郭自強(qiáng)

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鉛酸蓄電池的經(jīng)濟(jì)壽命

郭自強(qiáng)

（中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專委會(huì)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(jì)放電深度和經(jīng)濟(jì)壽命的概念。經(jīng)濟(jì)放電深度約40%；經(jīng)濟(jì)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(jià)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(yàn)、考核已成為潛艇、電動(dòng)自行車等多種應(yīng)用領(lǐng)域主要采用的動(dòng)力電池。但其笨重、比能量較低，壽命不夠長是主要缺點(diǎn)。因此有些人認(rèn)為鉛酸蓄電池是落后、過時(shí)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(diǎn)不一定正確。實(shí)際上，鉛酸蓄電池在100多年的歷史中一直不斷地在改進(jìn)提高，有的是革命性的飛躍式提高，近年來我國電動(dòng)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(jìn)提高的好例子。我們應(yīng)該重視對它的進(jìn)一步研究和改進(jìn)提高。

經(jīng)過多年的研究試驗(yàn)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(yàn)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?。我們將從循環(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(shí)循環(huán)壽命約400次，15%放電深度時(shí)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(jì)放電深度；在經(jīng)濟(jì)放電深度下得到的循環(huán)壽命稱為經(jīng)濟(jì)壽命。

4）閥控鉛酸蓄電的經(jīng)濟(jì)放電深度約40%；經(jīng)濟(jì)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(jì)放電深度下工作、運(yùn)行都不能放出最大總?cè)萘?。因此即使放電深度淺時(shí)循環(huán)壽命次數(shù)較大，但不是最經(jīng)濟(jì)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(jì)放電深度（約40%）下工作、運(yùn)行；可放出最大總?cè)萘浚s800C）；得到的循環(huán)壽命是經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)壽命的實(shí)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(jìn)行了摸索和驗(yàn)證性的研究、試驗(yàn)。

2.1 電池的選擇

試驗(yàn)電池采用上海海寶特種電池廠2011年底生產(chǎn)的電動(dòng)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(shí)際放電容量為18.66 Ah；5 A放電的初期實(shí)際放電容量為19.6 Ah。質(zhì)量穩(wěn)定，一致性較好。

2.2 運(yùn)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(jì)了運(yùn)行方案。

2.2.1運(yùn)行方案1

1）工作（放電）電流為5A；放電時(shí)間1.6小時(shí)或約8 Ah，按DZM16型閥控鉛酸蓄電池的初期實(shí)際放電容量計(jì)，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(shí)的電壓，并觀察其隨循環(huán)的變化。

3）采用普通電動(dòng)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(jìn)行充放電循環(huán)。

5）每隔50-100次對閥控鉛酸蓄電池進(jìn)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(jìn)行“完全充電”的維護(hù)，隨后再進(jìn)行容量檢查，觀察維護(hù)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(shí)或約8 Ah時(shí)，電池的電壓低于21.0 V，則對電池進(jìn)行容量檢查。如果容量檢查時(shí)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(diǎn)。

此運(yùn)行方案特點(diǎn)是：放電時(shí)，每次實(shí)際放出的容量或時(shí)間是相同的；充電時(shí)，閥控鉛酸蓄電池每次都充至“完全充電”，

2.2.2運(yùn)行方案2

1）工作（放電）電流為5 A；放電時(shí)間1.6小時(shí)或約8 Ah。與運(yùn)行方案1相同

2）測定每次放電結(jié)束時(shí)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(jìn)行累積的欠充程度增大，因此實(shí)際是處于部分荷電狀態(tài)下工作。

4）按1）-3）連續(xù)進(jìn)行充放電循環(huán)。

5）每50-100次對兩種電池進(jìn)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(jìn)行“完全充電”的維護(hù)，隨后再進(jìn)行容量檢查，觀察維護(hù)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(shí)或約8 Ah時(shí)，電池的電壓低于21.0 V，則對電池進(jìn)行容量檢查。如果容量檢查時(shí)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(diǎn)。

此運(yùn)行方案特點(diǎn)是：充電時(shí)，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(jìn)行累積的欠充程度增大，因此實(shí)際是處于部分荷電狀態(tài)下工作；放電時(shí)，每次實(shí)際放出的容量或時(shí)間是相同的。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1運(yùn)行方案1的結(jié)果

圖2是按運(yùn)行方案1運(yùn)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(shí)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(jì)壽命。

圖3是按運(yùn)行方案1運(yùn)行的兩塊電池平均累計(jì)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(jì)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(jìn)行了補(bǔ)水。

2.3.2運(yùn)行方案2的結(jié)果

圖4是按運(yùn)行方案2運(yùn)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(jì)壽命；從電壓判斷循環(huán)壽命最低約1 700次，經(jīng)過維護(hù)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(jì)壽命。

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

圖5是按運(yùn)行方案2運(yùn)行的兩塊電池平均累計(jì)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(jì)失水量只有50 g，沒有出現(xiàn)熱失控癥狀，也不需要進(jìn)行補(bǔ)水。按運(yùn)行方案2運(yùn)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(yùn)行和維護(hù)制度

我們研究、試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)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(jì)放電深度（約40%）下工作、運(yùn)行就能放出最大總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟(jì)壽命。要實(shí)現(xiàn)放出最大總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟(jì)壽命，不但要使閥控鉛酸蓄電池的在最經(jīng)濟(jì)的放電深度下運(yùn)行、工作，而且要使閥控鉛酸蓄電池在合適的運(yùn)行和維護(hù)制度下工作、運(yùn)行。否則，就不能放出最大總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟(jì)壽命。

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

合適的運(yùn)行和維護(hù)制度主要要點(diǎn)：

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(diǎn)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(yùn)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(jìn)行容量檢查式的深放電和進(jìn)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(jì)放電深度和最經(jīng)濟(jì)壽命的概念。

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

5）研究試驗(yàn)的結(jié)果表明：在最經(jīng)濟(jì)放電深度下工作、運(yùn)行，最經(jīng)濟(jì)壽命和放出最大總?cè)萘渴强梢詫?shí)現(xiàn)的。

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

8）合適的運(yùn)行和維護(hù)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(yùn)行、工作，并且定期（約半年）對閥控鉛酸蓄電池進(jìn)行容量檢查式的深放電和進(jìn)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(yùn)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(yàn)工作對象是電動(dòng)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(jì)放電深度和經(jīng)濟(jì)壽命及放出最大總?cè)萘靠赡苡行┢?。另外，國外潛艇已有采用閥控鉛酸蓄電池，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(jī)械工業(yè)出版社, 2000: 77

[2] 朱明海, 周壽斌. 電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池的工藝改進(jìn). 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(qiáng)(1938-)，男，電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專委會(huì)委員。研究方向：化學(xué)電源。