延長電動自行車深充放循環電池壽命的研究

www.gzyongxun.cn 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：2005-12-21

為了延長電動自行車的使用壽命，做了實驗研究：試驗電池均采用涂膏式極板，鉛膏中含有一定量的FD型復合添加劑和少量高活性磺化導電纖維。正極板柵合金為低鈣及含Sn量稍高的Pb-Ca-Sn等五元合金。負極板柵為低Sn的Pb-Ca-Sn-Al合金。通過容量和循環壽命實驗證明：通過以上技術使電池的初始比能量達到2h率36.8Wh/kg；在適當限制初始比能量、改進電極板配方及制造工藝的條件下，可將電池深循環延長至700次以上，使電動自行車電池在小于180W 電機配套的條件下具有1.5-2年的使用壽命。 1前言近5年來，電動自行車市場(Rialto)得到了前所未有的發展。然而，幾年來發展電動自行車的實踐表明，電池壽命仍制約著電動自行車的發展。雖然，在性能價格比、安全可靠性和高、低溫性能上，閥控式鉛酸蓄電池目前還占有明顯優勢，使其在近年的電動自行車配套率在95%以上。但由于電池性能的良莠不齊，尤其是深充放循環壽命的不理想，仍極大地(Terra)影響著電動車市場(Rialto)的發展潛力。通過近幾年的努力，本課題組自1995年開始就致力于延長電池的循環壽命的研究，終于使電池的深充放循環壽命得到了顯著的延長，從而為電動自行車市場(Rialto)研制出具有更長使用壽命的閥控式電池。 2實驗供試驗用的長壽命閥控式鉛酸電池為當前電動自行車、電動摩托車上廣泛使用的12V10Ah、12V17Ah和12V20Ah3種規格。在上述電池中，根據目前市場(Rialto)最大配套要求，又選定12V10Ah電池作為長壽命電池的研究重點。試驗電池均采用涂膏式極板，鉛膏中含有一定量的FD型復合添加劑和少量高活性磺化導電纖維。正極板柵合金為低鈣及含Sn量稍高的Pb-Ca-Sn等五元合金，負極板柵為低Sn的Pb-Ca-Sn-Al合金。生極板經槽外化成、洗滌并干燥后，采用AGM隔板裝配成12V電池。12V10Ah電池每單格內含有13片極板（其中6片為正極板，7片為負極板）。含不同添加劑的電解液密度約為1.32-1.35g/cm3，電解液中含有少量可有效抑制微晶短路和極板硫酸鹽化的添加劑或配制成含此種添加劑的亞膠體形態。加酸后的電池平均重量約4.4kg。12V17Ah電池每單格含有9片極板（其中4片為正極板，5片為負極板）。電解液密度與12V10Ah電池相同，電池的平均重量約6.2kg。12V30Ah電池除極板較12V17Ah的高出14mm之外，其余結構與12V17Ah相同。電池的平均重量約7kg。電池的整體結構依型號不同采用2×3或1×6的單格排列方式。電池外殼為ABS注塑而成，內部單格電池之間的連接為跨焊方式。 3結果與討論 3.1電池的容量特性圖1示出采用F-I型新技術制造的電池與常規Pb-Ca-Sn電池的性能比較。由圖中可見，電池的初始放電性能明顯超過常規電池。依不同放電終止電壓時所測得電池的初始容量可求得電池以2h率放電的初始比能量，當電池的放電終止電壓為10.5V時，采用F-I型配方制造的電池，其平均重量比能量可達36Wh/kg以上。若以9.6V為放電終止電壓，則其重量比能量可達36.4-37.7Wh/kg，與本課題組送檢電池并經上海市質檢所測得的36.8Wh/kg的比能量值十分接近。 3.2充放循環壽命 3.2.1電池按70%DOD充放時的循環壽命按照F-I型工藝制造的電池，雖然具有較高的初始容量和較大的比能量，但電池在循環充放中容量下降較快，深循環壽命較短。為此，我們在F-Ⅱ型電池中削減了電池的初始容量，以降低電池的循環放電深度。按照電動自行車用密封鉛酸蓄電池的部頒標準（JB/T10262-2001），將12V10Ah電池模擬實車行駛，以恒壓16V、限流1.5A充電5.6h，5A恒流放電1.4h為循環周期（即2h率放電70%DOD）進行循環充放，測得F-ⅡB型電池具有718次的循環壽命（見圖2），是常規Pb-Ca-Sn合金電池壽命（平均350次）的2倍以上。而與F-ⅡA型（非膠狀電解液）的電池相比，其壽命亦有較明顯的提高。3.2.2電池按100%DOD充放時的循環壽命分別采用F-ⅡA、F-ⅡB型工藝及常規技術研制了3種類型的12V10Ah電池，電池以14.6-14.8V恒壓、1.5A限流充電9.5h，5A恒流放電至10.5V為循環周期（即2h率放電100%DOD）進行放電壽命試驗（見圖3）。圖中曲線表明：采用F-ⅡB型技術后的電池，在100%DOD的全充放條件下，電池循環至735次，仍具有64min的放電容量。這一結果表明，在適當限制初始容量并合理選用FD復合添加劑和亞膠體的電動自行車電池，即使在上述的深循環條件下，亦具有可能運行1.5-2a以上的使用壽命。 3.2.3電池的快速等效循環壽命自電動自行車普及以來，電動自行車制造商為快速驗證電池的優劣，行業中公認了一種嚴格的快速等效循環壽命檢測法。該方法規定：每一次循環充放中，12V10Ah電池應以20A（>2倍率）電流放電18min（相當于以2C的電流放電至60%DOD），再以10A（1倍率）電流充電42min。此種大電流快速充、放電對電池性能要求極為嚴格。由于充、放電流大，電池發熱嚴重，失水快，很容易損壞。顯然，該法的檢測結果與電池的實際深充放能力并沒有平行關系，但作為電動車廠家短期快速評價電池性能，仍具有一定的參考價值。圖4示出了采用F-ⅡA技術、F-ⅡB技術以及常規型的電池的快速充放壽命對比曲線。由圖中可見，采用F-ⅡA技術的電池，其快速充放循環達到519次，顯著優于F-ⅡB技術型和常規Pb-Ca-Sn合金電池，這可能與不同種類電解液的離子電導性能有關。上述研究結果充分表明，在電池制造中采用了上述幾項新技術之后，完全可將電動自行車電池的使用壽命延長至1.5-2a。上述電動自行車電池所具有較長深循環壽命，可能與下列因素有關：（1）高活性正極FD型復合添加劑的使用及改進后的正負極配方對提高電極活性物質利用率和減少循環中容量的衰減具有重要的作用；（2）低鈣正極板柵的使用有助于降低腐蝕膜的生長速度(Tempo)和膜阻抗；（3）和膏中采用P-GB添加劑可增強活性物質顆粒間和活性物質與板柵間的結合能力。（4）正確選擇鉛膏的視密度、含酸量、極板固化溫濕度、電池的加酸量，以及正負極活性物質的比例，對提高電池深循環過程中容易的穩定性也具有一定作用。■