李桂發(fā)，郭志剛，劉玉，鄧成智

（天能集團(tuán)研究院，浙江 長(zhǎng)興 313100）

低速電動(dòng)汽車用鉛酸電池充電技術(shù)試驗(yàn)研究

李桂發(fā)，郭志剛，劉玉，鄧成智

（天能集團(tuán)研究院，浙江 長(zhǎng)興 313100）

本文中針對(duì)低速電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池的恒壓限流充電方式進(jìn)行了研究，并從充電效率、電池溫升以及對(duì)電池循環(huán)壽命的影響展開(kāi)了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若采用 0.3C～0.4C 的初始電流限流充電，可有效縮短充電時(shí)間，提升電池的充電效率，而且不影響電池的循環(huán)壽命。

低速電動(dòng)汽車；鉛酸蓄電池；充電方式；恒壓限流充電；循環(huán)壽命；失水

0 引言

近年來(lái)，隨著城市空氣質(zhì)量的下降，純電動(dòng)乘用車越來(lái)越受到環(huán)保人士及政府部門的青睞，動(dòng)力電池延伸到了乘用車領(lǐng)域并推動(dòng)了電動(dòng)乘用車的發(fā)展[1]。目前，電動(dòng)乘用車采用的動(dòng)力電池主要有鋰離子電池、鎳氫電池和鉛蓄電池[2]。鉛蓄電池由于具有工藝成熟、安全性高、價(jià)格低廉以及良好的循環(huán)性能等優(yōu)點(diǎn)成為了動(dòng)力電池的首選。

眾所周知，不論是車載充電器還是便攜式充電器都是采用恒壓充電方式，而且常用的是三段式充電模式[3-4]：第一階段是恒流限壓，第二階段是恒壓限流，第三階段是涓流階段，充電時(shí)間一般在 10～12 h。通常易出現(xiàn)的過(guò)充電與欠充電現(xiàn)象基本都是由于充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、過(guò)短，或是由于不適配的充電參數(shù)造成的。電池長(zhǎng)期處于過(guò)充電狀態(tài)，會(huì)使安全閥頻繁開(kāi)啟導(dǎo)致失水增加，板柵腐蝕加速，容量衰減，甚至造成熱失控；長(zhǎng)期處于欠充電狀態(tài)，會(huì)在極板內(nèi)部形成不可逆的硫酸鹽化，而且還會(huì)在活性物質(zhì)和板柵間形成高電阻隔層，使內(nèi)阻增加、容量下降，最終使電池壽命提前終止[5]。本文針對(duì)恒壓限流充電方式進(jìn)行了研究，從不同充電電流的充電效率、充電溫升以及對(duì)電池循環(huán)壽命的影響展開(kāi)試驗(yàn)。

1 充電工藝

圖1 是目前市場(chǎng)上采用的典型充電模式。這種充電模式下的標(biāo)準(zhǔn)溫度是 25℃，隨著溫度的降低或升高，電壓調(diào)整系數(shù)為 +3 mV/(℃·單體) 或-3 mV/(℃·單體)。按照此種充電模式給放電深度為70 % 以上的電池組充電時(shí)，達(dá)到轉(zhuǎn)綠燈時(shí)一般需要 6～8 h，總的充電時(shí)間在 10～12 h，因此很多消費(fèi)者都提出了縮短電池充電時(shí)間的愿望。同時(shí)，從電池組使用壽命的角度考慮，在充足電的前提下縮短充電時(shí)間，可有效地減少電池失水量，從而提高電池的使用壽命。

為了了解縮短充電時(shí)間之后電池組的充放電表現(xiàn)，我們選用 6-EVF-100（12 V 100 Ah）電池，在室溫 25℃±2℃環(huán)境中完全放電后采用恒壓限流的充電模式展開(kāi)試驗(yàn)，同時(shí)與市場(chǎng)上典型充電模式進(jìn)行對(duì)比（即 1# 工藝）。為縮短試驗(yàn)周期，本次試驗(yàn)中不進(jìn)行涓流充電步驟，具體充電工藝見(jiàn)表 1。

圖1 典型充電模式

表1 充電工藝

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 充電效率分析

按表 1 的充電工藝用金帆 18 V 100 A 充放電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，并采用數(shù)據(jù)采集儀（日本圖技株式會(huì)社產(chǎn)，型號(hào) GL-820）對(duì)充電過(guò)程中電池表面溫度進(jìn)行采集。不同工藝充電實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖 2，測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度維持在 25℃±2℃。

對(duì)整個(gè)充電過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總的結(jié)果如表 2所示。對(duì)限流階段充入電量與總的充入電量進(jìn)行分析，電流越大充入電量會(huì)略多，但是電池表面溫升無(wú)明顯差異，可以表明，充電時(shí)可以接受更大的初始充電電流，而且可縮短充電時(shí)間，提升充電效率。

從圖 2 中可以看出，電池表面溫升最高點(diǎn)是在充入總電量的 95 %～97 % 之間，所以我們采用 FLUKE紅外溫度儀監(jiān)測(cè)了此時(shí)電池內(nèi)部的溫度情況。如圖 3所示，由各種工藝在最高溫升時(shí)的電池內(nèi)部溫度表現(xiàn)可知，最高溫度在 41.3℃，并未發(fā)現(xiàn)溫升異常。

圖2 不同工藝充電實(shí)測(cè)曲線

表2 充電過(guò)程數(shù)據(jù)

圖3 各種工藝在最高溫升時(shí)的電池內(nèi)部溫度表現(xiàn)

2.2 跳轉(zhuǎn)電流

圖1 所示的典型充電模式中，工藝設(shè)定的跳轉(zhuǎn)電流為 0.01C，按照 6-EVF-100 電池計(jì)算即為 1 A的電流。表 1 的 6 種充電工藝充電末期電流如表 3所示，均在工藝時(shí)間內(nèi)提前到達(dá)了 1 A 跳轉(zhuǎn)電流。由此可見(jiàn)，采用更大的初始充電電流可以滿足工藝跳轉(zhuǎn)條件。同時(shí)，對(duì)比分析了跳轉(zhuǎn)時(shí)充入電量情況（見(jiàn)表 3 ），充放電量之比在 1.02～1.03，說(shuō)明電池均已達(dá)到完全充電狀態(tài)。我們認(rèn)為控制涓流充電時(shí)間，一方面可再次縮短充電時(shí)間，另一方面可減少電池失水，延長(zhǎng)電池的循環(huán)使用壽命。

表3 充電末期數(shù)據(jù)

2.3 循環(huán)壽命測(cè)試

選擇 3 只 6-EVF-100 電池測(cè)試循環(huán)壽命。單只進(jìn)行充放電循環(huán)后，分別采用表 1 中的 1#、2#、3# 充電工藝進(jìn)行補(bǔ)充電，模擬不同初始充電電流、不同充電量對(duì)循環(huán)壽命的影響。循環(huán)過(guò)程為：S1 階段中，以 33.3 A 放電至 10.5 V（100 % DOD）；S2 階段補(bǔ)充電； S3 階段靜置 1 h。S1～S3 構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，循環(huán)開(kāi)始前進(jìn)行稱重，并以 50次為一個(gè)單元進(jìn)行電池稱重以獲取失水?dāng)?shù)據(jù)，最后得到的循環(huán)壽命曲線如圖 4 所示。實(shí)驗(yàn)表明，采用更大的初始充電電流對(duì)電池循環(huán)壽命并無(wú)影響，而充電量更大的 1# 充電工藝對(duì)電池循環(huán)壽命有負(fù)面影響。通過(guò)對(duì)比分析表 1 與表 3 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1#工藝達(dá)到跳轉(zhuǎn)條件后充入的電量是最多的，這與充電末期的充電時(shí)間設(shè)定有關(guān)。在充足電的前提下，充電量越多電池失水也就越多，對(duì)電池的使用壽命有不利的影響。

從圖 4 循環(huán)壽命曲線上可以看到，由于 1# 充電工藝的單次充放電量之比略大于 2#、3# 充電工藝的，所以相對(duì)于 1# 充電工藝，采用 2#、3# 充電工藝的電池的循環(huán)壽命明顯更長(zhǎng)。對(duì)整個(gè)循環(huán)期間電池的失水進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表 4 所示。

圖4 6-EVF-100 循環(huán)壽命曲線

表4 循環(huán)過(guò)程失水

6-EVF-100 電池起始電解液量 750 mL 左右（飽和度 95 %～98 %），壽命終止時(shí)失水量均在 100 mL左右，失水率為 13.3 %（飽和度 81.7 %～84.7 %），已達(dá)到了易使電池壽命終止的熱危險(xiǎn)區(qū)域[3]。從表 4的失水?dāng)?shù)據(jù)能看出，采用單次充放電量比略高的 1#充電工藝時(shí)，電池的失水量明顯較多，而單次充電失水量越高會(huì)明顯縮短電池的循環(huán)壽命。

2.4 不同環(huán)境溫度試驗(yàn)

為了更貼近用戶的使用環(huán)境，將電池分別置入25℃、35℃、45℃環(huán)境溫度下進(jìn)行充放電試驗(yàn)。循環(huán)過(guò)程：在 S1 階段以 33.3 A 放電至 10.5 V；在S2 階段采用恒壓限流 0.3C （30 A）充電 6 h；在 S3階段靜置 2 h。S1～S3 構(gòu)成 1 個(gè)循環(huán)單元。充電電壓采用圖 1 典型充電模式中給出的溫度補(bǔ)償系數(shù)。

為確保環(huán)境溫度控制得精確，整個(gè)試驗(yàn)都在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行，并在切換溫度時(shí)先將電池在切換溫度下靜置 12 h 以確保電池內(nèi)部溫度達(dá)到環(huán)境溫度，同時(shí)采用數(shù)據(jù)采集儀采集電池充放電過(guò)程溫度。如圖 5 所示，在 35℃、45℃環(huán)境溫度下并未發(fā)現(xiàn)電池溫度異常升高，說(shuō)明采用 0.3C 充電方式是可行的。但也必須提出，在安裝電池組的過(guò)程中必須考慮電池箱體的通風(fēng)性能、電池之間的有效散熱空間，一般建議保障電池有效散熱間距不小于 10 mm。

圖5 25℃以上環(huán)境溫度下充電溫升

3 結(jié)論

（1）提供更大的初始充電電流后，充電溫升并無(wú)明顯升高。在確保電池散熱條件下，若初始充電電流在 0.3C～0.4C，可以大幅縮短充電時(shí)間，將總充電時(shí)間控制在 5～6 h；

（2）采用 0.3C～0.4C 的初始充電電流，對(duì)電池的循環(huán)壽命并無(wú)影響。應(yīng)該控制充電量，在充足電的前提下，盡量減少過(guò)充電量對(duì)電池的使用壽命有益；

（3）采用不同的初始充電電流，達(dá)成跳轉(zhuǎn)條件時(shí)的充電量已基本滿足完全充電，所以應(yīng)盡量控制涓流充電時(shí)間，從而減少電池失水，有利于電池的使用壽命。

[1]黃海燕, 張大龍, 葉強(qiáng). 我國(guó)典型低速電動(dòng)車市場(chǎng)消費(fèi)者調(diào)查[J]. 汽車工業(yè)研究, 2011: 16-18.

[2]楊裕生. 縱論電動(dòng)汽車和化學(xué)蓄電[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012: 17-19.

[3]Rand D A J, Moseley P T, Garche J, 等. 閥控式鉛酸蓄電池[M]. 郭永榔, 等譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007: 213-224.

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Research on the charging technology of lead-acid batteries for low-speed electric vehicles

LI Guifa, GUO Zhigang, LIU Yu, DENG Chengzhi
(The Academy of Tianneng Group, Changxing Zhejiang 313100, China)

This paper focuses on constant voltage and limited current charging method of lead-acid batteries for low-speed electric vehicles. The tests were done in terms of charging efficiency, battery temperature rising and the impact of charging methods on cycle life. Experimental results show that limited current charge methods with 0.3C～0.4C charging current can effectively shorten the charge time without affecting the cycle life of the battery and enhance the efficiency of battery charging.

low-speed electric vehicle; lead-acid battery; charging method; constant voltage and limiting current charge; cycle life; water loss

TM 912.9

B

1006-0847(2016)06-260-04

2016-05-10