鉛酸蓄電池的經(jīng)濟壽命

郭自強

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鉛酸蓄電池的經(jīng)濟壽命

郭自強

（中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專委會技術(shù)服務(wù)中心，上海 200126）

本文介紹挖掘鉛酸蓄電池壽命潛力的工作。放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系為挖掘鉛酸蓄電池壽命潛力指明了方向并提供了參考數(shù)據(jù)。提出了經(jīng)濟放電深度和經(jīng)濟壽命的概念。經(jīng)濟放電深度約40%；經(jīng)濟壽命約2000次；放出最大總?cè)萘考s800C。

鉛酸蓄電池 閥控鉛酸蓄電池 循環(huán)壽命 放電深度

0 引言

鉛酸蓄電池是已有100多年歷史的產(chǎn)品，因其性能合適、價格便宜、材料來源豐富、技術(shù)和制造工藝較成熟、安全可靠、鉛回收技術(shù)成熟且回收率高等綜合因素，經(jīng)市場檢驗、考核已成為潛艇、電動自行車等多種應(yīng)用領(lǐng)域主要采用的動力電池。但其笨重、比能量較低，壽命不夠長是主要缺點。因此有些人認(rèn)為鉛酸蓄電池是落后、過時的產(chǎn)品，甚至有些不負(fù)責(zé)任的官員將其作為垃圾技術(shù)，應(yīng)用的前途不大，生命期不長，只是過渡性產(chǎn)品。我們認(rèn)為這種觀點不一定正確。實際上，鉛酸蓄電池在100多年的歷史中一直不斷地在改進提高，有的是革命性的飛躍式提高，近年來我國電動自行車用閥控鉛酸蓄電池的水平有很大提高就是不斷改進提高的好例子。我們應(yīng)該重視對它的進一步研究和改進提高。

經(jīng)過多年的研究試驗工作證明鉛酸蓄電池的壽命還有相當(dāng)大的潛力可挖掘。本文把在這方面做的研究試驗工作介紹給大家，相信對潛艇鉛酸蓄電池也是有用的。

1 挖掘鉛酸蓄電池壽命潛力的依據(jù)

眾所周知，鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命與放電深度（DOD）有關(guān)[1]。圖1是常見的閥控鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系圖[2]。根據(jù)放電深度可以得到每次放電的放出容量，乘以相應(yīng)放電深度下的循環(huán)壽命，可以得到放出總?cè)萘俊Ｎ覀儗难h(huán)壽命與放電深度關(guān)系轉(zhuǎn)化而來的放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系曲線一并列在圖1上。從圖可見：

1）循環(huán)壽命次數(shù)與放電深度關(guān)系是隨放電深度降低單邊上升的曲線。100%放電深度時循環(huán)壽命約400次，15%放電深度時循環(huán)壽命約4 300次。

2）放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系不同于循環(huán)壽命次數(shù)與放電深度關(guān)系，是在一定放電深度下有最大放出總?cè)萘康那€。

3）我們將放出最大總?cè)萘康姆烹娚疃确Q為經(jīng)濟放電深度；在經(jīng)濟放電深度下得到的循環(huán)壽命稱為經(jīng)濟壽命。

4）閥控鉛酸蓄電的經(jīng)濟放電深度約40%；經(jīng)濟壽命約2 000次；放出最大總?cè)萘考s800C（C為蓄電池的額定容量，單位為Ah）。

5）明顯大于或小于最經(jīng)濟放電深度下工作、運行都不能放出最大總?cè)萘俊Ｒ虼思词狗烹娚疃葴\時循環(huán)壽命次數(shù)較大，但不是最經(jīng)濟的循環(huán)壽命次數(shù)。

綜上所述，由圖1中循環(huán)壽命次數(shù)與放電深度關(guān)系轉(zhuǎn)化得到的放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系的曲線，為我們充分挖掘閥控鉛酸蓄電壽命潛力指明了方向并提供了近似的參考數(shù)據(jù)。那就是：讓鉛酸蓄電在經(jīng)濟放電深度（約40%）下工作、運行；可放出最大總?cè)萘浚s800C）；得到的循環(huán)壽命是經(jīng)濟壽命（約2 000次）。

圖1 常見的閥控鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命和放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系圖

2 實現(xiàn)經(jīng)濟壽命的實踐

根據(jù)圖1為我們指明充分挖掘閥控鉛酸蓄電壽命潛力的方向和提供的近似參考數(shù)據(jù)，我們進行了摸索和驗證性的研究、試驗。

2.1 電池的選擇

試驗電池采用上海海寶特種電池廠2011年底生產(chǎn)的電動自行車用DZM16型電池。該型電池8 A放電的額定容量為16 Ah，初期實際放電容量為18.66 Ah；5 A放電的初期實際放電容量為19.6 Ah。質(zhì)量穩(wěn)定，一致性較好。

2.2 運行方案

根據(jù)目的，我們將4塊DZM16型電池分成兩組，每組24 V，并設(shè)計了運行方案。

2.2.1運行方案1

1）工作（放電）電流為5A；放電時間1.6小時或約8 Ah，按DZM16型閥控鉛酸蓄電池的初期實際放電容量計，放電深度約為40%，預(yù)期循環(huán)壽命在1 500-2 000次。

2）測定每次放電結(jié)束時的電壓，并觀察其隨循環(huán)的變化。

3）采用普通電動自行車上用的29.5 V 2 A的充電器對閥控鉛酸蓄電池充電至“完全充電”。

4）按1）-3）連續(xù)進行充放電循環(huán)。

5）每隔50-100次對閥控鉛酸蓄電池進行容量檢查（5 A放電至21 V），并觀察其容量隨循環(huán)的變化。

6）容量檢查后，對閥控鉛酸蓄電池進行“完全充電”的維護，隨后再進行容量檢查，觀察維護前后的容量變化及其隨循環(huán)的變化。

7）在50-100次連續(xù)充放電循環(huán)期間，如果連續(xù)有3次循環(huán)在放電1.6小時或約8 Ah時，電池的電壓低于21.0 V，則對電池進行容量檢查。如果容量檢查時的容量在溫度修正后的容量仍低于8 Ah，則此電池的壽命到了終點。

此運行方案特點是：放電時，每次實際放出的容量或時間是相同的；充電時，閥控鉛酸蓄電池每次都充至“完全充電”，

2.2.2運行方案2

1）工作（放電）電流為5 A；放電時間1.6小時或約8 Ah。與運行方案1相同

2）測定每次放電結(jié)束時的電壓，并觀察其隨循環(huán)的變化。

3）閥控鉛酸蓄電池每次都略有欠充，沒有達(dá)到“完全充電”，而且隨著連續(xù)循環(huán)進行累積的欠充程度增大，因此實際是處于部分荷電狀態(tài)下工作。

4）按1）-3）連續(xù)進行充放電循環(huán)。

5）每50-100次對兩種電池進行容量檢查（5 A放電），并觀察其容量隨循環(huán)的變化。

6）容量檢查后，對閥控鉛酸蓄電池進行“完全充電”的維護，隨后再進行容量檢查，觀察維護前后的容量變化及其隨循環(huán)的變化。

7）在50-100次連續(xù)充放電循環(huán)期間，如果連續(xù)有3次循環(huán)在放電1.6小時或約8 Ah時，電池的電壓低于21.0 V，則對電池進行容量檢查。如果容量檢查時的容量在溫度修正后的容量仍低于8 Ah，則此電池的壽命到了終點。

此運行方案特點是：充電時，閥控鉛酸蓄電池每次都沒有充至“完全充電”，都略有欠充，而且隨著連續(xù)循環(huán)進行累積的欠充程度增大，因此實際是處于部分荷電狀態(tài)下工作；放電時，每次實際放出的容量或時間是相同的。

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1運行方案1的結(jié)果

圖2是按運行方案1運行中電池組容量和電壓隨循環(huán)變化的曲線圖。從圖可見，從容量和電壓都可判斷實際循環(huán)壽命約670次，放出總?cè)萘考s5 400 Ah（約330C），沒有達(dá)到放出最大總?cè)萘亢妥罱?jīng)濟壽命。

圖3是按運行方案1運行的兩塊電池平均累計失水量隨循環(huán)變化的曲線圖。從圖可見，在約530次循環(huán)，兩塊電池平均累計失水量已達(dá)到100 g，出現(xiàn)了熱失控癥狀。為了抑制熱失控癥狀，在580次循環(huán)進行了補水。

2.3.2運行方案2的結(jié)果

圖4是按運行方案2運行中電池組容量和電壓隨循環(huán)變化的曲線圖。從圖可見，從容量判斷循環(huán)壽命約1 950次，放出總?cè)萘考s15 600 Ah（約800或1 000 C），達(dá)到了放出最大總?cè)萘亢徒咏?jīng)濟壽命；從電壓判斷循環(huán)壽命最低約1 700次，經(jīng)過維護可延長到1 900-2 000次，放出總?cè)萘考s16 000 Ah（約800-1 000C），可達(dá)到放出最大總?cè)萘亢徒咏?jīng)濟壽命。

圖3 按運行方案1運行的兩塊電池平均累計失水量隨循環(huán)變化的曲線圖

圖5是按運行方案2運行的兩塊電池平均累計失水量隨循環(huán)變化的曲線圖。從圖可見，到1 900次循環(huán)，兩塊電池平均累計失水量只有50 g，沒有出現(xiàn)熱失控癥狀，也不需要進行補水。按運行方案2運行、工作有效降低了失水率，延緩了熱失控的出現(xiàn)。

3 合適的運行和維護制度

我們研究、試驗的經(jīng)驗和結(jié)果表明：圖1雖然為我們充分挖掘閥控鉛酸蓄電池壽命潛力指明了方向并提供了近似參考數(shù)據(jù)，但不是簡單地將閥控鉛酸蓄電池在經(jīng)濟放電深度（約40%）下工作、運行就能放出最大總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟壽命。要實現(xiàn)放出最大總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟壽命，不但要使閥控鉛酸蓄電池的在最經(jīng)濟的放電深度下運行、工作，而且要使閥控鉛酸蓄電池在合適的運行和維護制度下工作、運行。否則，就不能放出最大總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟壽命。

圖5 按運行方案2運行的兩塊電池平均累計失水量隨循環(huán)變化的曲線圖

合適的運行和維護制度主要要點：

1）不要在每次循環(huán)都將閥控鉛酸蓄電池充電至“完全充電”狀態(tài)，這點是突破了傳統(tǒng)的充電觀念。

2）讓閥控鉛酸蓄電池在部分荷電狀態(tài)（即欠充電）下運行、工作，這樣還可效降低了失水率，延緩了熱失控的出現(xiàn)。

3）定期（約半年）對閥控鉛酸蓄電池進行容量檢查式的深放電和進行“完全充電”式的充滿電。

4 結(jié)語

1）從循環(huán)壽命次數(shù)與放電深度關(guān)系可轉(zhuǎn)化得到的放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系的曲線（見圖1）。

2）從放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系圖可以看出是在一定放電深度下有最大放出總?cè)萘浚鼮槌浞滞诰蜷y控鉛酸蓄電池壽命潛力指明了方向并提供了近似參考數(shù)據(jù)。

3）提出了最經(jīng)濟放電深度和最經(jīng)濟壽命的概念。

4）閥控鉛酸蓄電最經(jīng)濟放電深度約40%；最經(jīng)濟壽命約2 000次；放出最大總?cè)萘考s800C。

5）研究試驗的結(jié)果表明：在最經(jīng)濟放電深度下工作、運行，最經(jīng)濟壽命和放出最大總?cè)萘渴强梢詫崿F(xiàn)的。

6）要實現(xiàn)放出最大總?cè)萘亢偷玫阶罱?jīng)濟壽命，不但要使閥控鉛酸蓄電池的在最經(jīng)濟的放電深度下運行、工作，而且要使閥控鉛酸蓄電池在合適的運行和維護制度下工作、運行。否則，就不能放出最大總?cè)萘亢偷玫阶罱?jīng)濟壽命。

7）按照傳統(tǒng)充電觀念，要每次循環(huán)都將閥控鉛酸蓄電池充電至“完全充電”狀態(tài)，這是不合適的運行制度，不能放出最大總?cè)萘亢偷玫阶罱?jīng)濟壽命。

8）合適的運行和維護制度是：讓閥控鉛酸蓄電池在部分荷電狀態(tài)（即欠充電）下運行、工作，并且定期（約半年）對閥控鉛酸蓄電池進行容量檢查式的深放電和進行“完全充電”式的充滿電。

9）讓閥控鉛酸蓄電池在部分荷電狀態(tài)（即欠充電）下運行、工作還有效降低了失水率，延緩了熱失控的出現(xiàn)。

我們的研究試驗工作對象是電動自行車用閥控鉛酸蓄電池，與富液開口式潛艇鉛酸蓄電池有些差別，但是鉛酸蓄電池循環(huán)壽命次數(shù)與放電深度關(guān)系，以及轉(zhuǎn)化得到的放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系是相近的，具體的經(jīng)濟放電深度和經(jīng)濟壽命及放出最大總?cè)萘靠赡苡行┢睢Ａ硗猓瑖鉂撏б延胁捎瞄y控鉛酸蓄電池，我國對潛艇用閥控鉛酸蓄電池正在開展研究。因此，我們相信對潛艇鉛酸蓄電池研究和使用工作者本文有一定的參考作用，以便開展相應(yīng)的工作。

[1] 朱松然. 鉛蓄電池技術(shù). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000: 77

[2] 朱明海, 周壽斌. 電動自行車用鉛酸蓄電池的工藝改進. 中國自行車, 2012, (6): 48.

Economical Cycle Life for Lead-acid Batteries

Guo Ziqiang

( Technical Service Center of EV Institute of CES, Shanghai 200126, China)

TM912.1

A

1003-4862（2014）02-0013-04

2013-07-18

郭自強(1938-)，男，電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專委會委員。研究方向：化學(xué)電源。