电动车蓄电池使用技术.doc

电动车蓄电池使用技术河南省电动车辆工程协会 段万容提要：更换新电池需要的资金较多，电动车的用户都希望能延长蓄电池的使用寿命。电池的合理维护和正确使用，可以大幅度延长蓄电池的使用寿命。本文就蓄电池使用条件和维护工艺两个问题，作以提纲性说明。关键词：蓄电池、维护、电动车电动车蓄电池的使用寿命，直接关系着电动车的运行成本。通常电动车的维修费用，90%都用于电池的更新。蓄电池在车辆上是由N个单节串联工作，其中只要有一个单节损坏，电池组便不能影响正常工作，电池组的可靠性只有电池单节数的1/N。用户都希望能延长蓄电池的使用时间，降低运行费用。电池按照国家标准出厂，其产品一般可以使用2年。销售电动车的商家，在销售电动车时，同时向用户提供较为先进的蓄电池维护工艺和使用条件的技术要求，才能达到降低使用运行成本的目的。现在电池一旦出现问题，往往是找电池厂索赔。这是由于电动车的用户不知道电池的实际可使用时间，并不是电池厂可以完全决定的，而是由多方面因素决定的。用户的合理使用方法和制定适合当地情况的报废标准，会大幅度延长蓄电池使用寿命。铅酸电池由于可再生使用，铅资源不会制约电池行业，价格相对较低。电动车进入民用市场，铅酸蓄电池必然会长期占据较大的市场份额。影响电动车铅酸电池的使用寿命的因素之间的逻辑关系见图1.从图中可见，造成蓄电池提前失效的原因，主要有维护工艺、不合理使用、充电不良和电池质量4方面的原因。这些原因，虽然相互交织，但基本符合上述的逻辑规律。现在就其中的问题做以说明。1维护工艺1.1均衡性控制1.1.1电池下线标准铅酸蓄电池在车上使用，电池的容量一直在发生变化。其变化的规律都有图2所示的变化过程。电池在使用初期，容量会逐步升高，达到最高点后，容量才会逐步降低，这个过程，不但各厂家的电池并不完全一样，就是同一个电池厂，同一批次生产的电池，配组后使用一段时间，各单体间容量也不是按“齐步走”的规律演变，而是会有很大的差别，这是正常的。电池厂生产的电池，一旦组合使用，就有各单节容量均衡性的问题。这些问题，单纯依靠电池厂，难以解决。电动自行车上的电池组，标称电压采用12V3结构的36V电压,电动摩托车采用12V4结构的48V电压。电动小矫车上采用100320V的电压，电动公交车采用300600V。电池组中单节容量不均衡的标准，实际就是控制的蓄电池下线标准。如果电池一旦出现不能满足行驶要求，就整组更换新品电池，这会使车辆的使用成本上升到使电动车失去商用价值的程度。蓄电池下线的控制标准，根据电动车充电后的使用条件制定。设电机的工作电流为I，要求连续工作时间不能低于T,电池的最低容量Cmin应为：Cmin=IT这就是说，电池组中最低电池容量不低于Cmin，就可以满足电动车的安全工作时间T。T与电动车的行驶距离直接相关。蓄电池安全维护的工作，就是要把低于安全限界Cmin的电池，如图3中的红色单节，及时用合格蓄电池更换掉。对其他的黄色、蓝色和绿色容量的电池，可以不必调整其均衡性。如果强调必须达到绿色水平，就要增加很多工作量，这在实际中往往是不合理的。串联蓄电池组的供电能力，是受电池组中最小电池容量制约的，如果不及时更换合格的蓄电池，电动车就不能达到要求的行驶里程。显然，时间T参数不是一个固定值，它与使用条件直接相关。这些使用条件有：道路的坡度，车的负载，充电条件、车辆检修周期等相关。这个标准顶的偏高，会造成电池的使用价值被浪费；标准顶的过低，会造成车辆行驶中的故障。在不同地区和行业，会有不同的参数值。蓄电池报废的国家或行业标准，通常按实际容量下降到标称容量的80%居多。这个标准，是在蓄电池进行型式试验时采用的参数，并不适用于蓄电池的用户。用户应根据自己的具体条件，制定自己的标准，这样可以充分利用蓄电池的使用价值，减少误报费，节约大量的资金。1.1.2检测设备有了电池的下线标准Cmin，就有了电池配组的工作依据。如何及时发现电池组中的失效电池？在高档电动车上，有能源管理系统，该系统的主要功能之一就是预告可能发展为失效电池的范围，并及时锁定已经失效单节的位置。这些参数，为车辆检修提供依据。这种管理系统的设计，需要综合计算机、电池、机械结构、整车布局等多方面的技术要求，技术含量高，价格较贵。有的电动公交车使用锂电池，在试运行阶段，每天电池的更新费用大于车票的收入。造成这一情况的直接原因，就是管理系统没有能控制蓄电池组的均衡性。在使用中虽然整组电池没有处在过充、过放工况，实际上个别单节却会存在着电池的过充和过放。锂电池正常循环寿命达103次，但是它比铅酸电池娇气，一次过充和过放就会造成永久性损坏，使电池的循环使用价值无法发挥。车辆使用中在短时间发生了电池的损坏，应首先查找能源管理系统的设计合理性和稳定性，能源管理系统就是电动车的神经系统。锂电池的维护性更换单节，尚有工艺技术问题：当电池组中一个电池失效时，更换上的备品电池，其结构容量和保有容量应和电池组一致，用什么工艺可以保障这个技术作业标准？如果达不到这个要求，电池组中的个别单节电池就会发生过充过放，由于更换失效电池的作业有作业时间的限制并有更换后功能的要求，现在尚未看到有成熟工艺的使用报道。在电动游览车和自行车上，尚没有这种系统。可以采用的方法的定周期人工检测蓄电池的容量均衡性。及时排除失效电池，保持蓄电池组的动力能力。对连体电池，采用的检测设备见图4。这种检测仪，检测蓄电池时，给蓄电池施加一个大的负载，经连续几秒钟时间，检测结束。检测结束后，电池的负载电流和负载电压同时锁定在显示板上，根据这两个参数，就可以判断蓄电池的技术状态。由于这种检测方法直接测量蓄电池的负载能力，所以检测数据的可信度较高，与普通万用表检测的电压值，表达的技术内涵完全不同。表中的数据是对连体电池检测仪对一组游览车电池的检测结果。节号电压V节号电压V节号电压V节号电压V15.6855.6695.59135.5223.8565.72105.69145.6835.7675.71115.72155.6945.5285.69125.69165.68注：电池规格是3-150Ah，已经使用14个月。从检测数据可知，2号电池是失效电池，应予以更换。用万用表检测电池的端电压，电压值都是6.306.32V，放电停止后，端电压会迅速回升，所以不能分辨失效单节。用连体电池检测仪检测一组蓄电池，需要15分钟时间。检测后不需要对蓄电池充电。用全放电的方法检测容量，不但需要几个小时时间，而且检测后，还需要用充电来补充放出的电量。对单体电池的检测，用图5所示的308型检测仪。这种检测仪用于检测1.23.6V的单体电池，检测时的负载可在50300A的范围调节，通常选用200A电流，对1000Ah的铅酸电池，就有保有容量的分辨能力。1.2补加水1.2.1加水工艺把密封蓄电池当作“免维护”电池，是一种误解。技术意义上的免维护电池是不存在的。对密封蓄电池适当补加不含硫酸的去离子水，可大幅度延长蓄电池寿命。“适当”的含义是及时和适量。通常半年一次是合适的，加水量根据消耗量而定，一般加水10分钟后，可见到液面即可。连体电池如果加水量超过穿壁焊的位置，容易造成相邻单格间电解液联通，造成电池短路。2V电池水位超过汇流排位置，就会加速汇流条的晶间腐蚀，造成电池的损坏，如图6所示。电动自行车电池，由于是接近与地面90。安装，注水量更要严格控制。1.2.2水质标准蓄电池补水的水电导率须500K.cm，用离子交换柱制备的纯水可以达到这个标准。饮用纯水通常达不到这个标准，矿泉水更不能使用，矿泉水中有的元素对人体有益但对电池有害。加入不合格的水，轻会造成蓄电池自放电增大，重则会造成电池迅速失效。纯净水是绝缘的，根据这一特性，用简易方法可以粗略判断水质是否合格。2不合理使用2.1放电深度控制蓄电池在使用中，应避免电池的深度放电。放电深度控制包含两个概念：容量放电深度和电流放电深度。在容量深度放电条件下，铅酸电池由于极板发生较大程度的涨缩，造成活性物质的脱落。这就会造成蓄电池永久性损伤。这就需要用户在可能的条件下，尽可能多次给蓄电池充电。例如到达上班地点后，就给蓄电池充电，不要等到下班后才充电。这样操作，就可以把蓄电池的放电深度减少一半。电动游览车在中午司机休息时，可给蓄电池做一次充电，即使充入电量达不到“充足”状态，对延长蓄电池使用寿命都是有益的。每半年时间，用车辆行驶的负载对蓄电池做一次全容量的放电，就可测量出实际容量。根据测定值，就可知道80%的实际容量CSJ对应是多少。使用中尽可能不要超过CSJ这个容量.过放电会造成铅酸蓄电池极板的过度膨胀，造成极板活性物质晶体结构的变化，加速活性物质的脱落，使电池提前失效。过度放电的标准就是保有容量低于结构容量的20%。锂电池的过度放电现在的说法是端电压不低于供电时2V。电池厂应提供使用时，在不同的放电电流条件下，在不同的环境温度下，低于2V多少时间或继续放出x%的容量，就造成电池永久性容量损失Kx%。这个参数，是制定电池组容量均衡性标准的重要依据。电流放电深度的含义是大电流放电工况。锂电池的大电流放电性能低于铅酸电池，铅酸电池可用10C的电流持续放电，镉镍电池可提供20C的电流，锂电池限制在6C。在电动车起步的时候，电机处于“堵转”状态，放电电流最大。虽然这种工况持续时间只有秒的数量级，锂电池的厂家应提供在这种条件下，锂电池可以提供的动力特性。这个特性要求，决定着电动车的加速性能。最大电流应用主控电路的电流限制予以保障。2.2对库存电池及时充电蓄电池是有自放电的，即使不使用电池，电池中的电量也会逐步消失。通常可在13个月内做一次充电。具体时间根据保有容量CB数值确定，通常CB值不应低于30%。铅电池的备品保有容量应达到结构容量的水平，采用库存充电机对备品电池进行维护性作业，可避免许多电池的库存损坏。库存充电机如图7.这种充电机可对累计电压不超过250V的电池串进行长期充电，不会造成电池的过充电损坏。锂电池的备品管理比铅酸电池严格，锂电池的备品不能完全充满，也不能容量为零，完全充满和容量为零的备品电池，更换到蓄电池组中，就会和电池组的实际容量不匹配。锂电池的备品，应按结构容量分档，在每档中按保有容量分组。“档”和“组”的容量差别，依据当地电池容量均衡性标准确定。对锂电池的“娇气”如果尊重不足，就会付出成本上升的代价。电池使用条件的严格程度依次是：镉镍电池、开口铅酸电池、阀控制密封铅酸电池、锂电池。3充电不良3.1过充电3.1.1充电机故障当充电机发生如下的故障时，会导致充电电压的升高，这就造成蓄电池的过充电。这种故障，有时并不是表现为不输出充电电流的“损坏”，而是表现为不符合充电合理参数要求的“失准”。后一种损坏，往往造成蓄电池的提前损坏，而且由于用户没有检测手段，不容易被发现。蓄电池的充电，是在一个小的电压范围内进行，对单节的铅酸密封电池，通常上限电压为2.332.35V为好，对开口电池，上限电压应在2.302.32为好，偏差应控制在1%。这个稳压要求，高于市电220V的精度，没有自动控制的充电机是达不到这个精度的。在这个电压下，电池可避免过充电损伤，但需要充电时间较长，往往在具体条件下难以采用。充电机上的仪表，应纳入计量管理，定期校准，许多用户难以做到。3.1.2参数设置在串联充电条件下，智能充电机出厂设置是按单节容量均衡、温度25的标准条件设置的。充电机在用户手里，电池组的实际情况就不是这样了。具体输出应根据用户的实际作以调节，调节的合理性应根据“充电过程少出气的”的原则进行。大量的情况是，铅酸蓄电池多是“充坏的”，而不是“用坏的”。 过充电造成电池大量损坏，解剖失效的电池，如果正极板栅断筋严重，就能说明主要是过充电所致。延缓电池正极板损伤的措施是采用对正极有保护作用的添加剂，可把正极板的过充电腐蚀降低50%左右，借此可大幅度延长蓄电池的寿命。铅酸蓄电池的充电操作通常是按需要补充容量的1.2倍计算，超过这个值就是过充电。锂电池的过充电尚没有技术定义，电池厂家应提供类似的数据，作为过充电的标准，为充电机的参数设定提供依据。这些数据应说明，当锂电池保有容量达到结构容量时，用多大的电流，在多少温度下，充多少时间电池就发生多少程度的永久性损坏。3.2欠充电3.2.1落后单节电池组中的落后单节会造成整组电池充电不足，使电池的损坏“扩散”。造成这种损坏的原因是：落后电池在串联充电时，由于容量较小，其他电池尚没有充足电时，落后电池因已经充足电，会表现出端电压升高。这种电压升高反映到“智能充电机”的输出端，充电机就会自动把电流降下来，于是长期其他电池就不能得到需求的电量。这种情况，每次充电都要发生，于是，电池的充电不足就造成蓄电池组中许多电池的提前损坏。3.2.2极板硫化铅酸蓄电池如果长期处在低保有容量状态，极板就会发生“不可逆硫酸盐化”，这就使通常所说的硫化。除硫化的方法有化学法和物理法两类。物理法副作用较小。浅度硫化的处理可恢复电池的良好状态，深度硫化的电池，由于极板活性物质脱落较多，除硫化的效果难以保障质量。3.2.3连接不良铅酸蓄电池的外部联结，往往由于连接处被腐蚀，造成接触电阻增大。腐蚀物用碱性碳酸钠容易能方便的去除。腐蚀物不但减少了充入的电量，而且减少了蓄电池组输出的动力性能。应定期去除腐蚀物，并在接触面上涂凡士林。这种维护，至少半年应做一次。4电池质量4.1电池连带报废电动车设计时，较多设计都采用连体电池结构，把3个单节或6个单节电池做成一体。这样就造成电池的连带报废，连体电池中有一个电池失效，其余电池也不能使用，使电池的报废成倍增加。在电池串的使用中，应尽可能采用单体电池串