部高氣壓，緩解了氧循環產生局部高熱。其結果是：氧循環好于普通AGM隔板電池，熱失控低于膠體電池，而材料成本也低于膠體電池。