高型和低型電動助力車電池組循環壽命的差異

包有富,陳 勝

(浙江永達實業集團有限公司,浙江湖州 313100)

目前,國內用于電動助力車的閥控鉛酸(VRLA)電池主要有6-DZM-10、6-DZM-12、6-DZM-17和 6-DZM-20等 4種型號,其中 6-DZM-10和 6-DZM-12型為低型化設計,而6-DZM-17和6-DZM-20型為高型化設計。

這兩種設計方式主要是根據電池的容量和電動助力車電池盒的形狀尺寸來設計的,但在客戶使用后的信息反饋中,6-DZM-17和 6-DZM-20型的壽命不如 6-DZM-10、6-DZM-12型電池壽命穩定。

為了查明原因,本文作者進行了相關試驗及分析。

1 實驗

在3批已配組的6-DZM-12電池組(湖州產)和6-DZM-20電池組(湖州產)中,各隨機抽取 1組進行 100%DOD循環壽命測試。

實驗電池正極板柵為普通鉛銻鎘合金,負極板柵為普通鉛鈣合金,鉛膏配方為電動助力車電池的專用配方。電池所灌酸密度為普通電動助力車電池所使用的密度,采用與普通電動助力車電池相同的配組工藝。

用ZS400可調恒流蓄電池容量性能測試儀(杭州產),分別以2 h率的電流(6-DZM-12電池組為6 A,6-DZM-20電池組為10 A)將電池組恒流放電到終止電壓42 V,再用三段式(恒流-恒壓-浮充)車配48 V、10 Ah/12 Ah充電器(湖州產)和 48 V、17 Ah/20 Ah充電器(湖州產)進行 12～15 h的充電,記錄放電結束時的放電總時間。如此反復對電池進行循環壽命測試,待電池組放電時間為初期放電時間的70%時,視為電池組壽命終止。

為使實驗條件接近電動自行車的使用狀態,實驗在室溫下進行,整個實驗期間的溫度為5～30℃。

2 結果與討論

2.1 電池組的循環壽命對比

6-DZM-12和6-DZM-20電池組的循環壽命見圖1。

從圖1可知,正如客戶使用后的信息所反饋的,6-DZM-12電池組的100%DOD循環壽命比6-DZM-20電池組的要長,且達1倍以上,可以說兩種設計方式的電池循環壽命差異很大。

圖1 6-DZM-12和6-DZM-20電池組的循環壽命Fig.1 Cycle life of 6-DZM-12 and 6-DZM-20 batteries

2.2 原因分析

為了查明循環壽命產生差異的原因,在電池組壽命結束時對各單體電池的放電終止電壓進行跟蹤,結果見表1。

從表1可知,兩種電池組中各單體電池的放電終止電壓并無異常,即并不存在“單只落后”[1]的情況。

為了進一步分析循環壽命產生差異的原因,對已完全充滿電電池組的1只單體電池進行解剖。解剖發現,兩種電池的正極板柵筋條都完整無缺,負極板也都未發現異常,劃刮極板表面,極板露出金屬光澤。6-DZM-12電池組的正極板只是整體表面鉛膏軟化;6-DZM-20電池組的正極板鉛膏,上下軟化程度不一致,且下部的軟化比上部嚴重,與文獻[2]報道的極板下部放電深度深,極板上部放電深度淺吻合(極板經常處于深放電的部位易軟化)。

表1 電池組壽命結束時單體電池的放電終止電壓Table 1 The terminal cut-off voltage of single battery after batteries group invalid

為了了解極板上下部軟化程度不一致的原因,結合文獻[2],對解剖電池的隔板從電池高度的方向分成上、中、下等3部分,并將隔板中的酸擠出過濾,用移液管移入稱量瓶,再用稱重法測定電解液的密度(見表2)。

表2 電池組壽命結束時AGM隔板中電解液密度的分布情況Table 2 The distribution of electrolyte density absorbed in the AGM separator after batteries group invalid

從表2可知,6-DZM-20電池組經過循環后,電池高度方向上電解液密度的差異較明顯,即有明顯的電解液分層現象,該現象對電池的循環壽命不利[2];6-DZM-12電池組經過循環后,電池高度方向上電解液密度的差異不明顯。

綜上所述,6-DZM-20電池組與6-DZM-12電池組循環壽命的差異,主要是由于電解液在高度方向電解液分層所致(由于電解液的分層使得極板下部易軟化,導致壽命提前結束),即高型電池的電解液比低型電池的電解液易分層。

2.3 解決措施

要想延長6-DZM-20(高型)電池組的循環壽命,生產廠家可考慮:①通過增加隔板厚度提高裝配壓力,使隔板壓縮比更大,隔板的孔徑更小,這樣“毛細現象”的作用就會更顯著,可減緩電解液的分層;②采用更加貧液的設計,一方面受隔板“毛細現象”調節作用的影響(酸用量多,毛細現象作用不明顯,酸容易分層;酸用量少,則毛細現象作用明顯),另一方面酸用量可起到限容的作用,防止過多的活性物質參與反應,以延長電池的循環壽命[3];③在電池灌酸時,不要采用密度過高的電解液,一方面電解液密度越高越容易分層,另一方面由于車載充電器的充電電壓恒定,電解液密度過高會降低充電的倍率,容易導致電解液分層;④如果市場允許的話,盡量將電池進行低型化設計,以減輕電解液的分層。

3 結論

從以上電池的循環情況以及解剖分析可知,高型電動助力車電池組比低型電動助力車電池組循環壽命短是必然的,因為隨著循環的進行,電解液的分層是必然的。可以從改變隔板的壓縮比,改變電池的結構設計,改變電解液密度等方面進行研究,以延長電池的循環壽命。

[1] BAO You-fu(包有富).淺談電動助力車電池組電壓差現象[J].Battery Bimonthly(電池),2008,38(6):367-368.

[2] GUO Yong-lang(郭永榔),YAN Wen-zhu(嚴文珠),HU Jun-mei(胡俊梅),et al.鉛酸蓄電池電解液分層的研究[A].第十三次全國電化學會議論文集[C].Guangzhou(廣州):第十三次全國電化學會議,2005.780-781.

[3] BAO You-fu(包有富),YIN Ge-ping(尹鴿平),YU Mei-wen(俞美雯),et al.深放電對閥控式鉛酸電池性能的影響[J].Battery Bimonthly(電池),2002,32(2):83-84.