电动车用密封式胶体铅酸蓄电池的原理与维护

尹立兵，李 丰，王志文



电动车用密封式胶体铅酸蓄电池的原理与维护

尹立兵，李 丰，王志文

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

本文介绍了电动车用密封式胶体铅酸蓄电池的基本原理，介绍影响电池性能的基本因素，包括充电、放电和温度等方面，提出了应对该影响因素的措施。

胶体铅酸电池 充电 放电

0 引言

电动自行车用动力电池，从早期的富液式铅酸蓄电池到阀控式密封铅酸蓄电池，再到胶体铅酸蓄电池和锂离子电池，在不停的进步。富液式铅酸蓄电池由于气体的析出会带出部分酸雾，早被淘汰；阀控式密封铅酸蓄电池解决了析气时带出酸雾的问题，但气体的富集会导致电池鼓包，气体的排出又会导致电池干涸，现在也在慢慢被淘汰；而锂离子电池受到价格和安全性的影响，一时也难于占领电动自行车动力电源的市场。相比较以上电池，胶体铅酸蓄电池价格低廉，性能稳定，成为时下电动自行车动力电源的首选。

1 胶体铅酸蓄电池的原理

胶体铅酸蓄电池的正极为红褐色的PbO2，负极为青灰色的Pb，电解液为储存在硅胶中的硫酸，在注入电池前，硫酸硅胶体系呈流动性很好的液态，注入电池后渐渐成凝胶状，利用硅凝胶的触变特性，达到电解液的固定目的。

电池总反应为：

放电时消耗H2SO4，生成H2O，电解液密度下降；充电时则相反，消耗PbSO4和H2O，生成H2SO4，电解液密度上升[1-6]。

电池使用的环境温度对电池的影响很大，最佳使用温度为（25±5）℃。

1.1 硫酸盐化理论

胶体铅酸蓄电池放电后如果长期搁置（超过15天）而不充电，PbSO4会结晶析出，即PbSO4的硫酸盐化，而PbSO4晶体颗粒在充电状态下不能转化成红褐色的PbO2或青灰色的Pb，最终导致电池容量下降。此时主要表现为，充电时电压快速上升，电池内部温度随之升高，从而导致不能充电；放电时电压又快速下降。

1.2 负极吸氧原理

胶体铅酸蓄电池在充电过程中，当充入容量的70%时，正极开始析氧，当充入容量的90%时，负极开始析氢。正极析出的氧气可以被负极的Pb吸收生成PbO，PbO与H2SO4反应生成PbSO4，经过充电PbSO4又会反应生成负极的海绵状Pb。而正负极之间的玻璃纤维隔膜上的缝隙和凝胶收缩后形成的微小缝隙给氧气由正极流向负极提供了通道，所以电池可以密封。

1.3 电池水分分解原理

充电过程中单格电压高于2.4 V时，电解液中的水分开始分解，在电池正极上析出氧气，在电池负极上析出氢气。

1.4 端电压的均衡性

电动车单体电池一般是12 V，48 V电动车的电池是由4块12 V电池串联组成，正常情况下单块电池充满电的开路电压为13.0 V左右，4块电池之间的电压差别不大于0.5 V。当充满电后其中1块的电压比其他3块下降很多时，电池的端电压失去平衡，如果不加以维护而继续使用，会使电压差距进一步拉大，最终导致整组电池报废。

2 胶体铅酸蓄电池的维护

2.1 环境温度

胶体铅酸蓄电池在（-15～＋45）℃的环境条件下应能正常工作。但最佳使用温度为（25±5）℃，温度过低，电池放电能力下降，即电池放不出电；温度过高，电池放电能力上升，会导致电池过放电，如果使用不当，对电池损害很大，所以在夏天高温时，虽然电池还能放电，也要及时充电。在最佳温度以上使用时，温度每上升10℃，电池寿命将下降一半。

试验电池6DZMJ10额定电压为12 V，额定容量为10 Ah，3只电池分别在35℃、25℃、15℃进行10 h率恒流（1 A）放电至10.8 V，放电结果见表1。实际放电容量为10.870 Ah、10.260 Ah、9.647 Ah，换算成25℃后容量为10.255 Ah、10.260 Ah、10.263 Ah。转换公式如下：

式中：25，C，分别为25℃放电容量、℃放电容量和实际放电温度℃。

表1 6DZMJ10电池不同温度10 h率放电试验数据

2.2 硫酸盐化

胶体铅酸蓄电池放电后应及时充电，尤其是放电超过50%后必须及时充电，虽然密封式胶体铅酸电池的硫酸盐化不像密封式阀控铅酸蓄电池快，但放电后充电时间越早对电池越有利。深度放电后再充电时间间隔不宜超过15天，且每月至少应进行1次完全充电。

2.3 负极吸氧

胶体铅酸蓄电池充电过程中正极析出的氧气被负极吸收，但负极析出的氢气会在电池内富集，所以应避免电池过充电。

表2 6DZMJ10电池在25℃搁置6个月前后10 h率放电试验数据

2.4 水分分解

当单格胶体铅酸蓄电池的充电电压高于2.4 V时，电解液中的水会分解，所以在恒压充电、恒流充电或脉冲充电条件下，应严格控制充电电压不高于2.4 V。

2.5 电池自放电

虽然胶体铅酸蓄电池的自放电比阀控铅酸蓄电池压低，6个月的自放电小于5%，但如果长时间不补充电，导致硫酸盐化，因此长期不用的胶体铅酸蓄电池，每6个月应进行1次完全充电。

试验电池6DZMJ10额定电压为12 V，额定容量为10 Ah，在25℃进行10 h率恒流（1 A）放电至10.8 V，然后完全充电，在25℃搁置6个月后不充电进行10 h率恒流（1A）放电至10.8 V，2次放电结果见表2。2次放电容量分别为10.48 Ah和10.02 Ah，荷电保持能力为95.6%，即6个月的自放电为4.4%。

2.6 端电压均衡性

避免端电压失去平衡的方法是每1～2月进行一次完全充电。如果端电压已经失衡，可以用小电流充放循环进行修复。

3 结论

延长密封式胶体铅酸蓄电池使用寿命的关键在于电池的维护：1）不宜过充欠充，充满即止；2）充电要及时，放电后应在最短时间内充电；3）注意环境温度，在高温环境下，电池会过度放电，若充电不及时，容量和寿命会明显下降。

[1] 桂长青等. 实用蓄电池手册［M］. 北京: 机械工业出版社, 2011: 41-226.

[2] 伊晓波. 铅酸蓄电池制造与过程控制[M].北京: 机械工业出版社, 2004: 286-337.

[3] 刘广林. 铅酸蓄电池工艺学概论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008: 146-350.

[4] 伊晓波, 熊兰英, 曹水焕等. GB/T 19638.2-2005 固定型阀控密封式铅酸蓄电池[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.

[5] 王志文, 李维俊, 梅魁主等. Q/ZGN J 001-2011 湖北长海新能源科技有限公司企业标准/阀控式密封铅酸蓄电池[S]. 湖北鄂州: 湖北省鄂州市标准局, 2011.

[6] 王志文, 李维俊, 梅魁主等. 双极群铅酸蓄电池性能研究[J]. 船电技术, 2012,（增刊）: 121-123.

The Principle and Maintenance of Sealed Colloid Lead-acid Battery for Electric Vehicle

Yin Libing, Li Feng, Wang Zhiwen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2018）06-0023-03

2017-12-22

尹立兵（1985-），男，工程师。研究方向：化学电源。Email：465782710@qq.com