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        車用鉛酸蓄電池通氣孔漏液探究

        2023-04-01 07:54:48周耀華劉萬里莫丙達陳建明
        汽車零部件 2023年3期
        關(guān)鍵詞:通氣孔漏液氣液

        周耀華,劉萬里,莫丙達,陳建明

        廣汽本田汽車有限公司技術(shù)部,廣東廣州 510700

        0 引言

        鉛酸蓄電池作為低壓供電系統(tǒng)的核心部件,一旦發(fā)生漏液,輕則造成電池短路縮短使用壽命,用電負(fù)載無法正常使用;重則腐蝕鄰近零部件及線束,產(chǎn)生安全隱患。因此本文重點探究蓄電池漏液的發(fā)生機制及相關(guān)影響因素,并提出針對性的改善措施。研究結(jié)果對提高蓄電池使用壽命、保證車輛電氣系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。

        1 蓄電池漏液原因及對策

        鉛酸蓄電池在工作過程中,將不可避免發(fā)生附加多余反應(yīng),而電解水則是最主要的副反應(yīng)之一,其反應(yīng)過程[1-2]:

        H2O→2H2↑+O2↑

        (1)

        電解水過程將產(chǎn)生大量氣體,造成電池內(nèi)壓增大。同時,氣體附著在極板表面,造成電解液面上升,氣液分離路徑將縮短,電解液酸霧在內(nèi)壓作用下將向大氣釋放[3]。酸霧排出過多將造成漏液問題。因此本文認(rèn)為可使電解液面大幅上升、氣液分離路徑變短的所有相關(guān)因素,均為導(dǎo)致漏液的誘因。

        漏液可分為通氣孔漏液和密封連接漏液。密封連接漏液主要是生產(chǎn)制造問題導(dǎo)致[4],但對于通氣孔漏液問題的研究文獻較少,因此本文重點對通氣孔漏液問題產(chǎn)生的原因及對策開展相關(guān)的探究。

        整車使用工況是多種因素的復(fù)合作用,結(jié)合車輛的使用特性與電池的使用環(huán)境推斷,導(dǎo)致通氣孔漏液的因素主要有:啟動時的荷電狀態(tài)(SOC)、環(huán)境溫度、車身振動、充放電邏輯、氣液分離結(jié)構(gòu),本文將從這5個方面因素進行確認(rèn)。

        1.1 啟動時荷電狀態(tài)的影響

        由于車輛暗電流影響或熄火后仍使用用電負(fù)載,蓄電池荷電狀態(tài)會降低。

        本次試驗將對蓄電池在不同初始SOC下的液位上升情況進行確認(rèn)。測試條件:先在60 ℃環(huán)境下放置12 h后,以恒定14.5 V(最大50 A)的電壓進行充電,充電時長為2 h。

        不同SOC下液位測試結(jié)果見表1。由表可知,初始SOC為25%時,充電過程電解液溫度上升了3 ℃,液位上升了12 mm;當(dāng)初始SOC為75%時,整個過程溫度沒有發(fā)生變化,液位只上升了10 mm。由此可知,啟動時的蓄電池初始SOC越低(電量越小),越容易導(dǎo)致液位上升。

        表1 不同SOC下液位測試結(jié)果

        在SOC較低時,為防止蓄電池虧電, ECU必須要求發(fā)電機向蓄電池大電流快速充電,導(dǎo)致電解水反應(yīng)較為劇烈。因此,為減少SOC對蓄電池漏液的影響,可通過設(shè)計方面降低暗電流,以及盡量避免熄火后使用用電負(fù)載,特別是加改裝的負(fù)載等。

        1.2 環(huán)境溫度的影響

        各車型發(fā)動機艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)布局差異較大,使得蓄電池的工作環(huán)境各不相同。一般情況下,傳統(tǒng)燃油車熱車跑行后機艙內(nèi)溫度為40~100 ℃。

        本次試驗將探究不同環(huán)境溫度對液位的影響。測試條件:選擇初始SOC為50%的電池,分別放置在40、60和80 ℃的環(huán)境下適應(yīng)12 h后,以恒定14.5 V(最大50 A)的電壓進行充電,充電時長為2 h。

        通過測試可知,隨著工作環(huán)境溫度從40 ℃上升到80 ℃,蓄電池液位上升就越大。不同環(huán)境溫度下液位測試結(jié)果見表2。

        表2 不同環(huán)境溫度下液位測試結(jié)果

        綜上分析可知,正確合理設(shè)計蓄電池的擺放位置和機艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)的總體布局,可直接降低蓄電池工作溫度,減輕漏液風(fēng)險。

        1.3 車身振動的影響

        鉛酸蓄電池通過托架與車身剛性連接,并跟隨車身運動。車輛在行駛過程中,不可避免產(chǎn)生各種振動。此時電解液將跟隨發(fā)生涌動,特別是經(jīng)過惡劣路面、急加減速或大幅度轉(zhuǎn)彎側(cè)傾時涌動更明顯。電解液涌動震蕩將附著在通氣孔附近,最終在內(nèi)壓作用下發(fā)生泄漏。因此可通過改善整車底盤濾振效果從而避免電池發(fā)生漏液,當(dāng)然這種改善需要結(jié)合成本綜合考慮。

        1.4 充放電邏輯的影響

        根據(jù)電解水反應(yīng)方程式可知,電流越大,電解反應(yīng)越劇烈,氣體產(chǎn)生速率越快,液位升高越顯著。蓄電池充放電電流的控制,實質(zhì)是發(fā)電機工作狀態(tài)的控制。發(fā)電機典型工作狀態(tài)主要有持續(xù)小電流發(fā)電和間歇性發(fā)電兩種,如圖1和圖2所示。

        圖1 持續(xù)小電流發(fā)電狀態(tài)

        圖2 間歇性發(fā)電狀態(tài)

        表3列出了持續(xù)小電流發(fā)電和間歇性發(fā)電兩種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點,實際工況均為這兩種工況的組合。

        表3 兩種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點

        為了比較這兩種典型工況對漏液的影響,本文選取了狀態(tài)一致的鉛酸蓄電池分別進行了兩組對比試驗。充電試驗條件差異對比如圖3所示,其他測試條件一致,其中SOC為90%,環(huán)境溫度為60 ℃,試驗時長為2 h。

        圖3 充電試驗條件差異對比

        發(fā)電機不同工作狀態(tài)對液位的影響如圖4所示。

        圖4 發(fā)電機不同工作狀態(tài)對液位的影響

        對于持續(xù)小電流發(fā)電狀態(tài),用電負(fù)載電源由發(fā)電機持續(xù)穩(wěn)定供給,蓄電池處于不工作狀態(tài),因此充放電電流較小。此時電解水反應(yīng)較為平緩,氣體產(chǎn)生量不大,液位上升不明顯。

        對于充放電交替進行的模式,在發(fā)電機不工作時,用電負(fù)載電源由蓄電池供給。蓄電池持續(xù)消耗電量,放電電流大,容易虧電。為避免虧電發(fā)生,需要快速、間歇性地恢復(fù)電量,因此充電電流較大。電解水反應(yīng)劇烈,氣體產(chǎn)量增大,液位上升明顯。

        因此,應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化充放電控制邏輯,以達到發(fā)動機輸出功率、用電負(fù)載耗電量、電池性能要求以及成本之間的平衡。

        1.5 氣液分離結(jié)構(gòu)的影響

        氣液分離結(jié)構(gòu)蓄電池主要有液口栓結(jié)構(gòu)和雙蓋結(jié)構(gòu)兩種,如圖5和圖6所示。

        圖5 液口栓結(jié)構(gòu)蓄電池

        圖6 雙蓋結(jié)構(gòu)蓄電池

        采用液口栓結(jié)構(gòu)的蓄電池,氣液分離結(jié)構(gòu)設(shè)置在栓體內(nèi)部,通氣孔設(shè)在栓體頂端,結(jié)構(gòu)簡單、便宜且容易維護,氣液分離能力受液位高度和栓體自身長度影響。而采用雙蓋結(jié)構(gòu)的蓄電池,氣液分離結(jié)構(gòu)設(shè)在雙蓋內(nèi)部,氣體通過較長且迂回復(fù)雜的流道后,從蓋體兩側(cè)通氣孔排出。該結(jié)構(gòu)氣液分離能力不受液位變化影響,但成本較高。

        為驗證這兩種結(jié)構(gòu)對漏液的影響,試驗采用2個不同液口栓長度的蓄電池和1個采用雙蓋結(jié)構(gòu)的蓄電池進行測試。測試條件采用圖3b的模式進行。不同氣液分離結(jié)構(gòu)對漏液的影響結(jié)果見表4,測試后電池內(nèi)部情況如圖7所示。

        表4 不同氣液分離結(jié)構(gòu)對漏液的影響結(jié)果

        圖7 測試后電池內(nèi)部情況

        采用較短的液口栓更能防止漏液發(fā)生。這是因為栓體越長,其下端與液面距離越短。隨著工作過程液位上升,液口栓底部被浸沒,氣液分離能力下降。酸霧中的液體無法完全分離,在內(nèi)壓作用下,從通氣孔排出,造成漏液。

        對于雙蓋結(jié)構(gòu)的蓄電池,氣液分離采用迂回式復(fù)雜結(jié)構(gòu),不受液位變化影響,酸霧中的液體有效分離并回流到殼體內(nèi),因此防漏液能力較好。

        2 結(jié)束語

        車用鉛酸蓄電池漏液問題,不僅影響電池使用性能,還會造成低壓供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定,最終導(dǎo)致汽車部分功能與配置無法正常工作。本文基于充放電測試,驗證了蓄電池通氣孔漏液與啟動時SOC、環(huán)境溫度、車身振動、充放電邏輯、氣液分離結(jié)構(gòu)有關(guān),并提出了針對性的改善措施。當(dāng)然,實車工況為多要素的組合作用,因此要綜合考慮。

        為提高安全性和可靠性,除了必須提高蓄電池的加工工藝外,還需結(jié)合車輛的使用特性與電池的使用環(huán)境綜合判斷。

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