EFB、AGM蓄電池在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用對(duì)比分析

易 琨

(神龍汽車有限公司技術(shù)中心， 武漢 430056)

EFB、AGM蓄電池在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用對(duì)比分析

易 琨

(神龍汽車有限公司技術(shù)中心， 武漢 430056)

EFB蓄電池與AGM蓄電池是目前大規(guī)模應(yīng)用在混合動(dòng)力車型上的兩種具有怠速啟停功能和能量回收功能的鉛酸蓄電池，由于EFB蓄電池與AGM蓄電池結(jié)構(gòu)形式不同，導(dǎo)致其應(yīng)用環(huán)境和性能特性均有所不同。以12 V汽車用怠速啟停功能蓄電池為背景，對(duì)AGM蓄電池和EFB蓄電池在混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用時(shí)的應(yīng)用環(huán)境、性能和成本進(jìn)行了對(duì)比分析。指出在混合動(dòng)力汽車起動(dòng)用怠速啟停蓄電池的選型設(shè)計(jì)中，要結(jié)合工作環(huán)境、成本、車型功能定位的綜合性評(píng)價(jià)，選用不同的經(jīng)濟(jì)而又合理的設(shè)計(jì)形式。

EFB；AGM；怠速啟停功能；應(yīng)用

隨著怠速啟停技術(shù)[1-2]和能量回收技術(shù)在混合動(dòng)力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)上的廣泛應(yīng)用，對(duì)車載起動(dòng)型蓄電池的性能也提出了更高的要求[3-4]：蓄電池需要經(jīng)常大電流狀態(tài)下放電，可以頻繁啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，蓄電池供給所有的用電器電力。與傳統(tǒng)的起動(dòng)用鉛酸蓄電池相比，各個(gè)階段的充放電量均有增加；同時(shí)，要求蓄電池應(yīng)具有較高的耐久性能以及更長(zhǎng)的深放電及淺放電循環(huán)壽命。蓄電池必須大部分時(shí)間工作在部分荷電狀態(tài)(partial state of charge，PSOC)；為提高燃油效率和降低排放，必須在減速和剎車制動(dòng)時(shí)利用產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量充電，要求在0～10 s的短時(shí)間內(nèi)提高蓄電池的充電接受能力。

富液加強(qiáng)型蓄電池(enhanced flooded battery，EFB)和貧液閥控吸附式玻璃纖維棉隔板鉛酸蓄電池[1](absorbed glass mat，AGM)作為具有怠速啟停功能的起動(dòng)型蓄電池，在混合動(dòng)力汽車上都得到了廣泛應(yīng)用。

本文對(duì)應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車上的具有怠速啟停功能的兩種起動(dòng)型蓄電池進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 EFB與AGM蓄電池概述

1) 貧液閥控吸附式玻璃纖維棉隔板鉛酸蓄電池(AGM)

AGM蓄電池，全稱為貧液閥控吸附式玻璃纖維棉隔板鉛酸蓄電池，是一種貧液電池，也是一種閥控蓄電池(valve regulated lead-acid battery,VRLAB)。它采用吸附式玻璃纖維棉(absorbed glass mat,AGM)作隔板[5-7]，電解液吸附在極板和隔板中。采取貧電液設(shè)計(jì)，電池內(nèi)無(wú)流動(dòng)的電解液，電池既可以立放工作，也可以臥放工作。在與EFB蓄電池同容量的情況下，有更好的低溫大電流放電性能、深放電循環(huán)壽命、充電接受能力、耐振性。

汽車用AGM蓄電池按結(jié)構(gòu)類型可分為AGM平板蓄電池和AGM卷繞式蓄電池。本文提到的AGM蓄電池均為AGM平板蓄電池。

2) 富液加強(qiáng)型蓄電池(EFB)

EFB蓄電池是一種富液加強(qiáng)型鉛酸蓄電池，其“加強(qiáng)”主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

板柵：增大極板面積；加密板柵網(wǎng)格，降低內(nèi)阻，提高利用率；采用中極耳板柵結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)阻；應(yīng)用多元Pb-Ca-Sn合金，提高板柵耐腐蝕性及循環(huán)性能；采用厚鉛帶結(jié)構(gòu)，提高板柵耐腐蝕性能，增加極板強(qiáng)度，延緩極板長(zhǎng)高速率。

隔板：采用低內(nèi)阻隔板。

配方：采用特殊低溫冷起動(dòng)配方；應(yīng)用新型負(fù)極添加劑，減少極板不可逆的硫酸鉛鹽化現(xiàn)象，提高接受能力，同時(shí)保持較低的水損耗，提高電池使用壽命。

本文第2節(jié)將以12 V蓄電池為例，對(duì)AGM蓄電池和EFB蓄電池進(jìn)行應(yīng)用、性能和成本等方面的對(duì)比分析與研究。

2 EFB與AGM蓄電池的對(duì)比研究

2.1AGM/EFB蓄電池結(jié)構(gòu)、性能對(duì)比研究概述

EFB蓄電池內(nèi)除去極板、隔膜及其他部件的剩余空隙內(nèi)完全注滿電解液，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電解液處于富余狀態(tài)。電化學(xué)反應(yīng)生命周期中，電化學(xué)反應(yīng)消耗的水非常多，在極板上部的空間內(nèi)必須有電解液的存儲(chǔ)空間，所以不是所有的空間可用于極板布置，需要設(shè)計(jì)時(shí)下移極板位置[5,8]。

EFB蓄電池是一種富液蓄電池，極板表面與隔板空隙需要給電解液留出空間。隔板的造型保證了極板與隔板之間的必要空間和距離，但是由于長(zhǎng)期的電化學(xué)反應(yīng)(包括振動(dòng))，極板上的活性物質(zhì)在電化學(xué)反應(yīng)生命周期中會(huì)脫落。活性物質(zhì)脫落會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)老化。伴隨電解液的慢慢層化，導(dǎo)致電解液濃度差極化，引起自放電現(xiàn)象加劇。出現(xiàn)電解液層化時(shí)，極板下部的硫酸密度大，所以充電接受能力會(huì)下降，也導(dǎo)致負(fù)極板下部形成硫酸鹽化。這種狀態(tài)使充放電反應(yīng)集中在極板的上部，同時(shí)也加速了正極板上部的活性物質(zhì)劣化，使得蓄電池生命周期縮短，相關(guān)性能劣化。

AGM蓄電池是一種閥控蓄電池，采用玻璃纖維隔板。玻璃纖維隔板的高孔隙空隙率使隔板能夠吸附充足的電解液，同時(shí)極板內(nèi)部和表面也吸附了部分電解液，AGM蓄電池融合了閥控蓄電池和EFB蓄電池的長(zhǎng)處。AGM蓄電池的玻璃纖維隔板隔膜有10%的孔隙沒(méi)有浸潤(rùn)電解液[9-11]，其作用是為孔隙為正極反應(yīng)析出的氧運(yùn)向負(fù)極留出通道[9-10]，這是一種貧液式設(shè)計(jì)。工作過(guò)程中，一方面，氧通過(guò)AGM隔膜上的孔隙在電池內(nèi)部重組，正極析出的氧在負(fù)極重新化合，電化學(xué)反應(yīng)中消耗很少的水，由于極板上部不會(huì)留出空間，所以可提升極板高度，這樣極板表面參與電化學(xué)反應(yīng)的能力增強(qiáng)，比較同樣尺寸規(guī)格和極板數(shù)量的EFB富液蓄電池而言，冷起動(dòng)性就得到了提升[5,8]。

另一方面，極板與AGM隔膜間采用緊配合裝配，AGM隔板均勻地被按壓且緊靠在極板中間，電解液灌注且填充、浸潤(rùn)AGM隔板纖維，極板表面沒(méi)有多余空隙。由于采用了貧液式緊裝配[5,8]，AGM隔板直接并均勻地緊貼在極板活性物質(zhì)上，使極板充分接觸電解液，保證了活性物質(zhì)固定在玻璃纖維墊中間，防止了活性物質(zhì)的脫落；電解液在隔板玻璃纖維中的毛細(xì)現(xiàn)象克服了重力影響，能在很大程度上避免蓄電池“電解液分層”[5,8]。

與EFB蓄電池相比，AGM鉛酸蓄電池在整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)生命周期內(nèi)具有更高的電容量穩(wěn)定性，電化學(xué)反應(yīng)生命周期更長(zhǎng)。低溫冷起動(dòng)性能更可靠。

2.2AGM/EFB蓄電池尺寸、性能對(duì)比分析

表1為某蓄電池生產(chǎn)廠提供的AGM/EFB尺寸參數(shù)對(duì)比。

從表1可以看出：在同一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下，同一尺寸規(guī)格的電池，一般AGM具有較高的CCA值。但是板式AGM電池由于采用貧液式設(shè)計(jì)，電池的容量受到酸量的制約，活性物質(zhì)利用率不及富液電池(含EFB)。而且由于板式AGM電池采用薄極板設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的閥控電池活性物質(zhì)利用率得到很大提升，但相比富液EFB電池仍偏低。

分析結(jié)論：同等鉛耗下，AGM電池的容量比富液EFB電池低；同等容量下，AGM電池比普通EFB電池重，成本也較高。

表1 尺寸參數(shù)對(duì)比(德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)下系列型號(hào)尺寸)

2.3AGM/EFB蓄電池基本性特能的對(duì)比分析

由于AGM蓄電池采用了密封狀態(tài)下閥控的貧液緊裝配設(shè)計(jì)形式，隔板中有10%的纖維孔隙沒(méi)有被電解液浸潤(rùn)，因而電池腔內(nèi)的熱傳導(dǎo)性能差。充電末期，正極產(chǎn)生的氧到達(dá)負(fù)極和負(fù)極板鉛化合的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，如不及時(shí)散熱，會(huì)使電池腔體溫度上升；此時(shí)若沒(méi)有及時(shí)減小充電電壓，則充電電流短時(shí)間就會(huì)聚增，析氧速度加快，又會(huì)引起正反饋?zhàn)饔么偈骨惑w溫度增高。如此惡性反復(fù)，就會(huì)引起熱失控現(xiàn)象[11]。

表2為AGM、EFB蓄電池各種特性對(duì)比。從對(duì)表2的分析可以得到結(jié)論：對(duì)于同一尺寸規(guī)格型號(hào)的鉛酸蓄電池，AGM蓄電池更易發(fā)生熱失控，所以充電末期限壓較EFB蓄電池低，而EFB蓄電池充電末期限壓較高且易發(fā)生電解液層化現(xiàn)象。綜合比較，AGM具有更好的CCA、17.5% DOD、50% DOD、水損耗特性。

表2 AGM/EFB蓄電池各種特性對(duì)比

2.4AGM/EFB蓄電池的VDA標(biāo)準(zhǔn)要求和微混合動(dòng)力車用蓄電池標(biāo)準(zhǔn)要求的對(duì)比分析

對(duì)比部分產(chǎn)品型式試項(xiàng)目的VDA(Verband Der Automobilindustrie,德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)要求[12-13]，可以得到以下分析結(jié)論：對(duì)于同一尺寸規(guī)格和容量的產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)AGM蓄電池的試驗(yàn)項(xiàng)目更多、要求更豐富；在EFB蓄電池與AGM蓄電池共有試驗(yàn)項(xiàng)目下，對(duì)AGM蓄電池要求更高、更嚴(yán)格。這說(shuō)明在同樣的應(yīng)用環(huán)境下，AGM蓄電池比EFB蓄電池性能優(yōu)異。

文獻(xiàn)[4]也進(jìn)行了相似對(duì)比分析研究：以大眾電氣SLI電池標(biāo)準(zhǔn)(12 V)及福特微混合動(dòng)力車用蓄電池標(biāo)準(zhǔn)為例，從50%放電深度循環(huán)壽命(40 ℃)、17.5%放電深度循環(huán)壽命(27 ℃)、水損耗(60 ℃)、啟停壽命數(shù)等方面，分析了微混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)AGM蓄電池和EFB蓄電池的性能要求差異，指出微混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)AGM蓄電池要求更高。

2.5AGM&EFB蓄電池的工作環(huán)境溫度及充電方法的對(duì)比分析

1) AGM的工作環(huán)境溫度及充電方法

① 工作環(huán)境溫度：-35 ℃～65 ℃

② 充電方法

恒壓充電：14.8 V 恒壓狀態(tài)下限0.25C20(A)；充電結(jié)束時(shí)間判定：充電末期當(dāng)電流值小于0.5 A后，保持1 h；

恒流充電：用恒流 0.1C20(A)，充電時(shí)間根椐電池充電初始電壓值確定，最終電池充電完成后開(kāi)路電壓要求大于13.0 V。

2) EFB的工作環(huán)境溫度及充電方法

① 工作環(huán)境溫度：-35 ℃～80 ℃

② 充電方法

恒壓充電：16.0 V恒壓狀態(tài)下限0.25C20A，當(dāng)充電電流減少至接近零值，連續(xù)2～3 h不變?yōu)橹梗?/p>

恒流充電：用恒流0.05C20A充電至蓄電池端電壓為14.4 V，再繼續(xù)充電2～3 h左右；

分析結(jié)論：AGM由于容易發(fā)生熱失控導(dǎo)致工作環(huán)境溫度范圍較窄，充電末期控制限壓值較EFB低。

2.6AGM/EFB蓄電池在同容量和尺寸規(guī)格下的生產(chǎn)成本對(duì)比分析(以70 Ah為例)

1) 鉛成本：EFB蓄電池鉛耗少；AGM蓄電池鉛耗較EFB蓄電池高5%～10%。

2) 隔板成本：EFB蓄電池為PE隔板；AGM蓄電池為吸附式玻璃纖維棉隔板，成本較PE隔板高50%～80%。

3) 殼蓋閥成本：EFB蓄電池為進(jìn)口殼蓋閥，PP塑料；AGM蓄電池為進(jìn)口殼蓋閥，特殊PP料，專利結(jié)構(gòu)，成本高100%～130%。

4) 極板加工成本：EFB蓄電池為進(jìn)口殼蓋閥，PP塑料；AGM蓄電池為進(jìn)口殼蓋閥，特殊PP料，專利結(jié)構(gòu)，成本高100%～130%。

5) 組裝成本：EFB蓄電池為拉網(wǎng)板柵；AGM蓄電池為重力澆鑄板柵，成本高50%～70%

6) 后處理及包裝成本：EFB蓄電池為全自動(dòng)化進(jìn)口后處理線；AGM蓄電池為全自動(dòng)化進(jìn)口后處理線，包裝線，成本高5%～15%。

綜合評(píng)定結(jié)論：綜合分析材料及生產(chǎn)工藝的差別，AGM蓄電池工藝更復(fù)雜，AGM蓄電池生產(chǎn)成本比EFB高約20%～50%。

2.7AGM/EFB蓄電池在混合動(dòng)力汽車怠速啟停、能量回收方面的應(yīng)用對(duì)比分析

混合動(dòng)力汽車怠速啟停、能量回收的控制策略[14-16]均要求在蓄電池狀態(tài)的準(zhǔn)確估算條件下進(jìn)行控制判斷，涉及荷電狀態(tài)SOC、功能狀態(tài)SOF、健康狀態(tài)SOH(包括蓄電池能提供的最低啟動(dòng)電壓)；SOC-State of Charge、SOF-State of Function 、SOH-State of Health[14-16]。在行駛過(guò)程中，大多數(shù)混合動(dòng)力汽車上的電池管理系統(tǒng)(battery manegement system,BMS)會(huì)對(duì)蓄電池電量傳感器的蓄電池狀態(tài)的估算值條件[14-16]進(jìn)行控制策略判斷。蓄電池狀態(tài)的估算不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致控制策略失敗。

文獻(xiàn)[17]闡述了混合動(dòng)力汽車車輛上裝有的BMS(電池管理系統(tǒng))需要準(zhǔn)確的開(kāi)路電壓(open circuit voltage，OCV)值來(lái)計(jì)算和預(yù)測(cè)SOC和SOH。怠速啟停蓄電池在怠速啟停及能量回收狀態(tài)下的充放電量與傳統(tǒng)富液電池相比有了大幅度的增加，會(huì)產(chǎn)生部分荷電狀態(tài)(PSOC)。EFB蓄電池的電解液在這種狀態(tài)下會(huì)發(fā)生層化，由于電解液有濃度差，OCV值不準(zhǔn)確，依據(jù)OCV值估算蓄電池狀態(tài)的效果差，因此EFB適用于沒(méi)有智能充電管理的帶啟停功能的車型，但此時(shí)AGM電池卻不受限制。

文獻(xiàn)[17]還認(rèn)為，EFB蓄電池應(yīng)用于能量回收率低的低要求啟停功能的車型，AGM電池適用于能量回收功能率高的高要求的先進(jìn)啟停功能的車型。

2.8AGM/EFB蓄電池的江森技術(shù)對(duì)比分析觀點(diǎn)

文獻(xiàn)[17]引述了以傳統(tǒng)富液起動(dòng)型蓄電池為基準(zhǔn)，對(duì)江森EFB蓄電池與AGM蓄電池在能量回收、冷起動(dòng)能力、正負(fù)極板柵、循環(huán)耐久性、充電接受能力等方面進(jìn)行對(duì)比分析，陳述了江森的技術(shù)觀點(diǎn)：EFB蓄電池是定位在普通富液起動(dòng)蓄電池(FB)與AGM蓄電池之間的一種過(guò)渡產(chǎn)品。

3 結(jié)束語(yǔ)

從上述論述與對(duì)比分析可以看出：對(duì)于同一尺寸規(guī)格型號(hào)的鉛酸蓄電池，在相同容量規(guī)格的情況下，AGM蓄電池比EFB蓄電池性能更優(yōu)異，但是AGM蓄電池較EFB蓄電池成本更高，適用工作環(huán)境溫度范圍較EFB蓄電池窄，且AGM蓄電池容易發(fā)生熱失控，因此限制了AGM蓄電池的應(yīng)用環(huán)境。在混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用時(shí)，EFB蓄電池適用于沒(méi)有智能充電管理的帶啟停功能的車型；AGM適用于帶智能充電管理的帶啟停功能的先進(jìn)車型。對(duì)于能量回收，AGM蓄電池較EFB蓄電池功能優(yōu)異，且更為節(jié)油。所以，AGM蓄電池將是未來(lái)混合動(dòng)力汽車啟停系統(tǒng)的發(fā)展主流。但按照江森的技術(shù)觀點(diǎn)，EFB蓄電池是定位于普通富液起動(dòng)電池(FB)與AGM蓄電池之間的一種產(chǎn)品，具有經(jīng)濟(jì)性。

因此，在混合動(dòng)力汽車起動(dòng)用怠速啟停蓄電池的選型設(shè)計(jì)中，要結(jié)合工作環(huán)境、成本、車型功能定位的綜合性評(píng)價(jià)選用經(jīng)濟(jì)又合理的設(shè)計(jì)形式。

[1] 李美娟，譯.怠速、停行車用高性能閥控式鉛蓄電池的運(yùn)行試驗(yàn)[J].電源世界，2013(7)：41-45.

[2] 李美娟，譯.怠速啟停車用鉛蓄電池技術(shù)的發(fā)展歷程[J].電源世界，2015(4)：42-46.

[3] 朱劍超.微混合動(dòng)力汽車蓄電池的選型[J].汽車電器，2009(6)：22-24.

[4] 劉小鋒.怠速啟停微混車用AGM蓄電池[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2014(10)：17-19.

[5] 倪君，王偉.啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池的保障—AGM隔膜[J].玻璃纖維，2016(3)：17-20.

[6] 包有富.富液式隔板與普通隔板性能對(duì)比[J].電源技術(shù)，2003,27(1)：5-7.

[7] 楊秀宇.VRLA蓄電池用新型硅粉玻璃纖維隔板的研究[J].蓄電池，2010,47(5)：217-219.

[8] 陳積先，讓松，覃北階，等.基于工況仿真的起停功能AGM鉛酸電池性能研究[J].汽車電器，2015(5)：68-71.

[9] 龔建富.閥控鉛酸蓄電池的兩種技術(shù)途徑的特點(diǎn)淺析[J].蓄電池，2000(2)：14-16.

[10] 柴樹(shù)松.閥控鉛酸蓄電池密封反應(yīng)的研究[J].電源技術(shù)，1999,23：79.

[11] 管雄俊.VRLA蓄電池的熱失控[J].當(dāng)?shù)赝ㄐ牛?006(3)：49-50.

[12] VDA_EFB_2017-07-13.VDA Performance Specification EFB_ 2012-07-13[S].GER:VDA,2012.

[13] 120228_VDA _AGM_16 12 11.120228_VDA_Lastenheft_AGM_16 12 11[S].GER:VDA,2012.

[14] 李志豪，沈衛(wèi)東，阮喻，等.混合動(dòng)力汽車怠速啟停與制動(dòng)能量回收策略改進(jìn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2015,32(6)：38-41.

[15] 高峰，張強(qiáng)，嚴(yán)臣樹(shù)，等.基于電壓的微混蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2010,24(12)：1-5.

[16] 羅云鋼.汽車12 V起停系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：東華大學(xué)，2014.

[17] 尚曉麗，黃鑌，吳賢章.起停電池國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].蓄電池，2016,53(1)：45-50.

(責(zé)任編輯陳 艷)

ComparisonandAnalysisofApplicationinHybridElectricVehicleofEFBandAGMBattery

YI Kun

(R&D Center of Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co., Ltd.， Wuhan 430056， China)

EFB and AGM are two kinds of battery lead-acid battery with idle start stop function and energy recovery function, which have been large-scale applied in the hybrid electric vehicles. Because of different structures, it results that their application environment and characteristics of performance are different. Based on 12 V automobile battery of idle start and stop function, the application environment and performance & cost of AGM and EFB batteries in the hybrid electric vehicles were compared and analyzed. According to comprehensive evaluation of the working environment, cost and functional orientation of the Hybrid Electric Vehicles, it is pointed out that different economic and reasonable form of design is selected in the design of the starting battery of the idle start and stop function.

EFB; AGM; stop and start function; application

2017-06-21

易琨(1976—)，男，湖北武漢人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事試驗(yàn)分析與測(cè)試工作，E-mail：1164808794@qq.com。

易琨.EFB、AGM蓄電池在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用對(duì)比分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):50-55.

formatYI Kun.Comparison and Analysis of Application in Hybrid Electric Vehicle of EFB and AGM Battery[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):50-55.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.008

TM912.1;U463.633

A

1674-8425(2017)10-0050-06