电动车论坛

标题: [转帖]电动自行车用铅酸蓄电池组并联充放电的研究 [打印本页]

作者: 王二 时间: 2008-2-19 11:48
标题: [转帖]电动自行车用铅酸蓄电池组并联充放电的研究
电动自行车用铅酸蓄电池组并联充放电的研究

作者：桂长清

摘要：对不同荷电态的电动自行车用铅酸蓄电池组进行了并联充放电过程的研究。结果表明：流经各组电池的电流是按照电池组的荷电态而自动调配的。在充放电过程中，原来荷电态较高的电池组充(放)电电流由小(大)逐步增加(减小)；原来荷电态较低的电池组充(放)电电流由大(小)逐步减小(增大)，最终各个电池组的充(放)电电流趋于一致。实验同时还证实了恒电压并联充电可以改善蓄电池组的均匀性，有利于延长蓄电池组的使用寿命。

关键词：铅酸蓄电池；  并联充放电；  均匀性；  使用寿命

电动自行车普遍采用由3只6DZMl0阀控式密封铅酸蓄电池组成36V蓄电池组作为动力源。实车使用结果表明：3只电池中总有1只过早失效，而不是同时失效。在严格控制工艺过程的同时，许多厂家还使用了配组机，根据新电池的开路电压、放电电压以及放电容量，选取数值相近的3只电池配成一组。这样仍避免不了某只电池过早失效。本文作者曾提出适当提高蓄电池组的放电终止电压[1]和避免深度过放电[2]的方法来解决此类问题；根据电动自行车用铅酸蓄电池组并联充电的实验结果，利用蓄电池并联充电会有“偏流”的特性，采用并联充电方式进一步改善蓄电池组的均匀性，延长蓄电池组的使用寿命。

1 实验

1.1  并联充电

将自制的2组(每组3只)6DZMl0电动自行车用阀控式密封铅酸蓄电池组(下文简称6DZMl0电池组)，预先用5A恒流放电至31.5V；然后将第2组电池组先用电动自行车用充电器充电4h，再将其和第1组电池组并联起来，按照电动自行车用充电器的充电模式进行充电。每组电池分别接有电流表，以测量流原各支路的电流Il和I2。在总线路中也接有电流表，测量流原总线路的电流Io。

1.2  并联放电

实验前先将2组(每组3只)6DZMl0电池组用电动车用充电器充足电，然后将第2组电池组预先用5A恒流放电50min，再将其和第1组电池组并联接入电路，进行恒流放电。

2 结果和讨论

2.1  并联充电过程中的电流分配

表1是2组(每组3只)6DZMIO电池组并联充电时的电流分配。流原两个支电路的电流总和与流过总线路上的电流是一致的。这意味着并联充电过程中，虽然流原两组电池组的充电电流不一致，即有“偏流”现象，但不会出现一些人认为的一组电池组会对另一组电池组充电的情况。其次，流原各电池组的充电电流是自动按照各电池组的荷电态来分配的。第2组电池组原先已充电4h，其荷电态较第1组的高，其初始充电电流  就小。随着充电过程的进行，各组电池的容量相差变小，则充电电流的差别就逐步减小。待到各组电池基本上充足电时，各组电池的充电电流就逐步趋于一致。

Mass定律指出：电池充电时的最大充电电流与电池先前放出的容量成正比。表1中的实验结果基本上符合这一规律。

2.2  并联放电过程中的电流分配

表2选出了具有代表性的2组(每组3只)6DZMl0电池组并联放电时的电流分配。

从表2可以看出：流原两个支路的电流总和也与流过总线路上的电流是一致的。这意味着并联放电过程中也不会出现一组电池对另一组电池放电的情况。同样，流原各电池组的放电电流也是自动按照各电池组的荷电态来分配的。第2组电池组原先已放电50min，其初始放电电流小。随着放电过程的进行，各电池组的容量相差变小，放电电流的差别逐步减小。

由此可知，蓄电池并联放电时，并联电池之间是“相互配合，能者多劳”的；蓄电池串联放电时，流原各串联电池的电流是相同的。显然，并联放电有利于延长蓄电池组寿命。

2.3  并联充电对电池均匀性的影响

表3列出了6只6DZMl0电池平均分成2组，进行并联充电前后，5A放电时间的变化情况。

第1组电池(1，2，3号)原来放电时间较短，这可能跟它们原先充电不足有关，在并联充电过程中这一组电池比另一组电池充入的电量多，其放电时间就会延长；第2组电池(4，5，6号)原来放电时间虽然较长，但各只电池之间的差别较大。在并联充电过程中，这一组电池充电电流较小(表1)，因而原过并联充电后，放电时间增加很少，但3只电池之间的差别减小了。

并联充电可以改善蓄电池组的均匀性，是利用了蓄电池并联充电过程中出现的“偏流”现象，即充电过程中流原各只电池的电流，是根据电池的本身荷电态自动调节的。原先充电不足的电池会自动分配到较大的充电电流；原先荷电态较高的电池会自动分配到较小的充电电流，最后使各只电池的荷电态趋向一致。

应当指出，每只6DZMl0电池是由6块单体电池串联而成的。在对每只电池进行并联充电时，电池内部的6块单体电池仍旧是串联充电。当某块单体电池出现内部微短路或严重失水，导致整只电池性能下降时，并联充电对它们之间的均匀性所起的作用就不太显著了。

2.4  均匀性对蓄电池组寿命的影响

由许多只电池串联组成的蓄电池组在运行过程中，不论是充电还是放电，流过各只电池的电流是相同的。如果各只电池的性能比较均匀，那么它们在充放电过程中的电压值应相差不大，全组电池的电压平均值基本上可以代表各只电池的电压值。根据该平均值对蓄电池组的工作状态进行控制时，可以使各只电池基本上处于最佳工作状态。电动自行车用电池组(3只)的放电终止电压为31.5 V，就是认为每只电池的放电终止电压为10.5V，单体电池的放电终止电压为1.75V。事实上各只电池的电压不可能完全均匀[2]，当有相同的电流在其中流过时，它们的电压值必然存在差别，整组电池的平均电压值就不能完全符合每只电池。用平均电压值作为监控参数，必然会使部分电池处于不利的工作状态。

当蓄电池组处于充电状态时，其中电压较高的电池就会提前析气，温度升高，电解水反应加快，这些变化反过来又促使电池温升加大，失水量加剧，甚至出现热失控，加速电池的恶化进度，直到失效。电池组中电压较低的电池，其充电电压上升很慢，容易造成充电不足，长期如此，必然加剧极板的硫酸盐化[3]，使电池的容量下降，引起电池提前失效。

当蓄电池处于放电状态时，容量较小的电池放电深度就加深。整组电池放电到31.5V时，就可能使某只电池的放电电压降至规定的终止电压以下，加深放电深度，缩短电池寿命；与此相反，原来电压较高的电池还没有放到终止电压，即放电深度变浅，这就使各只电池之间的均匀性变差，最终必然进一步缩短整组电池的寿命。

实践证明，电动自行车用阀控式密封铅酸蓄电池组不论是在使用过程中还是在寿命实验过程中，一旦出现1只落后的电池，它跟正常电池的差距就会很快增大，这是由上述恶性原环所致。

3  并联充电及其时机选择

并联充电是将3只电池由串联改成并联，然后采用恒压 (14.1-14.4V)限流(6.0-7.2A)同时给3只电池充电，接着保持电压不变，直到电流下降到0.1~0.2A为止。

并联充电不能使用原来的车用充电器，应当使用低电压 (14.1~14.4V)大电流(6.0~7.0A)的充电器。目前已有厂家研制出供单只电动自行车用阀控式密封铅酸蓄电池充电用的充电器。利用这种充电器可以将3只电池用手工并联起来进行充电。

铅酸蓄电池是一种渐变失效的产品[4]，根据本文作者以前观察研究的结果[1]，在铅酸蓄电池使用寿命的前2/3阶段，其均匀性是比较好的；在后1/3阶段，其均匀性才开始迅速恶化。

基于这一特点，应当这样选择并联充电时机：

a．新电池每次的放电深度不要超过80％，在使用约3个月之后，再进行并联充电，一般每两周充1次就可以了。

b．不论新电池还是旧电池，只要发生了过放电(电池电压已降到电压红线)，则当天就应进行并联充电。

4  小结

a．电动自行车用电池组恒压并联充电时，流原各只电池的电流是根据电池的荷电态自动调节的，既不会有一只电池给另一只电池充电，也不会出现某只电池过充电的现象。

b．在电池寿命中期以前，每两周将同一组3只电池进行恒压并联充电，有利于提高整组电池的均匀性，并对延长蓄电池组的使用寿命有利。当寿命后期某块单体电池严重失效时，并联充电对它们之间的均匀性所起的作用不太显著。

参考文献：

[1]  GUI Chang-qing(桂长清)。电动自行车用VRLA电池的配组[J]。Battery Bimonthly(电池)，2005，35(3)：214—215。

[2]  GUI Chang-qing(桂长清)，LIU Rui-hua(柳瑞华).电动助力车用VRLA电池组的均匀性[J]．Battery Bimonthly(电池)，2006，36(3)：210—211．

[3]  Henry A C，Fred F F，Francisco T.Sulfation in l ead-acid batteries [J]．J Power Sources，2004，129(1)：113—120．

[4]  Moseley P  T. The development of lead-acid batteries for hybrid and mild hybrid application [J]．The Battery Man，2005，47(9)：26—31．

作者: 王二 时间: 2008-2-19 11:51
顺便问一下：
找不到足够大电流的12V充电器是不是先串联充1-数个小时再切换到并联模式也可以起到同样的维护效果？

作者: cf100 时间: 2008-2-19 13:06

原帖由王二于 2008-2-19 11:51 发表
顺便问一下：
找不到足够大电流的12V充电器是不是先串联充1-数个小时再切换到并联模式也可以起到同样的维护效果？

等串联充电接近转灯电压时,再切换到并联充电,这样可以省时,效果也不错.
并联充电可以有效地均衡电池组.
(一老头的串两极管后再并联充电,这种方法也比较好.)

作者: 王二 时间: 2008-2-19 14:17
谢谢指教。
这个帖子里还提到一点：建议把控制器欠压保护值提高以防止电池不平衡后出现落后电池过放电的恶性循环。我想了一个不改控制器的办法：在电池组输出端串联二极管降压，不知有没有问题。
既然研究说不会互相充电那就不需要在每个电池上都串二极管了吧？

作者: cf100 时间: 2008-2-19 16:17
理论上可行,但放电的时候,电流都比较大,串二极管后的损耗比较大.
充电后期的电流都比较小,并联充电串二极管可以隔离高电压电瓶向低电压电瓶的放电,而且二极管上的压降也随充电电流的增大而增大,会自动分配充电电流在各电瓶间的分配.

作者: 四川办事处 时间: 2008-2-19 20:00
研究结果和我的数据相同

作者: 阿峰哥 时间: 2008-2-19 23:32
没看出这样的重复研究有多大意义?!

有时间建议大家多关注一下可以带来电池革命的超级电容.

作者: 四川办事处 时间: 2008-2-20 00:17
标题: 回复 #7 阿峰哥的帖子
那个技术我完全只能处于被动等待

欢迎光临电动车论坛 (http://ev5s.cn/bbs/)