侯 康，孫言行，鄧 亮，趙 杰，翁 偉

（陜西凌云蓄電池有限公司，陜西 寶雞 721304）

蓄電池為商用車的重要部件，其主要功能是為車輛的起動(dòng)、點(diǎn)火和照明提供電能。近年來隨著社會的發(fā)展進(jìn)步以及對生活品質(zhì)的不斷追求，商用車設(shè)計(jì)了逆變輸出功能，以滿足車載空調(diào)、熱水器、電磁爐、電熱毯等電器的用電需求，從而提高司乘人員工作的舒適性。在車輛停止時(shí)，用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電帶動(dòng)車載電器工作的燃油用量較多，運(yùn)行成本較高，不經(jīng)濟(jì)，并且碳排放量較大。為改變這一現(xiàn)狀，主流的商用車設(shè)計(jì)為在車輛停止時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，用車載起動(dòng)用蓄電池通過逆變器對車載電器進(jìn)行供電的工作模式，以降低燃油消耗、運(yùn)行成本和碳排放。

目前這一系統(tǒng)中，蓄電池的選型以及充放電過程的管理和控制均不規(guī)范，蓄電池使用壽命極短，實(shí)際使用的效果很不理想。本文主要通過對商用車蓄電池使用條件進(jìn)行分析探討，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以供汽車電器設(shè)計(jì)過程參考。

1 蓄電池的失效模式及分析

1.1 蓄電池失效模式

目前整車制造廠家以及車輛的改裝廠商，基本都選用了起動(dòng)用富液式免維護(hù)蓄電池對車載電器供電。在蓄電池使用后期均出現(xiàn)了發(fā)熱、排氣口冒氣冒液、臭雞蛋味等熱失控現(xiàn)象，冬季還存在電解液結(jié)冰、起動(dòng)困難等不足。經(jīng)對返廠的不良品進(jìn)行解剖分析，主要存在極板嚴(yán)重彎曲變形和上部於膏 （圖1）、正極板柵腐蝕和活性物質(zhì)脫落 （圖2）、電解液干涸等失效模式。

1.2 失效模式分析

圖1 極板嚴(yán)重彎曲變形和上部於膏

1）在蓄電池使用過程，由于車載電器的用電量較大，蓄電池放電深度較深，在深充、深放過程中，由于正極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化物PbO2與PbSO4摩爾體積的 差 異［1］， 以 及 正 極 鉛膏在板柵兩面的涂布不均勻，導(dǎo)致極板彎曲變形以及鉛膏的軟化和脫落。極板彎曲變形后，可能造成隔板的破裂，引起蓄電池正負(fù)極板搭接短路。

2）在蓄電池使用過程中，隨著充電過程產(chǎn)生的氣體沖刷作用，軟化脫落的正極鉛膏從蓄電池底部上移而沉積在負(fù)極上部，充電時(shí)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電性良好的金屬鉛。隨著蓄電池充電的不斷進(jìn)行，其沉積量越來越多，最終導(dǎo)致負(fù)極鉛膏與正極匯流排或正極板搭接短路。

圖2 正極板柵腐蝕和活性物質(zhì)脫落

3）汽車發(fā)電機(jī)充電采用了恒功率輸出的模式，當(dāng)蓄電池內(nèi)部出現(xiàn)短路故障時(shí)，蓄電池充電過程的電壓降低，發(fā)電機(jī)的輸出電流大，充電過程的歐姆熱增加，造成蓄電池內(nèi)部的溫度升高。當(dāng)蓄電池溫度升高時(shí)，隔板、電解液的電阻降和析氣過電位降低，造成了充電電流的進(jìn)一步增加。以上兩部分相互促進(jìn)，使蓄電池充電過程產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，造成蓄電池溫度升高、排氣口冒氣或冒液等熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

4）當(dāng)熱失控現(xiàn)象發(fā)生后，電解失水和蒸發(fā)失水量增加，最終導(dǎo)致蓄電池的電解液干涸，并使正極板柵腐蝕和鉛膏軟化脫落發(fā)生的速度增加。

5）熱失控現(xiàn)象發(fā)生后，當(dāng)蓄電池的溫度超過55℃時(shí)，電解液中的H2SO4在負(fù)極被具有較強(qiáng)還原性的游離氫還原為H2S氣體，從而使蓄電池出現(xiàn)臭雞蛋味［2］。

2 改進(jìn)措施與討論

2.1 蓄電池選型

按用途將蓄電池分為固定用蓄電池、動(dòng)力用蓄電池和起動(dòng)用蓄電池幾類，由于商用車蓄電池最根本的功能是滿足車輛的起動(dòng)、點(diǎn)火和照明，因此低溫起動(dòng)性能是汽車蓄電池的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于固定用和動(dòng)力用蓄電池設(shè)計(jì)過程分別重點(diǎn)考慮了板柵的耐腐蝕性能和深放電循環(huán)過程性能，這類蓄電池的內(nèi)阻較大、比能量較低，低溫起動(dòng)性能難以滿足車輛在低溫條件下的起動(dòng)要求，故設(shè)計(jì)了逆變功能的商用車仍必須用起動(dòng)蓄電池作為電源。

國際先進(jìn)的大眾公司標(biāo)準(zhǔn)VW 75073：2020-03將起動(dòng)用蓄電池分為標(biāo)準(zhǔn)富液式蓄電池 （Standard Wet-cell Batteries）、增強(qiáng)富液式蓄電池 （EFB和EFB+）、超級富液式蓄電池 （AFB）和吸附式玻璃纖維蓄電池 （AGM）幾類，各類蓄電池的性能要求除表1中的項(xiàng)目有差異外，其它基本相同。

表1 各類蓄電池的循環(huán)耐久能力

表1中，不同類型蓄電池的循環(huán)耐久能力差異較大，AFB和AGM蓄電池的40℃50%DOD循環(huán)次數(shù)為360次，為普通富液式蓄電池的3倍。對于設(shè)計(jì)了逆變功能的商用車蓄電池，在考慮制造成本低的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量采用循環(huán)耐久能力較強(qiáng)的EFB、EFB+、AFB或AGM蓄電池，以增加車輛運(yùn)行過程的可靠性。由于AGM蓄電池采用了貧液式設(shè)計(jì)，其載液量較小、熱容量低，并且由于氧循環(huán)效應(yīng)使蓄電池運(yùn)行過程的溫度較高，故在高溫環(huán)境下運(yùn)行的車輛應(yīng)盡量避免使用AGM蓄電池。

2.2 放電深度

2.2.1 放電深度對蓄電池循環(huán)壽命的影響

對于同一規(guī)格的蓄電池，放電深度越大，使用壽命越短。GB/T 5008.1—2013對12V60Ah蓄電池在不同放電深度下循環(huán)次數(shù)的要求如圖3所示。

圖3 放電深度與蓄電池循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.2.2 放電深度的控制

目前各相關(guān)起動(dòng)用蓄電池產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，循環(huán)耐久能力測試的放電深度均在50%以下，因此在起動(dòng)用蓄電池使用過程中，為保證蓄電池的使用壽命和起動(dòng)性能，其放電深度應(yīng)不超過50%。在商用車設(shè)計(jì)過程中，為了防止蓄電池的過度放電，車載逆變器基本都設(shè)置了低壓報(bào)警功能，當(dāng)逆變器放電過程蓄電池電壓低于一定值后，關(guān)斷逆變器，停止放電。目前主流的整車廠家將報(bào)警電壓設(shè)計(jì)為23.5V，但個(gè)別廠家為了延長蓄電池的放電時(shí)間，將該電壓設(shè)計(jì)為22V，更有甚者設(shè)計(jì)為20V。圖4為2只串聯(lián)的6-QWD-220型蓄電池的放電曲線，其放電電流為0.05C20（A）。

圖4 蓄電池放電曲線

圖4中，由于電極極化現(xiàn)象的存在，隨著蓄電池放電容量的增加，放電過程的端電壓逐漸降低。當(dāng)放電量在50%時(shí)，端電壓在24.0V左右；若端電壓在23.5V時(shí)，放電量為72%；完全放電時(shí)，蓄電池的端電壓為21.0V。由此可以確定，目前市場上逆變器報(bào)警電壓的設(shè)置均偏低，正常情況下逆變器報(bào)警電壓不得低于24.0V。

在蓄電池放電過程中，隨著放電量的增加，電解液中硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低，各放電深度對應(yīng)的電解液中硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及對應(yīng)的結(jié)晶點(diǎn)［3］見表2。

從圖4和表2可以看出，當(dāng)蓄電池的放電深度超過50%時(shí)，硫酸電解液的冰點(diǎn)在-26℃，若車輛在北方冬季使用時(shí)存在電解液結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)逆變器報(bào)警電壓設(shè)計(jì)為23.5V，蓄電池的放電深度達(dá)到72%，硫酸電解液的冰點(diǎn)在-18℃以上，在北方冬季極易造成電解液結(jié)冰。

表2 各放電深度對應(yīng)的電解液中硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及對應(yīng)的結(jié)晶點(diǎn)

2.2.3 蓄電池容量的選擇

目前整車廠設(shè)計(jì)車載空調(diào)在發(fā)動(dòng)機(jī)停止后的工作時(shí)間約6h，其中在空調(diào)剛工作時(shí)蓄電池的放電電流約40A、持續(xù)時(shí)間30min，后期5.5h的工作電流約16A，蓄電池的放電容量108Ah?？紤]到車輛在南方炎熱的夏季和北方寒冷的冬季的使用條件，以及蓄電池的放電深度在50%以內(nèi)的要求，故帶動(dòng)駐車空調(diào)工作的蓄電池的額定20h率容量不得低于216Ah。

2.3 充電方式

2.3.1 現(xiàn)有的充電方式

目前汽車發(fā)電機(jī)采用了恒功率輸出的工作模式，其輸出的電能除滿足車輛用電器工作外，剩余的電量用于蓄電池的充電。若發(fā)電機(jī)輸出的電能不能滿足車輛電器的工作需要時(shí)，由蓄電池儲存的電能進(jìn)行補(bǔ)償。目前具有逆變功能的商用車基本都采用了24V的供電系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其調(diào)節(jié)電壓為28.5V±0.3V，輸出電流受發(fā)電機(jī)輸出功率、蓄電池的荷電量、蓄電池的溫度等因素制約。蓄電池模擬車載充電特性曲線如圖5所示。

圖5 蓄電池模擬車載充電特性曲線

從圖5可以看出，在充電開始時(shí)，發(fā)電機(jī)全功率輸出，使充電電流立即達(dá)到了最大值，當(dāng)蓄電池的荷電量達(dá)到一定程度后，充電電流降低。在充電過程中，發(fā)電機(jī)向蓄電池輸入的能量一部分用于正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)，另一部分用于克服電極極化而產(chǎn)生歐姆熱。充電電流越大，歐姆熱的產(chǎn)生量越多，蓄電池的溫度將越高。對常規(guī)單純起動(dòng)用途的蓄電池而言，由于每次起動(dòng)的放電量在1Ah之內(nèi)，放電量很小，充電初期的大電流持續(xù)時(shí)間很短，蓄電池充電過程的歐姆熱較小。但若蓄電池通過逆變器向所搭載的大功率電器供電后，放電量較大，荷電量低，充電初期大電流持續(xù)時(shí)間較長，產(chǎn)生的歐姆熱較多，必將會造成蓄電池溫度升高，并將加速熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3.2 現(xiàn)有充電方式的適宜性驗(yàn)證

對40℃50%DOD循環(huán)次數(shù)為280次的單只6-QWD-220型EFB+蓄電池，模擬實(shí)車充放電循環(huán)測試，具體的測試方法為：在25℃的水浴中，將蓄電池以40A放電30min，再以16A繼續(xù)放電5.5h，用恒壓14.25V限流60A充電8h進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)次數(shù)與用16A放電結(jié)束時(shí)蓄電池端電壓的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 模擬實(shí)車充放電循環(huán)測試結(jié)果

圖6蓄電池在充放電循環(huán)過程中，放電電壓持續(xù)降低，在第10次循環(huán)時(shí)放電電壓已降至9.8V，說明蓄電池的容量已低于108Ah。經(jīng)分析，該現(xiàn)象主要是由于14.25V的充電電壓偏低，蓄電池充電不足，一直在虧電的狀態(tài)下循環(huán)，造成端電壓衰減所致。另外，蓄電池虧電條件下運(yùn)行時(shí)，失去了充電過程對電解液的攪拌作用，使電解液密度分層，加速了端電壓的衰減。

2.3.3 三段式充電的優(yōu)點(diǎn)和控制參數(shù)

為防止蓄電池充電不足、過充、充電發(fā)熱現(xiàn)象的發(fā)生，文獻(xiàn)［4］報(bào)道了電動(dòng)自行車用蓄電池三段式充電方法。如圖7所示，三段式充電過程如下：第1階段為恒流充電階段，充電電流保持恒定，充電電壓持續(xù)上升，當(dāng)電壓達(dá)到U1時(shí)，轉(zhuǎn)入第2階段；第2階段為恒壓充電階段，充電電壓保持恒定，充電電流持續(xù)下降；第3階段為浮充充電階段，充電電壓保持為U2進(jìn)行浮充。

圖7 三段式充電方式的電流電壓變化趨勢

考慮到商用車蓄電池的技術(shù)特點(diǎn)，各類蓄電池的充電參數(shù)見表3。

表3 各類蓄電池的充電參數(shù)

表3中，C20為蓄電池的額定20h率容量；U1與U2為蓄電池溫度在25℃時(shí)的充電電壓。若充電過程蓄電池的溫度不是25℃，可根據(jù)蓄電池的實(shí)際溫度按-36mV/℃［1］對充電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即以25℃為基準(zhǔn)，蓄電池溫度每升高或降低1℃，充電電壓則相應(yīng)降低或升高36mV。

其中，為了控制充電過程歐姆熱的產(chǎn)生量，將第1階段的充電電流I1確定為 （0.1～0.12）C20（A）；為防止蓄電池充電不足，將第2階段的充電電壓分別控制在31.2V和29.6V；為防止蓄電池充電末期的失水和發(fā)熱，將第3階段的充電電壓確定為27.0V。

另外，由于各品牌蓄電池設(shè)計(jì)及工藝的差異，其充電參數(shù)選擇時(shí)，可在表3的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 結(jié)論

通過分析探討及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了商用車蓄電池的容量要求和類別，明確了商用車車載逆變器的報(bào)警電壓以及三段式充電的技術(shù)參數(shù)。