俞瀟強，吳 濤，孫 競

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

1 研究蓄電池老化的背景和意義

1.1 研究蓄電池老化的背景

汽車的發(fā)明以及汽車工業(yè)的快速發(fā)展大大提高了人類在交通運輸上的便捷性，現(xiàn)代汽車己成為人類生活中不可或缺的重要部分。對于傳統(tǒng)燃油車型，鉛酸電池在汽車上承擔起動和輔助供電作用，是整車電源系統(tǒng)的重要組成部分［1］。在車輛的使用過程中，鉛酸蓄電池會因為其本身的電化學性能而不可避免地出現(xiàn)一些老化的現(xiàn)象。蓄電池的老化可能會引起車輛的冷啟動困難、啟停的有效性降低、熄火后大燈變暗、車內用電器功能退化、遠程刷新有效性降低、儀表顯示電池故障燈等問題。

1.2 研究蓄電池老化的意義

鑒于蓄電池的老化會引起很多問題，建立對蓄電池狀態(tài)的檢測顯得尤為重要。蓄電池傳感器可以對蓄電池電壓、電流、溫度進行在線實時監(jiān)測，計算電池荷電狀態(tài)、電池功能狀態(tài)、電池健康狀態(tài)等，為整車電源管理系統(tǒng)輸入關鍵的信號。一方面通過這些信號的在線學習可以實時掌握蓄電池的健康程度和老化狀態(tài)，延長蓄電池的使用壽命，提升整車的功能。另一方面也可以在蓄電池老化到一定程度時提示用戶，用戶可以進行及時的保養(yǎng)和更換電池，避免出現(xiàn)車輛拋錨的現(xiàn)象［2］。

2 鉛酸蓄電池的工作原理和老化種類歸納

2.1 鉛酸蓄電池的原理

鉛酸蓄電池主要由正極板、負極板、電解液、容器、極柱、隔板、電池槽和電池蓋等組成。當蓄電池在放電的狀態(tài)下，負極板活性物質鉛和電解液稀硫酸發(fā)生化學反應，形成硫酸鉛。正極板的活性物質二氧化鉛和電解液稀硫酸發(fā)生化學反應形成硫酸鉛和水［3］。充電狀態(tài)下電解液中的硫酸鉛得電子使得鉛離子還原為陰極板的金屬鉛，硫酸鉛和水反應將硫酸鉛氧化為陽極板的二氧化鉛?；瘜W反應公式如下：

1）放電過程

負極：Pb-2e-+SO42-=PbSO4

正極：PbO2+2e-+SO42-+4H+=PbSO4+2H2O

總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

2）充電過程

陰極：PbSO4+2e-=Pb+SO42-

陽極：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-

總反應：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4

2.2 鉛酸蓄電池的老化種類歸納

在了解了蓄電池的工作原理后，我們可以知道蓄電池的充放電過程就是不斷地氧化還原反應的過程，伴隨著蓄電池的使用時間變長會產生如下幾種常見的老化現(xiàn)象，可以歸納如下。

1）蓄電池硫化

在正常情況下蓄電池極板上活性物質（正極板的二氧化鉛和負極板的海綿狀金屬鉛）在放電過程中會轉化成硫酸鉛晶粒，并附著在極板的表面，阻止了硫酸溶液滲入和電流傳輸，使得蓄電池的內阻變大。此時可以通過提高整車發(fā)電機的電壓，使得這種結晶顆粒重新變?yōu)榛钚苑磻?。但是電池因過量放電或者在長時間充電不飽和的情況下，極板上的硫酸鉛將有一部分溶解于電解液中，溫度越高，溶解度越大，但當溫度下降時，溶解度減少，出現(xiàn)過飽和的現(xiàn)象，這時候部分硫酸鉛會從電解液中析出，再次結晶為大顆粒的硫酸鉛，這樣就造成蓄電池充放電性能嚴重惡化，蓄電池內阻增大，造成硫化現(xiàn)象［4］。

2）蓄電池活性物質脫落

乘用車使用的12V鉛酸蓄電池由6個串接的單個電池組成，每個單格電池由板極塊構成。極板塊由正負極板組和在它們之間的微孔絕緣材料的隔板組成。正極板的活性物質有二氧化鉛（PbO2），為深棕色。負極板上的活性物質為海綿狀的純鉛（Pb），金屬灰色。當電池受到外力的影響時，比如振動或者摔打等。正負極板上的活性物質二氧化鉛和鉛會從板柵上脫落。此外長期的大電流充電、放電，極板容易彎曲，活性物質附著能力下降易發(fā)生脫落。從而造成蓄電池容量的下降。

3）蓄電池板柵腐蝕

傳統(tǒng)蓄電池的極板柵架采用鉛銻合金制造，免維護蓄電池則采用鉛鈣合金制造。蓄電池在充電的過程中，正極板柵的鉛處于熱力學不穩(wěn)定的狀態(tài)，容易被氧化為化合價更高的氧化鉛，這會使得板柵持續(xù)受到腐蝕。另外，當電解液中含有對板柵有腐蝕作用的酸類或者其他的有機物鹽類時，都會加速板柵的腐蝕。長期作用下，板柵被腐蝕后會失去支撐強度，導致蓄電池的使用壽命減短［5］。

3 鉛酸蓄電池老化相關的信號功能定義和開發(fā)

在整車電源系統(tǒng)中為了描述蓄電池的狀態(tài)我們常用SOC（電池的荷電狀態(tài)）、SOF（電池的功能狀態(tài)）、SOH（電池的健康狀態(tài)）等信號來表征。

3.1 鉛酸蓄電池老化相關的信號功能定義。

1）電池的荷電狀態(tài)SOC（state of charge），它指的是可提供的電池容量（百分比）的一個測度。100%，描述為實際可交付電量除以標稱容量，再乘以100%［6］。

2）電池的功能狀態(tài)SOF（state of function），這是一個預估值，需考慮老化效應（電池分層）、電池溫度、起動期間的電壓降，以及OEM規(guī)定的內阻和電流要求。SOF將作為下一個起動過程中，預估的最小電壓值。常用于整車啟停功能的標定輸入條件。

3）電池的健康狀態(tài)SOH（state of health），它表示完全充電（老化）電池的實際最大容量，與最初/額定的電池容量的比值。，額定容量指的是一個新的完全充滿電并按照特定的速率和溫度放電的電池的容量（單位：Ah）。

3.2 蓄電池老化相關信號的計算算法開發(fā)。

1）SOC的計算算法主要有兩種：一種是蓄電池完成靜置休眠后的OCV-開路電壓（Open Circuit Voltage）計算，另外一種是基于電流安時積分的實時運算［7］。第1種OCV的計算主要參考蓄電池供應商測試的Table A表。蓄電池的Table A表描述了一個電池在某一特定的溫度下開路電壓和SOC的關系，電壓和SOC的關系是線性變化的。假設選取室溫25℃下的數據為例。U1對應SOC1，U2對應SOC2。舉例說明：以某一型號的AGM電池為例，選取40%SOC的電壓值為12.25V，選取80%SOC的電壓值為12.85V。使用線性方程y=bx+k，把SOC的百分比作為x，電壓值作為y.可以算出b=0.015V/%，k=11.65V，則可以得出電壓和SOC的關系式為y=0.015x+11.65.進而可以繪制出如圖1所示的OCV狀態(tài)的開路電壓和SOC的線性曲線。

圖1 OCV開路電壓和SOC的線性曲線

第2種基于電流的安時積分SOC計算則為：

式中：SOC0——初始的SOC；i——電流；t——時間；CN——蓄電池額定容量。

OCV的計算常用在車輛處于長時間靜止休眠的狀態(tài)，該種算法目前精度最高。電流安時積分法則是通過蓄電池傳感器采集到的充放電電流數據進行計算，考慮到電池的充放電效率，該算法有一定的誤差，但卻是車輛在運行狀態(tài)下最簡單可靠的計算算法。

2）SOF的計算算法主要如下：蓄電池傳感器的安裝結構系統(tǒng)如圖2所示，蓄電池傳感器安裝位置在蓄電池的負極極柱上，取電來源于電池分配單元。由于不同的蓄電池傳感器對于具體的SOF實現(xiàn)邏輯有些差異，但是總的來說可以簡要概括為SOF=Ubat-U0-IRi（定義參考見表1）。舉例計算說明，選取某一型號的AGM電池，OCV曲線參照圖1，當電池的SOC為80%時，對應的Ubat為12.85V，選取U0為0.5V，上一次的啟動電流選取800A，Ri選取3mΩ，則代入公式計算為：

圖2 蓄電池傳感器的安裝結構系統(tǒng)圖

表1 SOF公式的信號定義

則表示在下一次啟動過程中，預測的電池最低的電壓值為9.95V。如果蓄電池出現(xiàn)老化的現(xiàn)象則Ri的數值將會變大，那么SOF的數值就會降低。通過SOF數值的大小可以在一定程度上反饋蓄電池的老化程度［8］。

3）SOH的計算算法主要如下：如圖3所示是蓄電池物理模型的示意圖，每個變量的含義如表2所示。

圖3 蓄電池物理模型示意圖

表2 蓄電池模型的變量含義

由3.1SOH的含義可知為實際最大充電容量和電池額定容量的比值［9］。當一個電池出現(xiàn)老化的狀態(tài)后，他的SOC就不能達到出廠時100%狀態(tài)。在實際的運用過程中SOH的數值一般在30～50個駕駛循環(huán)工況更新。每一次的駕駛循環(huán)需要包含一個充電的過程和一個靜置休眠學習完成OCV校準的過程。SOH的數值選取在這些駕駛循環(huán)中SOC數值最高的值。如圖4所示，當一定條件下，電池的充電電壓高，充電電流小則表明該狀態(tài)下的SOC高。所以對于電池在臺架實驗中不同溫度下電池的SOC和充電電壓以及充電電流符合一定的矩陣表。當電池被蓄電池傳感器檢測到是滿充電狀態(tài)（Full charge dectected-FCD），可以對應矩陣表查詢到一個SOC值如圖虛線狀態(tài)下的95%。綠色曲線是電池完成OCV校準后和持續(xù)充電狀態(tài)的安時積分曲線，此時對應的數值為80%。則表明該蓄電池有15%的容量處于被硫化的狀態(tài)。

圖4 充電狀態(tài)下的電流硫化狀態(tài)評估

如圖5所示，當一定條件下，對于電池在臺架實驗中不同溫度下電池的SOC和放電電壓以及放電電流符合一定的矩陣表。當電池被蓄電池傳感器檢測到是放電結束狀態(tài)（End of discharge-EOD），可以對應矩陣表查詢到一個SOC值如圖虛線狀態(tài)下的10%。綠色曲線是電池完成OCV校準后和持續(xù)放電狀態(tài)的安時積分曲線，此時對應的數值為20%。則表明該蓄電池有10%的容量由于活性物質的丟失而失去。

圖5 放電狀態(tài)下的電流活性物質丟失狀態(tài)評估

4 蓄電池老化的信號整車標定功能以及給用戶帶來的收益

通過第3章的介紹，我們已經熟悉了SOC、SOF、SOH的含義和計算算法。對于這些信號數值我們可以進行相關的標定實現(xiàn)如下的功能。

4.1 電池信號SOC、SOF、SOH整車邏輯標定功能

1）禁用自動啟停工作。當電池的SOC、SOF、SOH數值小于一定的標定值時，例如SOC小于65%或者SOF小于7V亦或SOH小于65%，可以關閉啟停功能防止車輛進入自動停機后無法再次自動啟動。

2）自動啟動車輛。當車輛處于長時間的自動停機（比如長時間等待紅燈狀態(tài)），此時車輛的大負載用電器仍然開啟，可以通過標定SOC、SOF數值，例如SOC小于60%或者SOF小于6.7V，使車輛重新啟動給蓄電池充電避免車輛饋電拋錨。

3）電池去硫化功能。當電池的SOF、SOH數值小于標定值時，例如SOF小于6.5V或者SOH小于60%或硫化百分比達到5%，可以通過調高整車的發(fā)電設備（比如發(fā)電機）的充電電壓例如14.5V，達到給電池去硫化的目的［10］。

4）IPC提示用戶及時更換電池。當電池的SOF、SOH數值小于標定值時，例如當SOF數值小于6.5V且SOH小于50%時，可以通過診斷觸發(fā)在IPC上顯示提示信息告知用戶及時進行車輛蓄電池更換等。

4.2 電池信號的標定開發(fā)給用戶帶來的收益

1）通過整車信號的標定功能例如禁用啟停、自動啟動以及IPC智能提示等，避免給用戶帶來車輛拋錨風險。

2）整車電源系統(tǒng)可以在電池出現(xiàn)老化情況下利用充電系統(tǒng)適當調高充電電壓給電池去硫化，使得電池的使用壽命增強。