電動(dòng)車用鉛蓄電池的維護(hù)探討

佘愛強(qiáng)，孫權(quán)，劉玉，田慶山，安焱韜，朱建峰，曹龍泉

（天能電池集團(tuán)股份有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 前言

隨著新能源的發(fā)展，車載能源系統(tǒng)出現(xiàn)了多樣化的選擇。作為傳統(tǒng)車載能源的鉛酸蓄電池，由于價(jià)格低廉，在安全性能方面有優(yōu)勢(shì)，目前仍然是電動(dòng)自行車能源系統(tǒng)的首選。鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠商承諾的三包期一般都是 15 個(gè)月，其中第 1～8 個(gè)月為換新期，第 9～12 個(gè)月為周轉(zhuǎn)期，第 13～15 個(gè)月為維護(hù)期。電池行駛壽命均在 3 a 左右，但是在客戶使用過程中電池會(huì)出現(xiàn)過早失效的現(xiàn)象，有的甚至在三包期早期就發(fā)生失效。電池失效的原因來自多個(gè)方面，既來自于電池的制造過程，也來自于用戶的使用過程。對(duì)市場(chǎng)退回電池的解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，由用戶使用習(xí)慣導(dǎo)致電池失效的占比很高，也就是說很大一部分電池的失效和用戶的使用方式有關(guān)系。因此，筆者針對(duì)用戶的使用方式，從失效原因上予以分析，提出一些有助于延長(zhǎng)電池壽命的維護(hù)方法。

1 常見用戶使用現(xiàn)象

1.1 失水和熱失控

充電的過程中可能遇到電池發(fā)熱比較明顯，電池鼓脹變形的現(xiàn)象，也就是通常所說的失水和熱失控。正極板在充電后期或者過充電階段會(huì)有正極板腐蝕和 O2的析出[1]。析氧反應(yīng)式為

對(duì)于電動(dòng)自行車用閥控式電池，析出的氧氣會(huì)通過 AGM 隔板轉(zhuǎn)移到負(fù)極板，并在負(fù)極板上化合還原為 H2O，并且放出熱量。反應(yīng)式為

由于持續(xù)的析氣，電池內(nèi)部氧氣積累而來不及化合，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力逐漸增加，最終打開氣閥，向外界釋放氣體，引起電池失水[2]。電池失水使電池內(nèi)部歐姆電阻增大，導(dǎo)致充電過程中產(chǎn)生更多的熱量。另外，氧氣在負(fù)極板的化合反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，而電池都是固定安裝在一個(gè)封閉的箱體中，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)向外界釋放，使電池溫度上升。溫度的升高進(jìn)一步加速氧氣的化合放熱，又促使電池溫度進(jìn)一步上升，最終導(dǎo)致了電池鼓脹變形[3]。如果電池鼓脹變形比較厲害，就會(huì)給電池造成致命的傷害，更甚者會(huì)導(dǎo)致電池起火。

失水和熱失控主要是緣于沒有使用電池生產(chǎn)廠家指定的充電器給電池充電。目前市場(chǎng)上充電器的參數(shù)均為三段式充電（見圖 1）。第一階段和第二階段是主要的充電階段（恒壓限流充電階段）。在這兩個(gè)階段，大約會(huì)充入額定容量的 90 %，充電器顯示為紅燈。第三階段為補(bǔ)充充電階段。在此階段，充電器顯示為綠燈。在恒壓充電階段，如果充電電壓設(shè)置過高，會(huì)造成水損失比較嚴(yán)重。當(dāng)出現(xiàn)拿錯(cuò)充電器或者充電器無(wú)法恒壓的情況時(shí)，失水和熱失控容易發(fā)生在該充電階段，后續(xù)電流也無(wú)法持續(xù)下降。長(zhǎng)時(shí)間處于這個(gè)階段，電池急速升溫。

圖1 6-DZM-12 型號(hào)電池三段式充電模式

1.2 欠充和擱置

電池三段式充電過程中，第三階段為補(bǔ)充充電階段。充電器在轉(zhuǎn)綠燈后開始小電流補(bǔ)充充電。充入的電量大約為 10 % 額定容量。如果恒壓階段的電壓設(shè)置過低，則會(huì)導(dǎo)致電池充不滿電，活性物質(zhì)無(wú)法完全轉(zhuǎn)換。容易出現(xiàn)的情況也是由于充電器有問題，電壓無(wú)法達(dá)到要求的充電電壓值。少數(shù)用戶在使用過程中如果未轉(zhuǎn)燈或者轉(zhuǎn)燈后就停止充電，也會(huì)導(dǎo)致電池欠充電。經(jīng)常欠充也會(huì)影響電池的壽命。同欠充失效機(jī)理相同的是擱置。這種擱置主要是指電池處于放完電或者欠充狀態(tài)下的擱置。對(duì)于車輛使用頻率不是很高的用戶，長(zhǎng)期放完電或者欠充擱置同樣會(huì)影響電池的壽命。

電池在欠充和擱置狀態(tài)下，正負(fù)極板上的硫酸鉛沒有完全轉(zhuǎn)換成二氧化鉛和海綿狀鉛，部分硫酸鉛得不到及時(shí)還原，而小顆粒的硫酸鉛不斷溶解，并在極板上相對(duì)較大的硫酸鉛顆粒上重新結(jié)晶，變成更大顆粒的硫酸鉛。令一組電池保持滿電態(tài)開路靜置 1 a。結(jié)束后，將其中 2 只電池解剖，另2 只電池進(jìn)行充放電測(cè)試，然后解剖。解剖極板的SEM 如圖 2 所示。

圖2 正極活性物質(zhì) SEM 圖

從極板的 SEM 圖可以發(fā)現(xiàn)，靜置過程中確實(shí)會(huì)有大顆粒硫酸鉛的沉積出現(xiàn)，但是容量還是可以恢復(fù)的。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，即使容量恢復(fù)后，活性物質(zhì)中還是存在少量的硫酸鉛顆粒，不能完全轉(zhuǎn)換。這說明，大顆粒的硫酸鉛顆粒并非完全失去活性，大部分的顆粒還是可以完成轉(zhuǎn)換的。雖然大部分硫酸鉛沒有失去活性，即充電后還可以轉(zhuǎn)換，但是極板不同部位的硫酸鉛顆粒性質(zhì)有所不同，因此少量的硫酸鉛顆粒無(wú)法再變回活性物質(zhì)，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)受阻。另外，硫酸鉛屬于不良導(dǎo)電體，附著在極板上無(wú)疑增大了極板的電阻，降低了電池的充電效率。

長(zhǎng)時(shí)間的欠充和擱置，除了導(dǎo)致極板中部分硫酸鉛晶體不可恢復(fù)外，也會(huì)使硫酸鉛顆粒沉積在AGM 隔板中。這部分硫酸鉛晶體容易造成內(nèi)部短路，給電池造成致命的傷害[4]。針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間欠充和擱置的微短路單格，解剖取樣 AGM 隔板進(jìn)行 SEM表征，發(fā)現(xiàn) AGM 隔板中會(huì)有大量的小顆粒硫酸鉛顆粒沉積，如圖 3 所示。

圖3 AGM 隔板中的硫酸鉛顆粒（靜置 1 a 后）

1.3 過放電和大電流放電

造成過放電的原因主要是電池保護(hù)電壓低或者內(nèi)部的微電流放電。特別是對(duì)于老舊的電動(dòng)車，這種問題非常明顯。由于用戶在維護(hù)電池過程中沒有設(shè)置放電保護(hù)電壓或者把保護(hù)電壓設(shè)置得比較低，偶爾電動(dòng)車控制器的欠壓保護(hù)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置過低，電動(dòng)車控制器本身有質(zhì)量因素，以及控制器本身的電路設(shè)計(jì)導(dǎo)致電動(dòng)車的靜置電流過高，有的甚至高達(dá)100 mA，電動(dòng)車充足電后，即使不騎行，放置 2 d也會(huì)損失 5 Ah 左右的容量。然而，控制器的欠壓保護(hù)對(duì)于靜置電流根本不起作用，就導(dǎo)致了電池過放電[5]。

過放電的電池經(jīng)充滿電后，由萬(wàn)用表測(cè)得的電池開路電壓值較低。圖 4 所示為普通 2小時(shí)率電池 2 V 單體的放電曲線。放電開始時(shí)，單體電壓在2.2 V 左右，而且車載儀表上顯示滿格電量。隨著放電的進(jìn)行，電壓開始下降，且儀表顯示電量開始減少。當(dāng)電壓降到 1.85 V 后，電壓突然下降得比較厲害，且儀表顯示電量迅速耗盡。一般，整車廠設(shè)置保護(hù)電壓，以便電池電壓下降到保護(hù)電壓后停止供電來保護(hù)電池。如果繼續(xù)放電則會(huì)導(dǎo)致電池過放電，使電池電壓迅速下降。

圖4 2 小時(shí)率電池 2 V 單體放電曲線

電池生產(chǎn)廠在設(shè)計(jì)電池允許最大放電電流的參數(shù)時(shí)，考慮到了用戶在實(shí)際行駛過程當(dāng)中的路況，但還是有部分用戶采用大電流放電，將電池?fù)p壞。經(jīng)大電流損壞的電池充滿電后，用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，電池的開路電壓值較低，有的甚至出現(xiàn)了零電壓的現(xiàn)象。這主要是用戶在行駛過程中超負(fù)載所致。雖然新的電動(dòng)車國(guó)標(biāo)限制了帶人和帶貨的超負(fù)載現(xiàn)象，但是對(duì)于老款式的電動(dòng)車，這種現(xiàn)象還是比較明顯。一般，正常平路行駛過程中不會(huì)發(fā)生大電流放電，但是遇到上坡的路面，由于電流過大，極柱與匯流排之間或單格與單格之間的連接部位發(fā)熱嚴(yán)重，從而燒斷匯流排或極柱，形成斷路、斷格。

1.4 極柱漏液

小電池（如 10 Ah、12 Ah）極柱使用的是鍍銀的銅片，在裝車的過程中需要用焊錫絲將電池與線路連接。若使用的電烙鐵功率太高（建議使用功率為 50 W 的電烙鐵），焊錫絲質(zhì)量太差，或者焊接時(shí)間太長(zhǎng)，紅、藍(lán)膠下銅片與鉛極柱連接處就會(huì)融化，形成空隙，造成滲酸、漏液。大電池（如17 Ah、20 Ah）使用的是銅內(nèi)螺極柱，需要用螺絲固定電池與線路之間的連接。若旋扭得太松，易造成線路與電池之間的接觸點(diǎn)電阻增大，使接觸點(diǎn)發(fā)熱，導(dǎo)致銅內(nèi)螺極柱與鉛極柱連接處，以及底膠和紅、藍(lán)膠，由于高溫而融化，并且收縮形成空隙，造成滲酸、漏液。若旋扭得太緊，在旋扭的過程中用力過大會(huì)造成紅、藍(lán)膠開裂，形成空隙，從而導(dǎo)致滲酸、漏液。一旦極柱處漏液，電解液會(huì)通過縫隙腐蝕銅端子，導(dǎo)致接線導(dǎo)電不良，另外電池的密封性能也會(huì)受到影響，嚴(yán)重縮短電池的使用壽命。

2 電池維護(hù)方法

針對(duì)上述失效模式，用戶可以采取如下措施在日常的使用過程中予以維護(hù)：

2.1 過充電

過充電主要是由用戶沒有使用整車廠家配套的充電器充電所致，因此不同型號(hào)、不同品牌的電池充電器不應(yīng)混用。另外，用戶在更換電池后要了解原充電器參數(shù)是否適用于新電池。在充電過程中電池不可靠近火源、熱源等，且在炎熱季節(jié)中嚴(yán)禁在陽(yáng)光直接暴曬中充電。

2.2 欠充和擱置

根據(jù)充電器指示燈提示，當(dāng)指示燈由紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈時(shí)，代表電池已經(jīng)完成了第一階段和第二階段的充電，但是此時(shí)電池并沒有充滿。正常情況下，在顯示綠燈的狀態(tài)下維持 2 h 左右充電即可將電池充滿電，因此用戶應(yīng)該在充滿電后再停止充電。在沒有轉(zhuǎn)燈或者剛剛轉(zhuǎn)燈后就停止充電，會(huì)導(dǎo)致電池欠充電。對(duì)于電動(dòng)自行車使用頻率較低的用戶，擱置期間應(yīng)該將電池充滿電，禁止放完電或者是沒有充滿電的情況下擱置。擱置一段時(shí)間后，還應(yīng)該騎行 1～2 次，然后充滿電后再擱置，讓活性物質(zhì)保持活性狀態(tài)。

2.3 過放電和大電流放電

正常行駛過程中過放電的情況相對(duì)較少，而對(duì)于大電流放電，用戶在騎行過程中應(yīng)該要留意儀表的電量指示。如果顯示電量不足，應(yīng)該避免載人或者貨物，宜輕裝騎行，特別是遇到坡度較大的路況。每次騎行后都應(yīng)該給電池補(bǔ)充電，避免下次騎行時(shí)電量不足。

2.4 極柱漏液

用戶在給車換電池的過程中，極柱如果是鍍銀的銅片，應(yīng)該使用功率約 50 W 的電烙鐵焊接，避免使用大功率電烙鐵將紅藍(lán)膠破壞。如果極柱有螺紋，旋緊的過程中要注意力道。

3 結(jié)束語(yǔ)

閥控式鉛酸蓄電池作為電動(dòng)自行車的一個(gè)重要組成部分，對(duì)電動(dòng)車的性能起到一個(gè)至關(guān)重要的作用。從技術(shù)上將電池性能發(fā)揮極致是制造企業(yè)的使命，是技術(shù)人員永遠(yuǎn)不斷奮進(jìn)的方向，而用戶作為電池的最終使用者，也需要掌握正確的使用方法，在使用過程中保護(hù)好電池，不斷提高維護(hù)意識(shí)。只有雙方共同努力，才能夠真正有效提升電池的使用性能。