如何增加电动车铅酸电池寿命

铅酸电瓶车

最近因为工作的关系，开始接触到铅酸电池跟台湾的铅酸电池所堆砌出来的电动脚踏车, 电动摩托车的市场。然后自己也买了一台铅酸电池电动脚踏车来代步。台湾国内的电动车市场正在快速起飞，虽然相信大部分拜 gogoro 这种高阶电动车的成功所导致。但是比较低阶铅酸电瓶电动车，因为不需要牌照跟驾照，所以仍然的非常受欢迎，依旧有一定庞大的市场和商机。所以，这里就来篇如何增加电动车铅酸电池寿命的部落格文吧！

铅酸电池电动车，只要保养得当，其实是不会输锂离子电池的车子的。例如国内某摩托车大厂最近所推出的电动摩托车，50V/13Ah 的锂离子电池规格，其实也没比铅酸电池高明到哪里去的！

铅酸电池种类

讲到铅酸电池，大家一定都被汽车里面的那颗电瓶给严重误导啰！以为铅酸电池，啊这个我知道我知道，就是每台汽车引擎室都有一颗的那个电瓶嘛！

其实铅酸电池种类非常的多勒！因为铅酸电池的技术经过百年的发展，已经非常成熟了。所以厂商会根据不同使用情境，改变设计，得到绝佳的性能！所以铅酸电池是根据用途而有不同种类的电池的，用错不同种类的电池，例如拿汽车引擎室被分类为「启动电池」的铅酸电池，拿到电动脚踏车上被分类为「动力电池」的铅酸电池来使用，纵使容量/电压都一样，但使用性能却是会有天差地远的分别哟！

一般来说，主要把铅酸电池分成四大类(当然不只这四种啦！)：

1. 启动电池：大家最熟悉的，每台汽车都会有一颗，主要负责引擎启动的瞬间要能提供非常高的电流给直流马达运作，而引擎启动后电池要能承受长期都在浮充的状态进行充电还能维持住电池的寿命。

2. 动力电池：就专门设计来给电动摩托车跟脚踏车的电池，需要有很强的于深放电下(100%DOD)，及持续高电流 (高 C-rate)放电下的电池寿命。

3. 储能电池：用在对再生能源系统，对于持续不断再生能源功率改变下对其作即时的调控。需要很强的充电放电能力及在中等放电深度下(60%DOD)有长达7, 8 年以上的电池寿命。

4. UPS电池：一年只会用到数次充放电，需要有长达 5年以上长期的电池寿命。

由上面的分类可以知道，电动车或电动脚踏车所使用的叫做动力电池。这里有个术语叫做放电深度 Depth Of Discharge (简称叫 DOD), 当我们把一个电池充饱电, 然后把它的电力百分之百的用掉，这时候叫做放电深度 100%; 假如我们对这个已经充饱的电池只用掉 50% 一半的电，这时候叫做放电深度 50%; 同样的，假如一个 100% 充饱的电池我们只用掉少少的 30% 电力，这时候叫做放电深度 30%。

动力电池的两个使用情境

1. 深放电循环

对于一个铅酸电池而言，电动车的使用情境算是最严苛的。因为使用者常常可能需要长距离的骑乘，所以电池容量在每次的骑乘中可能都会被使用超过 50% 以上, 甚至是 80% - 90% 这样很高的程度。

所以放电深度 DOD 很容易就是 50% -90% 以上这种叫深放电的情境，这种情境对铅酸电池是最伤的。

2. 高电流长时间的输出

另外一个问题来自于高电流的需求。这里举例例如笔者这台电动脚踏车它的轮毂马达的额定功率是 350W, 假如我们在骑乘的时候只会使用它的 75% 的出力，也就是功率 350W * 75% = 262.5W

假如我们的轮毂马达是由四颗 12V 的铅酸电池串连起来提供 12V * 4 = 48V 来运作的，所以要提供 262.5W 的功率给轮毂马达这时候所需的电流会是 262.5 Watt / 48 Volt = 5.469 Amp

看，随随便便就是 5.469 安培的高电流输出，这种情境也是对铅酸电池是最伤的。

由于上面这两个使用情境，它们会对应到铅酸电池不同的失效模式，厂商会针对这失效模式进行强化，得到合理的寿命跟性能。而这样的电池被归类叫做动力电池。

为了更有感觉，让我们来看看厂商的规格吧！

其实铅酸电池做得比较好的应该是中国大陆那边的电池。但这里我们就挑选两家台湾国内比较有名的电池厂商：广隆跟汤浅，来看看他们针对动力车所开发的动力电池规格吧! 这里挑选比较常用的 12V - 12Ah 的电池来比较

广隆 WP12-12

这一款比较通用型的电池，厂商宣称也是用在电动车上。不过真凄惨啊，厂商是用 0.17 CA 的 C-Rate 的放电电流，结果寿命在 100%放电深度下，寿命只有 210 cycle。也就是每天骑一次，每次都把电池的电百分之百的用掉，寿命约是 210/30 = 7 个月就会挂掉啰。这也是为什么国内电动车厂商对铅酸电池只肯保固半年的原因，因为厂商的规格大概只有这样。

什么叫做 C-Rate？ 0.17CA 对12Ah的电池而言，到底是多少电流？

原来啊，电池的容量百百种，有 12Ah, 有 14Ah, 也有 20Ah ... etc. 直接用电流 Amp 实在不容易看出放电跟容量的关系。所以大家比较习惯用 C-rate 来标定充放电的大小，它其实跟百分比一样，是一种比例的数字，定义为一小时的电流下的容量跟电池总容量的一个比例。

所以对于一个 12Ah容量的电池: 12A 的电流叫做 1CA (12A 1hr / 12Ah)，24A 的电流就做 2CA (24A 1hr / 12Ah)， 6A 的电流就做 0.5CA (6A 1hr / 12Ah)， 1.2A 的电流就做 0.1CA (1.2A 1hr / 12Ah)

0.17CA = 0.17 * 12 = 2.04 Amp 所以是两安培左右的电流 (对 12Ah的电池而言)。

上面这个图，有没有注意到一个很重要很重要很重要的特性啊！似乎，电池的寿命跟放电深度有很大的相关耶！

放电深度 100% 时，电池寿命只有 210 cycle

放电深度 50% 时，电池寿命增加至 500 cycle，整整可是增加了一倍多了耶!

放电深度 30% 时，电池寿命增加至惊人的 1000 cycle，哇! 将近快5倍哟!

这给了我们提示哟，是不是我每次不要把电池的电全部用掉，随用随充。每次只用 30%后就立刻去充电，这样是最有利的呢？

广隆 WP12-12E

这一款似乎是有经过强化的版本，性能比较好些。一样在 0.17CA = 2.04 Amp 下放电，电池寿命却大幅增加至约 320 cycle 左右

放电深度 100% 时，电池寿命有 320 cycle

放电深度 50% 时，电池寿命增加至 600 cycle，这也整整可是增加了快一倍耶!

放电深度 30% 时，电池寿命增加至惊人的 1460 cycle，哇! 一样将近快5倍哟!

汤浅 REC12-12

这是一款厂商宣称用在电动车上的动力电池。一样在 0.17CA * 12 Ah = 2.04 Amp 下放电。

放电深度 100% 时，电池寿命约 250 cycle

放电深度 50% 时，电池寿命增加至 620 cycle，这也整整增加了一倍多耶!

放电深度 30% 时，电池寿命增加至惊人的 1440 cycle，哇! 超过5倍哟!

我们选了两家厂商，三款的铅酸电池，规格很一致的告诉了我们，铅酸电池有一个很重要很重要很重要的特性啊！电池的循环寿命跟放电深度有很大的相关！

电池的循环寿命（充放电次数）会是放电深度的函数：放电深度的越浅，电池可以充放电的循环寿命（次数）就越多。

以放电深度一半50% 的方式来使用（放电），铅酸电池的使用次数约会是放电深度100%的1倍

假如以放电深度30%的方式来使用（放电），铅酸电池的使用次数约会是放电深度100%的5倍之多，非常惊人的使用次数！

使用铅酸电池的策略

所以我们在进一步来计算看看，是不是我每次最好使用铅酸电池的策略就是不要一次把电瓶里的电完全用完?

利用上面的资料来计算，假如我每次都把电池的电百分之百用完，跟每次只用掉一半就立刻开始充电，跟每次只用30%的电，就立刻开始充电。这三种情境中，对一颗电池从一开始全新到最后挂掉，哪一种情境它的总储电量是最高的呢？

电池从全新到完全挂掉的电量总储存量 = 每次放电的电量 * 电池从全新到挂掉的充放电次数

每次放电的电量 = 放电深度(%) * 电池的总容量

所以

电池从全新到完全挂掉的电量总储存量 = (放电深度(%) * 电池的总容量) * 电池从全新到挂掉的充放电次数

以广隆 WP12-12, 放电深度 30% 为例

WP12-12 以30%放电深度，从全新到完全挂掉的电量总储存量 = 30% * 12 Ah * 1000 cycle = 3600 Ah

其他依此类推，计算出来的结果如下

WP12-12

哇!! 一如预期啊! 充电深度越浅，整体来说是对电池电量的使用最有利的。全充浅放，会比全充全放的状况更为有利。

以30%的全充浅放来看，甚至比全充全放的总电量还要多上 42.9% 的哟!

WP12-12E

这颗型号的电池比较怪，也许是因为已经是深循环电池的加强版了。 50% 的中等程度的充放电虽然说寿命从 320 cycle 增加至 600 cycle, 但每次电量只有 50%, 所以最后还是跟放电深度 100% 的相差无几。

但是，以 30% 的全充浅放来看，还是比全充全放的总电量还要多上 36.9% 的哟! 这里又符合预期了!

REC12-12

哇!! 一样一如预期啊! 放电深度越浅，整体来说是对电池电量的使用最有利的。全充浅放，会比全充全放的状况更为有利。

以30%的全充浅放来看，甚至比全充全放的总电量还要多上 72.8% 的哟!

所以铅酸电瓶车的两种使用情境

1. 每次骑出去回家后，哎呀！反正电池电量还有好几格哩！不管啦，等到剩最后一格的时候再来充电啦！

2. 每次骑出去回家后，我管你电池电量还剩多少，充电啰！随用随充！

这两种情境，哪一种是对我们最有利的呢？？

根据刚刚我们的计算，答案是 2. 随用随充！对于铅酸电池而言，全充浅放是对我们最有利的，放电深度越浅就立刻回充这样电池的寿命是最长的。最后直到电池死亡之前，总体所储存使用的电量也是最多的！

所以电量假如掉了 1/4 (四格掉了一格），可以的话就赶快去充电吧！这样的使用下，铅酸电池的寿命也是最长的，总体被使用的电量也可以增加 37% - 73% 左右。

为什么? 为什么?? 为什么???

那，铅酸电池为什么会有这个奇怪的现象？它背后的科学机制是什么？

回头来看铅酸电池的化学反应吧!

铅酸电池构造

正极活性物质: 二氧化铅 PbO2

负极活性物质: 海绵铅 Pb

电解液: 30%-40%的稀硫酸溶液 H2SO4,

隔离版: 玻璃纤维不织布（吸附电解液）

放电反应式

这里可以看到有一个化学的清楚图像:

1. 铅酸电池充满电的时候: 正极是二氧化铅，负极是海绵铅，电解液是稀硫酸。

2. 铅酸电池开始放电时: 正极的二氧化铅开始跟氢离子和硫酸根离子反应，形成硫酸铅加水。负极的海绵铅开始跟硫酸根离子反应，也一样形成硫酸铅。

3. 随著放电的程度愈来越深，正极跟负极上面的硫酸铅堆积的越来越多，正极所产生的水也让稀硫酸的浓度越来越低。

4. 当稀硫酸的浓度低到某个程度，硫酸根都转化去形成正极负极上面所堆积的硫酸铅了，已经没有硫酸根离子提供反应了，这时候电压低到截止电压，电流也低到截止电流，反应终止。

5. 充电的过程是刚刚 1,2,3,4 的逆反应，也就是说正负极板上所堆积的硫酸铅，慢慢的转化回去原来的二氧化铅跟海绵铅。硫酸铅越来越少，最后没有时充电完毕！(这时候再充下去变成电解水啰，会转变成铅酸电池的另一个失效模式，失水！)

硫酸铅的晶体化(盐化)

看到问题了吗? 放电过程中正极跟负极会开始大量形成硫酸铅 PbSO4 的堆积。

铅酸电池有个很大的失效模式是来自于这个放电时所产生的硫酸铅，原来啊，硫酸铅是一种非常容易结晶的物质：当电解液中硫酸铅的浓度过高，或静置时间过长时（超过三十分钟），就像食盐过饱和溶液结晶一样，慢慢成团，结成小晶体。小晶体形成晶核，再吸引周围的硫酸铅，如滚雪球般，形成更大的硫酸铅惰性结晶（硫酸铅结晶不导电，是绝缘的）。这些结晶也俗称「盐」，整个过程叫做硫酸铅的盐化，或简称「硫化」。

硫酸铅一但形成大颗的硫酸铅惰性结晶，就没办法透过充电方式还原回正负极原来的活性物质的，所以马上实际蓄电容量开始下降。而且更糟的是，它们会沈淀附著在电极板上，造成了电极板工作面积下降，反应面积减少了，电力输出也开始下降，随著硫酸铅盐化的越来越严重，直到最后整个电池无法运作而寿命终止。

1. 深放电循环

所以可以看到为什么铅酸电池的寿命跟放电深度有密切的关系了吗?

原来当放电深度的持续加深，铅酸电池里头的硫酸铅的浓度也越来越高。浓度越高，因硫酸铅特性的关系，正负极电极板上就越容易硫酸盐化！

放电深度浅 --> 电极板上的硫酸铅浓度比较低 --> 电极版比较不容易硫酸盐化 --> 电池充放电可使用次数变多 ( DOD: 30%, discharge cycles > 1000 cycle)

放电深度深 --> 电极板上的硫酸铅浓度比较高 --> 电极版比较容易硫酸盐化 --> 电池充放电可使用次数变少. ( DOD: 100%, discharge cycles ~ 200 cycle)

2. 高电流长时间的输出

另外一个硫酸盐化的失效模式来自于铅酸电池的大电流放电。虽然说硫酸铅容易盐化结成惰性晶体，但也没那么糟！

当铅酸电池以小电流放电时，硫酸铅生成的速度比较慢，所以可以很均匀的在电极板上形成均匀分布且颗粒细小绒毛状可以被反应还原回去的硫酸铅。

可是当铅酸电池以大电流放电时，因为硫酸铅生成的速度太快了，在高浓度下立刻在电极版上形成大颗粒盐化无法透过充电还原回去的惰性结晶。如前所述，电池慢慢就挂掉啰。

最后，如何增加电动车铅酸电池使用寿命呢?

I. 铅酸电瓶电动车骑完之后，回到家30分钟内就要立刻充电啦！养成随用随充的好习惯！可以的话，尽量控制里程数只使用电池 30% 左右的电量。不要让电池电量低于 50%，把电池的电完全用完更是大忌。