佘愛強，孫權(quán)，劉玉，田慶山，安焱韜，朱建峰，曹龍泉

（天能電池集團股份有限公司，浙江 長興 313100）

0 前言

隨著新能源的發(fā)展，車載能源系統(tǒng)出現(xiàn)了多樣化的選擇。作為傳統(tǒng)車載能源的鉛酸蓄電池，由于價格低廉，在安全性能方面有優(yōu)勢，目前仍然是電動自行車能源系統(tǒng)的首選。鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠商承諾的三包期一般都是 15 個月，其中第 1～8 個月為換新期，第 9～12 個月為周轉(zhuǎn)期，第 13～15 個月為維護期。電池行駛壽命均在 3 a 左右，但是在客戶使用過程中電池會出現(xiàn)過早失效的現(xiàn)象，有的甚至在三包期早期就發(fā)生失效。電池失效的原因來自多個方面，既來自于電池的制造過程，也來自于用戶的使用過程。對市場退回電池的解剖數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析時發(fā)現(xiàn)，由用戶使用習慣導致電池失效的占比很高，也就是說很大一部分電池的失效和用戶的使用方式有關系。因此，筆者針對用戶的使用方式，從失效原因上予以分析，提出一些有助于延長電池壽命的維護方法。

1 常見用戶使用現(xiàn)象

1.1 失水和熱失控

充電的過程中可能遇到電池發(fā)熱比較明顯，電池鼓脹變形的現(xiàn)象，也就是通常所說的失水和熱失控。正極板在充電后期或者過充電階段會有正極板腐蝕和 O2的析出[1]。析氧反應式為

對于電動自行車用閥控式電池，析出的氧氣會通過 AGM 隔板轉(zhuǎn)移到負極板，并在負極板上化合還原為 H2O，并且放出熱量。反應式為

由于持續(xù)的析氣，電池內(nèi)部氧氣積累而來不及化合，導致電池內(nèi)部壓力逐漸增加，最終打開氣閥，向外界釋放氣體，引起電池失水[2]。電池失水使電池內(nèi)部歐姆電阻增大，導致充電過程中產(chǎn)生更多的熱量。另外，氧氣在負極板的化合反應是一個放熱反應，而電池都是固定安裝在一個封閉的箱體中，產(chǎn)生的熱量不能及時向外界釋放，使電池溫度上升。溫度的升高進一步加速氧氣的化合放熱，又促使電池溫度進一步上升，最終導致了電池鼓脹變形[3]。如果電池鼓脹變形比較厲害，就會給電池造成致命的傷害，更甚者會導致電池起火。

失水和熱失控主要是緣于沒有使用電池生產(chǎn)廠家指定的充電器給電池充電。目前市場上充電器的參數(shù)均為三段式充電（見圖 1）。第一階段和第二階段是主要的充電階段（恒壓限流充電階段）。在這兩個階段，大約會充入額定容量的 90 %，充電器顯示為紅燈。第三階段為補充充電階段。在此階段，充電器顯示為綠燈。在恒壓充電階段，如果充電電壓設置過高，會造成水損失比較嚴重。當出現(xiàn)拿錯充電器或者充電器無法恒壓的情況時，失水和熱失控容易發(fā)生在該充電階段，后續(xù)電流也無法持續(xù)下降。長時間處于這個階段，電池急速升溫。

圖1 6-DZM-12 型號電池三段式充電模式

1.2 欠充和擱置

電池三段式充電過程中，第三階段為補充充電階段。充電器在轉(zhuǎn)綠燈后開始小電流補充充電。充入的電量大約為 10 % 額定容量。如果恒壓階段的電壓設置過低，則會導致電池充不滿電，活性物質(zhì)無法完全轉(zhuǎn)換。容易出現(xiàn)的情況也是由于充電器有問題，電壓無法達到要求的充電電壓值。少數(shù)用戶在使用過程中如果未轉(zhuǎn)燈或者轉(zhuǎn)燈后就停止充電，也會導致電池欠充電。經(jīng)常欠充也會影響電池的壽命。同欠充失效機理相同的是擱置。這種擱置主要是指電池處于放完電或者欠充狀態(tài)下的擱置。對于車輛使用頻率不是很高的用戶，長期放完電或者欠充擱置同樣會影響電池的壽命。

電池在欠充和擱置狀態(tài)下，正負極板上的硫酸鉛沒有完全轉(zhuǎn)換成二氧化鉛和海綿狀鉛，部分硫酸鉛得不到及時還原，而小顆粒的硫酸鉛不斷溶解，并在極板上相對較大的硫酸鉛顆粒上重新結(jié)晶，變成更大顆粒的硫酸鉛。令一組電池保持滿電態(tài)開路靜置 1 a。結(jié)束后，將其中 2 只電池解剖，另2 只電池進行充放電測試，然后解剖。解剖極板的SEM 如圖 2 所示。

圖2 正極活性物質(zhì) SEM 圖

從極板的 SEM 圖可以發(fā)現(xiàn)，靜置過程中確實會有大顆粒硫酸鉛的沉積出現(xiàn)，但是容量還是可以恢復的。同時也發(fā)現(xiàn)，即使容量恢復后，活性物質(zhì)中還是存在少量的硫酸鉛顆粒，不能完全轉(zhuǎn)換。這說明，大顆粒的硫酸鉛顆粒并非完全失去活性，大部分的顆粒還是可以完成轉(zhuǎn)換的。雖然大部分硫酸鉛沒有失去活性，即充電后還可以轉(zhuǎn)換，但是極板不同部位的硫酸鉛顆粒性質(zhì)有所不同，因此少量的硫酸鉛顆粒無法再變回活性物質(zhì)，導致電化學反應受阻。另外，硫酸鉛屬于不良導電體，附著在極板上無疑增大了極板的電阻，降低了電池的充電效率。

長時間的欠充和擱置，除了導致極板中部分硫酸鉛晶體不可恢復外，也會使硫酸鉛顆粒沉積在AGM 隔板中。這部分硫酸鉛晶體容易造成內(nèi)部短路，給電池造成致命的傷害[4]。針對長時間欠充和擱置的微短路單格，解剖取樣 AGM 隔板進行 SEM表征，發(fā)現(xiàn) AGM 隔板中會有大量的小顆粒硫酸鉛顆粒沉積，如圖 3 所示。

圖3 AGM 隔板中的硫酸鉛顆粒（靜置 1 a 后）

1.3 過放電和大電流放電

造成過放電的原因主要是電池保護電壓低或者內(nèi)部的微電流放電。特別是對于老舊的電動車，這種問題非常明顯。由于用戶在維護電池過程中沒有設置放電保護電壓或者把保護電壓設置得比較低，偶爾電動車控制器的欠壓保護點參數(shù)設置過低，電動車控制器本身有質(zhì)量因素，以及控制器本身的電路設計導致電動車的靜置電流過高，有的甚至高達100 mA，電動車充足電后，即使不騎行，放置 2 d也會損失 5 Ah 左右的容量。然而，控制器的欠壓保護對于靜置電流根本不起作用，就導致了電池過放電[5]。

過放電的電池經(jīng)充滿電后，由萬用表測得的電池開路電壓值較低。圖 4 所示為普通 2小時率電池 2 V 單體的放電曲線。放電開始時，單體電壓在2.2 V 左右，而且車載儀表上顯示滿格電量。隨著放電的進行，電壓開始下降，且儀表顯示電量開始減少。當電壓降到 1.85 V 后，電壓突然下降得比較厲害，且儀表顯示電量迅速耗盡。一般，整車廠設置保護電壓，以便電池電壓下降到保護電壓后停止供電來保護電池。如果繼續(xù)放電則會導致電池過放電，使電池電壓迅速下降。

圖4 2 小時率電池 2 V 單體放電曲線

電池生產(chǎn)廠在設計電池允許最大放電電流的參數(shù)時，考慮到了用戶在實際行駛過程當中的路況，但還是有部分用戶采用大電流放電，將電池損壞。經(jīng)大電流損壞的電池充滿電后，用萬用表測量時，電池的開路電壓值較低，有的甚至出現(xiàn)了零電壓的現(xiàn)象。這主要是用戶在行駛過程中超負載所致。雖然新的電動車國標限制了帶人和帶貨的超負載現(xiàn)象，但是對于老款式的電動車，這種現(xiàn)象還是比較明顯。一般，正常平路行駛過程中不會發(fā)生大電流放電，但是遇到上坡的路面，由于電流過大，極柱與匯流排之間或單格與單格之間的連接部位發(fā)熱嚴重，從而燒斷匯流排或極柱，形成斷路、斷格。

1.4 極柱漏液

小電池（如 10 Ah、12 Ah）極柱使用的是鍍銀的銅片，在裝車的過程中需要用焊錫絲將電池與線路連接。若使用的電烙鐵功率太高（建議使用功率為 50 W 的電烙鐵），焊錫絲質(zhì)量太差，或者焊接時間太長，紅、藍膠下銅片與鉛極柱連接處就會融化，形成空隙，造成滲酸、漏液。大電池（如17 Ah、20 Ah）使用的是銅內(nèi)螺極柱，需要用螺絲固定電池與線路之間的連接。若旋扭得太松，易造成線路與電池之間的接觸點電阻增大，使接觸點發(fā)熱，導致銅內(nèi)螺極柱與鉛極柱連接處，以及底膠和紅、藍膠，由于高溫而融化，并且收縮形成空隙，造成滲酸、漏液。若旋扭得太緊，在旋扭的過程中用力過大會造成紅、藍膠開裂，形成空隙，從而導致滲酸、漏液。一旦極柱處漏液，電解液會通過縫隙腐蝕銅端子，導致接線導電不良，另外電池的密封性能也會受到影響，嚴重縮短電池的使用壽命。

2 電池維護方法

針對上述失效模式，用戶可以采取如下措施在日常的使用過程中予以維護：

2.1 過充電

過充電主要是由用戶沒有使用整車廠家配套的充電器充電所致，因此不同型號、不同品牌的電池充電器不應混用。另外，用戶在更換電池后要了解原充電器參數(shù)是否適用于新電池。在充電過程中電池不可靠近火源、熱源等，且在炎熱季節(jié)中嚴禁在陽光直接暴曬中充電。

2.2 欠充和擱置

根據(jù)充電器指示燈提示，當指示燈由紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈時，代表電池已經(jīng)完成了第一階段和第二階段的充電，但是此時電池并沒有充滿。正常情況下，在顯示綠燈的狀態(tài)下維持 2 h 左右充電即可將電池充滿電，因此用戶應該在充滿電后再停止充電。在沒有轉(zhuǎn)燈或者剛剛轉(zhuǎn)燈后就停止充電，會導致電池欠充電。對于電動自行車使用頻率較低的用戶，擱置期間應該將電池充滿電，禁止放完電或者是沒有充滿電的情況下擱置。擱置一段時間后，還應該騎行 1～2 次，然后充滿電后再擱置，讓活性物質(zhì)保持活性狀態(tài)。

2.3 過放電和大電流放電

正常行駛過程中過放電的情況相對較少，而對于大電流放電，用戶在騎行過程中應該要留意儀表的電量指示。如果顯示電量不足，應該避免載人或者貨物，宜輕裝騎行，特別是遇到坡度較大的路況。每次騎行后都應該給電池補充電，避免下次騎行時電量不足。

2.4 極柱漏液

用戶在給車換電池的過程中，極柱如果是鍍銀的銅片，應該使用功率約 50 W 的電烙鐵焊接，避免使用大功率電烙鐵將紅藍膠破壞。如果極柱有螺紋，旋緊的過程中要注意力道。

3 結(jié)束語

閥控式鉛酸蓄電池作為電動自行車的一個重要組成部分，對電動車的性能起到一個至關重要的作用。從技術(shù)上將電池性能發(fā)揮極致是制造企業(yè)的使命，是技術(shù)人員永遠不斷奮進的方向，而用戶作為電池的最終使用者，也需要掌握正確的使用方法，在使用過程中保護好電池，不斷提高維護意識。只有雙方共同努力，才能夠真正有效提升電池的使用性能。