低速電動汽車用鉛酸電池充電技術試驗研究

李桂發(fā)，郭志剛，劉玉，鄧成智

（天能集團研究院，浙江 長興 313100）

低速電動汽車用鉛酸電池充電技術試驗研究

李桂發(fā)，郭志剛，劉玉，鄧成智

（天能集團研究院，浙江 長興 313100）

本文中針對低速電動汽車用鉛酸蓄電池的恒壓限流充電方式進行了研究，并從充電效率、電池溫升以及對電池循環(huán)壽命的影響展開了試驗。實驗結果表明，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，隨著城市空氣質(zhì)量的下降，純電動乘用車越來越受到環(huán)保人士及政府部門的青睞，動力電池延伸到了乘用車領域并推動了電動乘用車的發(fā)展[1]。目前，電動乘用車采用的動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、價格低廉以及良好的循環(huán)性能等優(yōu)點成為了動力電池的首選。

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，充電時間一般在 10～12 h。通常易出現(xiàn)的過充電與欠充電現(xiàn)象基本都是由于充電時間過長、過短，或是由于不適配的充電參數(shù)造成的。電池長期處于過充電狀態(tài)，會使安全閥頻繁開啟導致失水增加，板柵腐蝕加速，容量衰減，甚至造成熱失控；長期處于欠充電狀態(tài)，會在極板內(nèi)部形成不可逆的硫酸鹽化，而且還會在活性物質(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]。本文針對恒壓限流充電方式進行了研究，從不同充電電流的充電效率、充電溫升以及對電池循環(huán)壽命的影響展開試驗。

1 充電工藝

圖1 是目前市場上采用的典型充電模式。這種充電模式下的標準溫度是 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，達到轉綠燈時一般需要 6～8 h，總的充電時間在 10～12 h，因此很多消費者都提出了縮短電池充電時間的愿望。同時，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試驗，同時與市場上典型充電模式進行對比（即 1# 工藝）。為縮短試驗周期，本次試驗中不進行涓流充電步驟，具體充電工藝見表 1。

圖1 典型充電模式

表1 充電工藝

2 試驗數(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 充放電機進行試驗，并采用數(shù)據(jù)采集儀（日本圖技株式會社產(chǎn)，型號 GL-820）對充電過程中電池表面溫度進行采集。不同工藝充電實測曲線見圖 2，測試時環(huán)境溫度維持在 25℃±2℃。

對整個充電過程的數(shù)據(jù)進行匯總的結果如表 2所示。對限流階段充入電量與總的充入電量進行分析，電流越大充入電量會略多，但是電池表面溫升無明顯差異，可以表明，充電時可以接受更大的初始充電電流，而且可縮短充電時間，提升充電效率。

從圖 2 中可以看出，電池表面溫升最高點是在充入總電量的 95 %～97 % 之間，所以我們采用 FLUKE紅外溫度儀監(jiān)測了此時電池內(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 不同工藝充電實測曲線

表2 充電過程數(shù)據(jù)

圖3 各種工藝在最高溫升時的電池內(nèi)部溫度表現(xiàn)

2.2 跳轉電流

圖1 所示的典型充電模式中，工藝設定的跳轉電流為 0.01C，按照 6-EVF-100 電池計算即為 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，均在工藝時間內(nèi)提前到達了 1 A 跳轉電流。由此可見，采用更大的初始充電電流可以滿足工藝跳轉條件。同時，對比分析了跳轉時充入電量情況（見表 3 ），充放電量之比在 1.02～1.03，說明電池均已達到完全充電狀態(tài)。我們認為控制涓流充電時間，一方面可再次縮短充電時間，另一方面可減少電池失水，延長電池的循環(huán)使用壽命。

表3 充電末期數(shù)據(jù)

2.3 循環(huán)壽命測試

選擇 3 只 6-EVF-100 電池測試循環(huán)壽命。單只進行充放電循環(huán)后，分別采用表 1 中的 1#、2#、3# 充電工藝進行補充電，模擬不同初始充電電流、不同充電量對循環(huán)壽命的影響。循環(huán)過程為：S1 階段中，以 33.3 A 放電至 10.5 V（100 % DOD）；S2 階段補充電； S3 階段靜置 1 h。S1～S3 構成一個循環(huán)，循環(huán)開始前進行稱重，并以 50次為一個單元進行電池稱重以獲取失水數(shù)據(jù)，最后得到的循環(huán)壽命曲線如圖 4 所示。實驗表明，采用更大的初始充電電流對電池循環(huán)壽命并無影響，而充電量更大的 1# 充電工藝對電池循環(huán)壽命有負面影響。通過對比分析表 1 與表 3 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1#工藝達到跳轉條件后充入的電量是最多的，這與充電末期的充電時間設定有關。在充足電的前提下，充電量越多電池失水也就越多，對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。對整個循環(huán)期間電池的失水進行了統(tǒng)計，如表 4 所示。

圖4 6-EVF-100 循環(huán)壽命曲線

表4 循環(huán)過程失水

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

2.4 不同環(huán)境溫度試驗

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)境溫度下進行充放電試驗。循環(huán)過程：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 構成 1 個循環(huán)單元。充電電壓采用圖 1 典型充電模式中給出的溫度補償系數(shù)。

為確保環(huán)境溫度控制得精確，整個試驗都在高低溫試驗箱中進行，并在切換溫度時先將電池在切換溫度下靜置 12 h 以確保電池內(nèi)部溫度達到環(huán)境溫度，同時采用數(shù)據(jù)采集儀采集電池充放電過程溫度。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，在安裝電池組的過程中必須考慮電池箱體的通風性能、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 結論

（1）提供更大的初始充電電流后，充電溫升并無明顯升高。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間，將總充電時間控制在 5～6 h；

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

（3）采用不同的初始充電電流，達成跳轉條件時的充電量已基本滿足完全充電，所以應盡量控制涓流充電時間，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. 我國典型低速電動車市場消費者調(diào)查[J]. 汽車工業(yè)研究, 2011: 16-18.

[2]楊裕生. 縱論電動汽車和化學蓄電[M]. 北京: 科學出版社, 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: 機械工業(yè)出版社, 2007: 213-224.

[4]David Linden, Thomas B. Reddy. 電池手冊[M]. 汪繼強, 等譯. 北京: 電池工業(yè)出版社, 2007: 441-445.

[5]王堅，呂榮冠，焦昌梅. 電動汽車動力蓄電池電池充電及其管理的研究[J]. 蓄電池, 2011(5): 230-236.

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