铅酸蓄电池的经济寿命

郭自强



铅酸蓄电池的经济寿命

郭自强

（中国电工技术学会电动车辆专委会技术服务中心，上海 200126）

本文介绍挖掘铅酸蓄电池寿命潜力的工作。放出总容量与放电深度关系为挖掘铅酸蓄电池寿命潜力指明了方向并提供了参考数据。提出了经济放电深度和经济寿命的概念。经济放电深度约40%；经济寿命约2000次；放出最大总容量约800C。

铅酸蓄电池 阀控铅酸蓄电池 循环寿命 放电深度

0 引言

铅酸蓄电池是已有100多年历史的产品，因其性能合适、价格便宜、材料来源丰富、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、铅回收技术成熟且回收率高等综合因素，经市场检验、考核已成为潜艇、电动自行车等多种应用领域主要采用的动力电池。但其笨重、比能量较低，寿命不够长是主要缺点。因此有些人认为铅酸蓄电池是落后、过时的产品，甚至有些不负责任的官员将其作为垃圾技术，应用的前途不大，生命期不长，只是过渡性产品。我们认为这种观点不一定正确。实际上，铅酸蓄电池在100多年的历史中一直不断地在改进提高，有的是革命性的飞跃式提高，近年来我国电动自行车用阀控铅酸蓄电池的水平有很大提高就是不断改进提高的好例子。我们应该重视对它的进一步研究和改进提高。

经过多年的研究试验工作证明铅酸蓄电池的寿命还有相当大的潜力可挖掘。本文把在这方面做的研究试验工作介绍给大家，相信对潜艇铅酸蓄电池也是有用的。

1 挖掘铅酸蓄电池寿命潜力的依据

众所周知，铅酸蓄电池的循环寿命与放电深度（DOD）有关[1]。图1是常见的阀控铅酸蓄电池的循环寿命与放电深度关系图[2]。根据放电深度可以得到每次放电的放出容量，乘以相应放电深度下的循环寿命，可以得到放出总容量。我们将从循环寿命与放电深度关系转化而来的放出总容量与放电深度关系曲线一并列在图1上。从图可见：

1）循环寿命次数与放电深度关系是随放电深度降低单边上升的曲线。100%放电深度时循环寿命约400次，15%放电深度时循环寿命约4 300次。

2）放出总容量与放电深度关系不同于循环寿命次数与放电深度关系，是在一定放电深度下有最大放出总容量的曲线。

3）我们将放出最大总容量的放电深度称为经济放电深度；在经济放电深度下得到的循环寿命称为经济寿命。

4）阀控铅酸蓄电的经济放电深度约40%；经济寿命约2 000次；放出最大总容量约800C（C为蓄电池的额定容量，单位为Ah）。

5）明显大于或小于最经济放电深度下工作、运行都不能放出最大总容量。因此即使放电深度浅时循环寿命次数较大，但不是最经济的循环寿命次数。

综上所述，由图1中循环寿命次数与放电深度关系转化得到的放出总容量与放电深度关系的曲线，为我们充分挖掘阀控铅酸蓄电寿命潜力指明了方向并提供了近似的参考数据。那就是：让铅酸蓄电在经济放电深度（约40%）下工作、运行；可放出最大总容量（约800C）；得到的循环寿命是经济寿命（约2 000次）。

图1 常见的阀控铅酸蓄电池的循环寿命和放出总容量与放电深度关系图

2 实现经济寿命的实践

根据图1为我们指明充分挖掘阀控铅酸蓄电寿命潜力的方向和提供的近似参考数据，我们进行了摸索和验证性的研究、试验。

2.1 电池的选择

试验电池采用上海海宝特种电池厂2011年底生产的电动自行车用DZM16型电池。该型电池8 A放电的额定容量为16 Ah，初期实际放电容量为18.66 Ah；5 A放电的初期实际放电容量为19.6 Ah。质量稳定，一致性较好。

2.2 运行方案

根据目的，我们将4块DZM16型电池分成两组，每组24 V，并设计了运行方案。

2.2.1运行方案1

1）工作（放电）电流为5A；放电时间1.6小时或约8 Ah，按DZM16型阀控铅酸蓄电池的初期实际放电容量计，放电深度约为40%，预期循环寿命在1 500-2 000次。

2）测定每次放电结束时的电压，并观察其随循环的变化。

3）采用普通电动自行车上用的29.5 V 2 A的充电器对阀控铅酸蓄电池充电至“完全充电”。

4）按1）-3）连续进行充放电循环。

5）每隔50-100次对阀控铅酸蓄电池进行容量检查（5 A放电至21 V），并观察其容量随循环的变化。

6）容量检查后，对阀控铅酸蓄电池进行“完全充电”的维护，随后再进行容量检查，观察维护前后的容量变化及其随循环的变化。

7）在50-100次连续充放电循环期间，如果连续有3次循环在放电1.6小时或约8 Ah时，电池的电压低于21.0 V，则对电池进行容量检查。如果容量检查时的容量在温度修正后的容量仍低于8 Ah，则此电池的寿命到了终点。

此运行方案特点是：放电时，每次实际放出的容量或时间是相同的；充电时，阀控铅酸蓄电池每次都充至“完全充电”，

2.2.2运行方案2

1）工作（放电）电流为5 A；放电时间1.6小时或约8 Ah。与运行方案1相同

2）测定每次放电结束时的电压，并观察其随循环的变化。

3）阀控铅酸蓄电池每次都略有欠充，没有达到“完全充电”，而且随着连续循环进行累积的欠充程度增大，因此实际是处于部分荷电状态下工作。

4）按1）-3）连续进行充放电循环。

5）每50-100次对两种电池进行容量检查（5 A放电），并观察其容量随循环的变化。

6）容量检查后，对阀控铅酸蓄电池进行“完全充电”的维护，随后再进行容量检查，观察维护前后的容量变化及其随循环的变化。

7）在50-100次连续充放电循环期间，如果连续有3次循环在放电1.6小时或约8 Ah时，电池的电压低于21.0 V，则对电池进行容量检查。如果容量检查时的容量在温度修正后的容量仍低于8 Ah，则此电池的寿命到了终点。

此运行方案特点是：充电时，阀控铅酸蓄电池每次都没有充至“完全充电”，都略有欠充，而且随着连续循环进行累积的欠充程度增大，因此实际是处于部分荷电状态下工作；放电时，每次实际放出的容量或时间是相同的。

2.3 试验结果

2.3.1运行方案1的结果

图2是按运行方案1运行中电池组容量和电压随循环变化的曲线图。从图可见，从容量和电压都可判断实际循环寿命约670次，放出总容量约5 400 Ah（约330C），没有达到放出最大总容量和最经济寿命。

图3是按运行方案1运行的两块电池平均累计失水量随循环变化的曲线图。从图可见，在约530次循环，两块电池平均累计失水量已达到100 g，出现了热失控症状。为了抑制热失控症状，在580次循环进行了补水。

2.3.2运行方案2的结果

图4是按运行方案2运行中电池组容量和电压随循环变化的曲线图。从图可见，从容量判断循环寿命约1 950次，放出总容量约15 600 Ah（约800或1 000 C），达到了放出最大总容量和接近经济寿命；从电压判断循环寿命最低约1 700次，经过维护可延长到1 900-2 000次，放出总容量约16 000 Ah（约800-1 000C），可达到放出最大总容量和接近经济寿命。

图3 按运行方案1运行的两块电池平均累计失水量随循环变化的曲线图

图5是按运行方案2运行的两块电池平均累计失水量随循环变化的曲线图。从图可见，到1 900次循环，两块电池平均累计失水量只有50 g，没有出现热失控症状，也不需要进行补水。按运行方案2运行、工作有效降低了失水率，延缓了热失控的出现。

3 合适的运行和维护制度

我们研究、试验的经验和结果表明：图1虽然为我们充分挖掘阀控铅酸蓄电池寿命潜力指明了方向并提供了近似参考数据，但不是简单地将阀控铅酸蓄电池在经济放电深度（约40%）下工作、运行就能放出最大总容量和得到经济寿命。要实现放出最大总容量和得到经济寿命，不但要使阀控铅酸蓄电池的在最经济的放电深度下运行、工作，而且要使阀控铅酸蓄电池在合适的运行和维护制度下工作、运行。否则，就不能放出最大总容量和得到经济寿命。

图5 按运行方案2运行的两块电池平均累计失水量随循环变化的曲线图

合适的运行和维护制度主要要点：

1）不要在每次循环都将阀控铅酸蓄电池充电至“完全充电”状态，这点是突破了传统的充电观念。

2）让阀控铅酸蓄电池在部分荷电状态（即欠充电）下运行、工作，这样还可效降低了失水率，延缓了热失控的出现。

3）定期（约半年）对阀控铅酸蓄电池进行容量检查式的深放电和进行“完全充电”式的充满电。

4 结语

1）从循环寿命次数与放电深度关系可转化得到的放出总容量与放电深度关系的曲线（见图1）。

2）从放出总容量与放电深度关系图可以看出是在一定放电深度下有最大放出总容量，它为充分挖掘阀控铅酸蓄电池寿命潜力指明了方向并提供了近似参考数据。

3）提出了最经济放电深度和最经济寿命的概念。

4）阀控铅酸蓄电最经济放电深度约40%；最经济寿命约2 000次；放出最大总容量约800C。

5）研究试验的结果表明：在最经济放电深度下工作、运行，最经济寿命和放出最大总容量是可以实现的。

6）要实现放出最大总容量和得到最经济寿命，不但要使阀控铅酸蓄电池的在最经济的放电深度下运行、工作，而且要使阀控铅酸蓄电池在合适的运行和维护制度下工作、运行。否则，就不能放出最大总容量和得到最经济寿命。

7）按照传统充电观念，要每次循环都将阀控铅酸蓄电池充电至“完全充电”状态，这是不合适的运行制度，不能放出最大总容量和得到最经济寿命。

8）合适的运行和维护制度是：让阀控铅酸蓄电池在部分荷电状态（即欠充电）下运行、工作，并且定期（约半年）对阀控铅酸蓄电池进行容量检查式的深放电和进行“完全充电”式的充满电。

9）让阀控铅酸蓄电池在部分荷电状态（即欠充电）下运行、工作还有效降低了失水率，延缓了热失控的出现。

我们的研究试验工作对象是电动自行车用阀控铅酸蓄电池，与富液开口式潜艇铅酸蓄电池有些差别，但是铅酸蓄电池循环寿命次数与放电深度关系，以及转化得到的放出总容量与放电深度关系是相近的，具体的经济放电深度和经济寿命及放出最大总容量可能有些偏差。另外，国外潜艇已有采用阀控铅酸蓄电池，我国对潜艇用阀控铅酸蓄电池正在开展研究。因此，我们相信对潜艇铅酸蓄电池研究和使用工作者本文有一定的参考作用，以便开展相应的工作。

[1] 朱松然. 铅蓄电池技术. 北京: 机械工业出版社, 2000: 77

[2] 朱明海, 周寿斌. 电动自行车用铅酸蓄电池的工艺改进. 中国自行车, 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

郭自强(1938-)，男，电工技术学会电动车辆专委会委员。研究方向：化学电源。