高海洋，趙志堅(jiān)（山東圣陽(yáng)電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

輕型電動(dòng)汽車用VRLA電池充電研究

高海洋，趙志堅(jiān)
（山東圣陽(yáng)電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

文章研究了動(dòng)力型VRLA電池充電器采用不同充電方式（充電制度），及可靠性對(duì)電池性能的影響。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)不同的充電制度及可靠性對(duì)電池的性能，特別是壽命方面影響巨大。研究發(fā)現(xiàn)，采用帶有時(shí)間保護(hù)的限流恒壓充電方式，電池充電效率高，設(shè)備可靠性好，是成熟度最高的充電方法。帶有時(shí)間保護(hù)的限流恒壓充電方法的優(yōu)點(diǎn)：第一，充電效率高，滿足實(shí)用要求。第二，原理及制造技術(shù)成熟，安全性和可靠性好；第三，充電器與整車匹配性好，安裝方便，通用性高。

電動(dòng)汽車用免維護(hù)電池（VRLA）；輕型電動(dòng)汽車；充電

0　引言

近幾年隨著國(guó)內(nèi)輕型電動(dòng)車市場(chǎng)逐漸發(fā)展成熟，原來(lái)使用富液電池的乘用車、觀光車、清潔車已經(jīng)加大VRLA電池的應(yīng)用力度，并取得較快的發(fā)展。VRLA電池在健康環(huán)保、安全性方面的優(yōu)點(diǎn)明顯超過富液電池，應(yīng)用在帶有封閉式車門的電動(dòng)車輛環(huán)境中優(yōu)勢(shì)尤為明顯，其實(shí)用性已經(jīng)被廣泛的車輛廠和用戶所認(rèn)同。

但不可忽視的是免維護(hù)電池在充電等方面仍存在很多缺陷，例如電池鼓殼、容量提前衰減、充電器易損壞，故障率高等問題。單就蓄電池充電而言，不論是電壓偏離還是偏流或是時(shí)間保護(hù)失靈均會(huì)導(dǎo)致電池欠充、過充，引起蓄電池?zé)崾Э氐劝l(fā)生，進(jìn)而出現(xiàn)鼓殼、容量衰減等。從免維護(hù)電池角度來(lái)說，電池使用壽命的長(zhǎng)短往往取決于4個(gè)因素：充電量是否滿足、放電低壓保護(hù)是否正確、充電器是否穩(wěn)定、電池自身性能好壞。可見，一款設(shè)計(jì)優(yōu)良的充電器尤為重要，其包括兩個(gè)重要方面：第一，充電效率滿足使用要求，既不會(huì)欠充也不會(huì)過充。此功能要求電池在充滿的同時(shí)盡可能減緩失水的發(fā)生。第二，穩(wěn)定可靠，故障率低。免維護(hù)電池對(duì)充電器的電壓、電流（轉(zhuǎn)換電流）、溫度補(bǔ)償?shù)葏?shù)的設(shè)置精度有一定要求。

目前，國(guó)內(nèi)在做充電器驗(yàn)證采用的方法主要有兩種：一是實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)驗(yàn)證，即充電器分別在常溫、低溫-10℃、高溫45℃三種環(huán)境下進(jìn)行充電，對(duì)電壓、電流、溫度補(bǔ)償參數(shù)及曲線進(jìn)行確認(rèn)，其中低溫和高溫下的主要目的是驗(yàn)證充電器的可靠性及溫度補(bǔ)償；二是長(zhǎng)期穩(wěn)定性驗(yàn)證，即裝車使用，驗(yàn)證穩(wěn)定性及故障率。

現(xiàn)有的充電方法及充電器主要有帶時(shí)間保護(hù)的限流恒壓充電器、脈沖充電器。其中限流恒壓充電器按最高電壓分為高壓、低壓兩種，按制造工藝分為密封、非密封。脈沖充電器雖原理先進(jìn)但市場(chǎng)普及率并不高，下面依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試作介紹分析。

1　不同類機(jī)型測(cè)試

1.1帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機(jī)測(cè)試

帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機(jī)的主要特點(diǎn)：

（1）主充階段先充電至單體電壓達(dá)2.45～2.47V （S2、S3）；

（2）主充階段電流下降過程，繼續(xù)充至單體電壓達(dá)到2.63～2.67V（S4），這點(diǎn)也是和其它無(wú)高壓均衡階段的限流恒壓式充電機(jī)的主要區(qū)別之處；

（3）該類型充電機(jī)充電一般有4個(gè)階段或5個(gè)階段。

帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機(jī)的參數(shù)和充電曲線特性：充電初期帶有小電流修復(fù)功能。該功能啟動(dòng)與否取決于電池組電壓，當(dāng)電池電壓低于11.6～12V/只時(shí)啟動(dòng)修復(fù)充電，反之不啟動(dòng)。

圖1　常見的高壓均衡限流恒壓式充電機(jī)充電曲線

表1　常見的高壓均衡限流恒壓式充電機(jī)參數(shù)設(shè)置

以上參數(shù)可以看出該類型充電機(jī)最高充電電壓可達(dá)2.63～2.67V/單體。例如，額定電壓12V電池，最高電壓達(dá)到15.78～16.02V/只。

對(duì)于免維護(hù)電池來(lái)說，當(dāng)充電電壓達(dá)到2.3～2.35V/單體時(shí)，充入電量約為80%～85%Ca （Ca——電池放電容量），此時(shí)正極已經(jīng)開始析氧，當(dāng)繼續(xù)充至2.4～2.45V/單體時(shí)，充入電量約為95%～98%Ca，此時(shí)負(fù)極開始析氫，并且正極析出的氧氣已不能全部在負(fù)極上重新復(fù)合成水，當(dāng)充電進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，電池即開始失水。當(dāng)充電至2.63～2.67V/單體時(shí)其失水的發(fā)生是持續(xù)的（盡管時(shí)間只有1～2h），且失水量在單位時(shí)間內(nèi)高于之前的主充階段。

這種較高的充電電壓，除考慮到完全充電和去硫化作用外，對(duì)電池沒有好處，特別是使用1年以上的電池鼓殼風(fēng)險(xiǎn)大大增加。事實(shí)上，多年統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)鼓殼多是發(fā)生在使用期1～1.5年以上的電池，對(duì)于1年期內(nèi)的電池幾乎感覺不到這種影響。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用同規(guī)格，相同容量的兩組電池，分別采用電壓2.45V/單體和2.67V/單體進(jìn)行充電，結(jié)果當(dāng)電池容量下降到60%C時(shí)，使用壽命可最大相差6～8個(gè)月。其中，充電電壓較高的一組電池，在使用2.5年后電池外殼已經(jīng)開始鼓脹，36個(gè)月時(shí)鼓殼程度明顯加大，最終在38個(gè)月時(shí)無(wú)法正常放電。測(cè)試過程記錄如下：

表2　兩種充電方式，實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比

表3　兩種充電方式，使用過程中電池容量變化記錄

圖2　兩種充電方式，電池容量變化趨勢(shì)圖

上述實(shí)驗(yàn)僅僅驗(yàn)證了電壓對(duì)壽命的影響，事實(shí)上，經(jīng)對(duì)市場(chǎng)上發(fā)生故障的充電器及電池的分析，充電電流及轉(zhuǎn)折點(diǎn)偏離、時(shí)間保護(hù)設(shè)置控制失衡、溫度補(bǔ)償不準(zhǔn)確也同樣會(huì)造成充電器、電池的損壞，而且這幾個(gè)因素是并列的，并無(wú)主次之分。

1.2無(wú)高壓均衡的限流恒壓式充電機(jī)測(cè)試

1.2.1無(wú)高壓均衡的限流恒壓式充電機(jī)主要特點(diǎn)：

（1）主充階段最高電壓2.45～2.47V（S2、 S3）；（2）充電曲線一般分為3段式或4段式。

1.2.2無(wú)高壓均衡的限流恒壓式充電機(jī)曲線、參數(shù)設(shè)置特性：

圖3　無(wú)高壓均衡的限流恒壓式充電機(jī)——充電曲線

由以上參數(shù)可以看出，該類型充電機(jī)的最高電壓在2.45～2.467V/單體，明顯低于第一類機(jī)型。對(duì)于額定電壓12V的電池，最高電壓是14.7～14.8V/只，與帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機(jī)機(jī)型相比，去掉了15.78～16.02V/只這個(gè)高壓階段。

1.2.3去掉2.63～2.67V/單體的高壓階段后，充電是否可行？

要搞清楚這個(gè)問題，我們可以從兩個(gè)方面來(lái)研究分析：第一方面，免維護(hù)電池是否需要高壓均衡；第二方面，高壓充電曲線的來(lái)源。

表4　無(wú)高壓均衡的限流恒壓式充電機(jī)——參數(shù)設(shè)置

第一個(gè)方面，前面已經(jīng)提到免維護(hù)電池充電達(dá)到2.3～2.35V/單體時(shí)，充入電量約為80%～85%Ca，繼續(xù)充電到2.4～2.45V/單體時(shí)，充入電量約為95%～98%Ca，剩余部分電量在浮充階段完成。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試統(tǒng)計(jì)，該方式總充入電量是放出容量的1.03～1.07倍，對(duì)于新電池來(lái)說1.03～1.07倍已經(jīng)足夠，后期隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)，該數(shù)值是呈逐漸增大的趨勢(shì)，所以完全滿足電池充電要求。

第二個(gè)方面，首先看一下下面這個(gè)富液式電池的充電曲線，這個(gè)曲線到今天仍然是具有代表性的，至今仍是富液電池大量采用的充電方法。

圖4 富液式電池充電曲線

由以上曲線圖形分析富液電池的充電特點(diǎn)：

（1）充電初期帶有預(yù)充電階段，這是因?yàn)槭褂酶灰弘姵氐能囕v其保護(hù)電壓設(shè)置普遍很低。例如48V車輛，系統(tǒng)低壓保護(hù)最低在30～32V，相當(dāng)于電池1.25～1.33V/單體，富液電池的使用狀態(tài)使其經(jīng)常處于過放電狀態(tài)，極板硫酸鹽含量較多，初期充電如采用大電流會(huì)使電池電壓瞬間升高而達(dá)到極化狀態(tài)，充電接受能力下降、電池發(fā)熱嚴(yán)重、析氣失水，充電效率降低甚至損害電池。因此，開始必須用小電流慢充才能充進(jìn)電去，以利于促進(jìn)活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

（2）充電后期所帶的高壓均衡，本質(zhì)也是用高電壓過充的方法去硫化，不僅如此，富液電池析氫電位比免維護(hù)低，如充電電壓過低很難將電池100%完全充滿電。

從以上分析不難看出，這種充電方式對(duì)富液電池來(lái)說是有針對(duì)性設(shè)計(jì)的。

2008年之前，市場(chǎng)上的電動(dòng)車基本上都是使用富液電池，很少使用免維護(hù)電池，2009～2010年開始逐步切換使用免維護(hù)電池，也就是在這個(gè)時(shí)間段期間，市場(chǎng)上反饋了大量免維護(hù)電池被鼓殼的信息，經(jīng)深入調(diào)查分析不難發(fā)現(xiàn)，一個(gè)原因是原來(lái)使用富液電池的車輛低壓保護(hù)設(shè)置并沒隨著改用免維護(hù)電池而改變，對(duì)于免維護(hù)電池來(lái)說1.25～1.33V/單格的保護(hù)電壓太低了，過放電直接造成了極板硫酸鹽化；第二原因是，充電仍然使用富液電池的充電器，致使電池長(zhǎng)期存在過充電問題，這種情況下一般6～8個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)鼓殼報(bào)廢。還有就是極板活性物質(zhì)松動(dòng)脫落，內(nèi)部枝晶短路造成電池報(bào)廢。

對(duì)上述衍變過程分析之后，我們就不難理解為什么早期的免維護(hù)電池充電機(jī)存在高壓充電的問題。當(dāng)“高壓均衡”的弊端被“去硫化”“激活電池”的好處掩蓋后，這種充電制度竟被延續(xù)下來(lái)了。

對(duì)于免維護(hù)電池來(lái)說，長(zhǎng)期的過充和過放都是致命的傷害，免維護(hù)電池不是每次充電都需要高壓均衡來(lái)維護(hù)，頻繁的高壓均衡反而害大于利?，F(xiàn)今，主機(jī)廠對(duì)低壓保護(hù)也有了深刻認(rèn)識(shí)，對(duì)低壓保護(hù)參數(shù)也進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，極少出現(xiàn)低壓保護(hù)設(shè)置錯(cuò)誤的問題。在這種形勢(shì)下對(duì)于不同品牌的電池，至少要根據(jù)電池的具體情況來(lái)區(qū)分對(duì)待，不能一概而論，不同廠家的合金體系、鉛膏配方、添加劑、電液密度各有差異，如一味提高充電電壓是得不償失的，不僅損害電池而且增加充電功耗。

1.2.4優(yōu)化的三段式限流恒壓充電制度

免維護(hù)電池因充電原因造成的失效有以下幾個(gè)方面：（1）過充電造成正極合金腐蝕或活性物質(zhì)脫落、短路；（2）欠充電造成硫酸鹽化；（3）充電失水量大，造成容量早衰；（4）充電發(fā)生熱失控，導(dǎo)致電池外殼鼓脹、報(bào)廢。

通過對(duì)以上充電問題的分析，結(jié)合免維護(hù)電池的特點(diǎn)，著重考量以下五個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)：

（1）充電電壓——最高電壓的確定；（2）充電電流——初始及主充電流選擇；（3）轉(zhuǎn)換電流——轉(zhuǎn)燈電流；（4）時(shí)間保護(hù)——當(dāng)電壓、電流轉(zhuǎn)換控制失靈時(shí)，保護(hù)電池；（5）溫度補(bǔ)償——防止欠充、過充。

經(jīng)過不斷改進(jìn)及驗(yàn)證，對(duì)限流恒壓充電制度進(jìn)行了優(yōu)化，最終形成如下充電方法。

1.2.4.1優(yōu)化的三段式限流恒壓充電制度（曲線、參數(shù)設(shè)置、溫度補(bǔ)償）

圖5 優(yōu)化的三段式限流恒壓充電制度——充電曲線

1.2.4.2優(yōu)化的充電曲線設(shè)計(jì)原理

（1）各階段的設(shè)置

設(shè)置為3個(gè)階段，簡(jiǎn)單緊湊。去掉預(yù)充電階段、高壓均衡階段，目前低速車市場(chǎng)已經(jīng)逐漸成熟，明確要求低壓保護(hù)設(shè)置1.7～1.75V，正常情況下不存在過放電問題，在此前提下，去除預(yù)充和高壓均衡階段，有利于提高充電效率。

（2）電壓的設(shè)置（根據(jù)免維護(hù)電池分解水的電壓、充入電量比率設(shè)定）

U1：2.45V/單格，這是整個(gè)充電過程的最高電壓，免維護(hù)電池在該電壓下能夠充滿電且過程失水量較少；

U2：2.32～2.35V/單格，免維護(hù)電池的浮充電壓，維持涓流補(bǔ)電，抑制失水。

（3）電流的設(shè)置（根據(jù)極化、時(shí)間、充入電量比率設(shè)定）

I1：0.15C（A），主充電流，與T1時(shí)間相對(duì)應(yīng)，累計(jì)充入87%～92%電量；

I2：0.1C（A），主充電流，數(shù)值小于I1的目的是利于去極化；

I3：0.02C（A），轉(zhuǎn)燈電流，該值設(shè)置大了會(huì)提前結(jié)束主充階段，容易充不滿電，設(shè)置小了會(huì)增加充電器的控制難度且容易使電池發(fā)生熱失控。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電流降至0.02C時(shí)充電量約95%～98%電量。

（4）保護(hù)時(shí)間的設(shè)置

T1：7h，主充時(shí)間，與I1對(duì)應(yīng)；

T2：2h，主充降電流時(shí)間，與I2、I3對(duì)應(yīng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電流從0.1C降至切換點(diǎn)0.02C的時(shí)間最大不會(huì)超過1.5h，因此設(shè)置2h作為保護(hù)時(shí)間，留有余量；

T3：4h，浮充時(shí)間，將該時(shí)間計(jì)算在內(nèi)，充電總時(shí)間不超過13h，效率較高。

實(shí)際上用戶大多數(shù)在夜間充電，一般不會(huì)超過13h，與實(shí)際使用情況相符。

（5）溫度補(bǔ)償系數(shù)的設(shè)置

按照3mV/單格/℃對(duì)免維護(hù)電池進(jìn)行補(bǔ)償，防止夏季過充及冬季欠充。

為驗(yàn)證以上充電制度，在實(shí)驗(yàn)室使用10只圣陽(yáng)3-EV-200電池組成60V系統(tǒng)，進(jìn)行充放電壽命驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)方法見表5。

表5　循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)方法

按照以上方法，電池組有效循環(huán)次數(shù)在700～750次，測(cè)量電池的失水量不超過2.1mg/2VAh/次，以此數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，按照3年使用期計(jì)算，電池單體總失水量為19.2%（加酸量2200g/單格），已接近報(bào)廢極限20%這個(gè)數(shù)了。

該結(jié)果與表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，這說明在保持免維護(hù)電池最長(zhǎng)使用壽命期的前提下該充電制度的設(shè)計(jì)是合理的。

綜上所述，優(yōu)化后的三階段限流恒壓充電器有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠完全充電，且有效避免了過充、欠充問題；（2）失水量小，可最大程度延長(zhǎng)電池使用壽命；（3）充電時(shí)間短，效率高、節(jié)能；（4）技術(shù)成熟成本低，穩(wěn)定可靠。

1.3脈沖、負(fù)脈沖充電方式的充電機(jī)測(cè)試

脈沖充電器的主要特點(diǎn)充電是按照一定的頻率間歇進(jìn)行的，通過調(diào)整電流峰谷值、占空比時(shí)間的方法給電池充電，主要目的是消除極化電壓，減少電池析氣量，提高電池充電接受能力。

圖6　典型的脈沖曲線

該技術(shù)在十幾年就已出現(xiàn)，但目前還沒有在輕型電動(dòng)車輛上大規(guī)模應(yīng)用，主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）占空比和電流峰、谷值的選擇必須恰到好處，否則就會(huì)影響充電效果及充電效率。脈沖充電器使用效果不佳，絕大多數(shù)原因與此有關(guān)；（2）頻率大小需經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，否則會(huì)增加功耗；（3）控制相對(duì)復(fù)雜，可靠性要求更高；（4）成本高于較成熟的限流恒壓充電器。

鑒于目前市場(chǎng)使用量不大的情況，這里不再詳細(xì)論述。

2　結(jié)束語(yǔ)

輕型電動(dòng)車所用的免維護(hù)電池充電制度，采用具有時(shí)間保護(hù)的三階段限流恒壓充電方式，完全可以滿足使用要求，效率高且對(duì)延長(zhǎng)使用壽命有好處；從使用可靠性上，采用三階段限流恒壓充電方式的充電器技術(shù)成熟、可靠性高、成本低；與車輛的匹配性方面，不論是開口式還是全封閉式，接口及插接件通用性高，市場(chǎng)好普及。

［1］ 劉廣林. 鉛酸蓄電池的特點(diǎn)［M］. 鉛酸蓄電池工藝學(xué)概論. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2009.

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（編輯：季晨宸）

A Study on VRLA Battery Charging For Electric Vehicle

Gao Haiyang， Zhao Zhijian
（ Shandong Shengyang Power Co.，LTD， Qufu 273100，China）

This paper mainly studied the influences of different charging modes（charging system）on the performance of the power VRLA battery charger. Through the test， it is found that the different charging systems and the reliability of the battery performance， in particular， the impact on the life of a huge. The study found that the use of the time to protect the limited current constant voltage charging， the battery charging efficiency， good reliability.It is the highest maturity of the charging method. The time protection of the current limiting constant voltage charging method has advantages ： （1） Charging efficiency meets the practical requirements.（2）The principle and manufacturing technology are mature， safe and reliable； （3）The charger and vehicle matching is good， the installation is convenient， and the general purpose is high.

electric vehicle maintenance free battery （VRLA）； light electric vehicle； charge

高海洋（1985-），男，山東曲阜，標(biāo)準(zhǔn)化工程師；研究方向：企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化體系管理、企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理、閥控密封式鉛酸蓄電池研發(fā)。