電動車用VRLA充放電控制策略

朱明海，黃 毅，周壽斌

（江蘇華富儲能新技術(shù)股份有限公司，江蘇 揚州 225600）

據(jù)統(tǒng)計，我國電動自行車社會保有量達(dá)2.5億輛，已經(jīng)成為越來越多人的出行交通工具，特別是外賣小哥、學(xué)生一族出行的標(biāo)配。電動自行車的動力來源以鉛酸蓄電池（VRLA）和鋰離子電池為主，其中鉛酸蓄電池以其優(yōu)良的性能價格比占有90%以上的市場份額。鉛酸蓄電池的質(zhì)量和壽命問題也是用戶最為關(guān)心的，因為鉛酸蓄電池更換成本是購買電動自行車以后最大的消費。

鉛酸蓄電池的實際使用壽命與設(shè)計制造水平、整車配置以及后期使用維護(hù)等因素有關(guān)。鉛酸蓄電池科研工作者已投入了不少的時間與精力從設(shè)計、配方和工藝進(jìn)行優(yōu)化，并且使鉛酸蓄電池的綜臺性能大大地提高；整車配置及使用維護(hù)的關(guān)鍵問題就是如何優(yōu)化調(diào)整充放電控制策略，充電管理和放電控制分別由整車配套的充電器和控制器實現(xiàn)。

當(dāng)然，要想對充電器和控制器的控制策略及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得先弄清楚鉛酸蓄電池的失效模式，通過對退回失效電池解析，主要是正極上部活性物質(zhì)軟化脫落、負(fù)極下部活性物質(zhì)硫酸鹽化以及伴隨著失水引起的單只落后、均衡一致性問題[1]。

1.充電策略

（1）充電電壓

鉛酸蓄電池組充電電壓偏高，正極板氧氣析出增加而形成氣泡，強力沖刷活性物質(zhì)二氧化鉛，使得活性物質(zhì)與板柵結(jié)合力變差，甚至脫落；過充析出氧氣分解的是水，致使氫離子濃度增加，從而加速了板柵腐蝕；過充造成鉛酸蓄電池內(nèi)部壓強增加，從而會有一定量的氧氣和氫氣從安全閥逸出，造成蓄電池失水。閥控式鉛酸蓄電池和外界連通的唯一通道是安全閥，單體間充電電壓和開閉閥壓力差異會帶來失水量的差異，會使容量差異進(jìn)一步離散，最終形成單只落后或均衡一致性差異。鉛酸蓄電池組充電電壓長期偏低，會使負(fù)極板上的部分硫酸鉛始終不能完全反應(yīng)，產(chǎn)生硫酸鹽化，內(nèi)阻增加，容量降低。

電動自行車用鉛酸蓄電池組正常采用鉛鈣錫合金體系，正極板析氧電壓2.35 V，負(fù)極板析氫電壓2.42 V。但作為動力電源使用，正常硫酸比重達(dá)到1.35 g/cm3，為保證鉛酸蓄電池的充電接收能力，同時為了滿足鉛酸蓄電池組8 h以內(nèi)能充滿電的使用需求，設(shè)定充電限壓一般為2.45伏/單體，浮充電壓一般設(shè)定為2.28伏/單體，各廠家根據(jù)設(shè)計和生產(chǎn)工藝不同而稍有差異。

（2）溫度補償

鉛酸蓄電池實時荷電狀態(tài)，事實上是保持鉛酸蓄電池內(nèi)部一個理想的化學(xué)活性平衡，它是由電壓和溫度共同確定的。如前所述的充電限壓2.45伏/單體，浮充電壓2.28伏/單體都是基于25 ℃的環(huán)境溫度，鉛酸蓄電池的充電及浮充電壓具有負(fù)溫度系數(shù)特性，隨著環(huán)境溫度的升高而降低，反之隨著環(huán)境溫度的降低應(yīng)適當(dāng)升高。

電動自行車冬季續(xù)行里程縮短，夏季鉛酸蓄電池?zé)崾Э毓陌冃?，就是因為配套充電器沒有采取溫度補償措施，按照環(huán)境溫度25 ℃設(shè)定的定值限壓和浮充電壓參數(shù)，導(dǎo)致鉛酸蓄電池冬季欠充電、夏季過充電引起的。

電動自行車用鉛酸蓄電池組配套充電器應(yīng)具有溫度補償功能，補償系數(shù)按照2 V系列采用-2～-3 mv/℃設(shè)定，具體如圖1所示鉛酸蓄電池充電電壓溫度補償關(guān)系曲線；溫度傳感器安裝在直流輸出線上靠近電池箱插頭的位置，以采集電池箱表面溫度為宜。

圖1 鉛酸蓄電池充電電壓溫度補償關(guān)系曲線

（3）脈沖充電

鉛酸蓄電池過充電會產(chǎn)生失水、欠充電會造成硫化，特別是過充電失水會帶來很多綜合癥：柵板腐蝕、活性物質(zhì)軟化、甚至負(fù)極板硫化等。

“脈沖充電對鉛酸蓄電池充滿電且不過充有好處”，這是大家所共識的。殊不知，并不是什么樣的充電脈沖都對鉛酸蓄電池有好處，在充電過程中何時加入也有學(xué)問。在脈沖充電過程中，頻率和占空比是兩個重要參數(shù)，選擇不當(dāng)會事倍功半，通過大量的試驗，進(jìn)行了多種制度的比較，采用低占空比和高脈沖頻率的設(shè)置，使鉛酸蓄電池可在較低的電壓下充滿；從克服極化的角度來說，所加的負(fù)脈沖時間上要很短，一般在正脈沖的3%以內(nèi)，幅值是正脈沖的1.5～3倍。

在充電過程中，充電阻力并不是恒定的，當(dāng)電池虧電較多時，由于反應(yīng)物PbSO4多而反應(yīng)產(chǎn)物Pb和PbO2少，這時化學(xué)反應(yīng)速度較快，極化作用很小，在這個階段加入脈沖，去極化的作用不僅無從發(fā)揮，而且降低前期的充電速度。只有到充電后期，隨著反應(yīng)產(chǎn)物Pb和PbO2逐漸增多而反應(yīng)物PbSO4逐漸減少，反應(yīng)動能下降，反應(yīng)速度減緩，極化作用開始逐漸加大的情況下，適時加入脈沖才會產(chǎn)生理想的效果。充電阻力加大表現(xiàn)在經(jīng)過一段電壓均速上升階段后，電壓上升速度開始加快，即人們通常所說的dv/dt變大，充電電壓曲線出現(xiàn)拐點，就確定在這一區(qū)域加入脈沖[2]。如圖2所示脈沖充電下的蓄電池極板，其活性物質(zhì)晶相致密均勻；而相同使用工況條件下，用傳統(tǒng)三段式充電器充電下的蓄電池極板，其活性物質(zhì)疏松無序如圖3所示。

圖2 脈沖充電下的極板

圖3 三段式充電下的極板

（4）定時充電

傳統(tǒng)充電器充電模式由恒壓階段轉(zhuǎn)浮充階段的條件是充電電流降至30 mA/Ah。新的鉛酸蓄電池恒壓階段充電電流能降至5 mA/Ah以下，但在實際使用過程中，鉛酸蓄電池逐漸老化、內(nèi)阻增大，恒壓階段末期充電電流逐漸增大，甚至不能降低到30 mA/Ah以下，導(dǎo)致充電器不能正常轉(zhuǎn)浮充階段，鉛酸蓄電池一直處于恒壓過充電狀態(tài)，嚴(yán)重時產(chǎn)生熱失控變形[3]。

傳統(tǒng)三段式充電器恒壓階段充電時間需要2.5 h左右，如圖4所示，在這一時段增加定時保護(hù)功能。在充電恒壓階段，當(dāng)連續(xù)充電2.5 h后，充電電流不能降至30 mA/Ah以下，定時保護(hù)功能啟動，強行轉(zhuǎn)入浮充充電階段，實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換和時控轉(zhuǎn)換雙保險的模式。

圖4 恒壓階段定時保護(hù)功能示意

2.放電策略

（1）放電終壓

電動自行車配套48 V控制器的放電保護(hù)電壓設(shè)定42 V，由于均衡一致性差異，實際放電過程中，電池終止電壓并不都是10.50 V。單只電池終止電壓低于10.50 V的放電過程都屬于過放電，而且隨著循環(huán)次數(shù)增加，壓差越來越大。單體電壓放電至1.75 V左右，起荷電作用的?-PbO2基本消耗殆盡，如繼續(xù)放電必然消耗起骨架作用的а-PbO2，而這部分轉(zhuǎn)化的硫酸鉛充電過程中又不能再生恢復(fù)成а-PbO2，只能生成?－PbO2，從而使原先由а-PbO2支撐的骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞，正極活性物質(zhì)就軟化了。使得正極的真實比表面積減小，其次正極板用于傳輸酸液的孔道被堵塞，使得電池的容量衰減。

建議將48 V控制器的放電保護(hù)電壓設(shè)定44.00 V，從而避免均衡一致性差異引起的單只電池過放電隱患，而且所減少的續(xù)行里程不到2 km，對消費者的正常出行不會造成影響。

（2）過放恢復(fù)值

電動自行車用鉛酸蓄電池組放電至保護(hù)值，控制器斷電保護(hù)，這時鉛酸蓄電池組的開路電壓逐漸回升，幾分鐘后儀表顯示又不欠壓了，一些用戶就又采取給電行駛，這種嚴(yán)重過放電對電池破壞更大。導(dǎo)致活性物質(zhì)加速老化，充電時活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化能力減弱，甚至使部分活性物質(zhì)過早的失去活性，從而導(dǎo)致鉛酸蓄電池容量衰減加快，使用壽命縮短。

建議電動自行車用控制器增加過放恢復(fù)功能，設(shè)置過放恢復(fù)值。該恢復(fù)值大于開路電壓回升值，鉛酸蓄電池組必須經(jīng)過再充電才能恢復(fù)放電功能。

3.維護(hù)保養(yǎng)

鉛酸蓄電池組放電深度正常以50%～80%為宜；電動車剛起動、遇爬坡、上橋、逆風(fēng)行駛及超載時，應(yīng)腳踩助力，避免大電流放電對電池造成一定的損害；鉛酸蓄電池組夏天應(yīng)盡量避免在陽光曝曬下充電，冬季最好在室溫環(huán)境下充電。

4.結(jié)論

盡管鉛酸蓄電池是消耗品，但為了適應(yīng)快速發(fā)展的電動車產(chǎn)業(yè)，最大限度的發(fā)揮鉛酸蓄電池的潛能，關(guān)于蓄電池組的壽命問題，作為蓄電池制造廠家要首當(dāng)其沖，苦練內(nèi)功，從源頭工藝執(zhí)行、制度管理、自動化等方面多下功夫[4]；同時，電動自行車配套充電器、控制器的充放電控制策略的優(yōu)化改進(jìn)，對于延長鉛酸蓄電池組使用壽命也是必須的。

[1]焦其帥，陳瑞珍，郝宏強，等.電動自行車用鉛酸蓄電池失效形式統(tǒng)計分析[ J ].蓄電池，2009（4）：169-172.

[2]王堅.慢脈沖快速充電延長鉛酸蓄電池壽命的研究[ J ].電池，2005（4）：288-289.

[3]朱明海，于尊奎.淺談電動自行車用充電器的智能化[ J ].中國自行車，2010（4）：40-41.

[4]王克儉.電動自行車用鉛酸蓄電池壽命淺析[ J ].電動自行車，2009（2）：30-32.