汽車蓄電池老化原理及其在線學(xué)習(xí)算法

俞瀟強(qiáng)，吳 濤，孫 競(jìng)

（泛亞汽車技術(shù)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(yùn)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(duì)于傳統(tǒng)燃油車型，鉛酸電池在汽車上承擔(dān)起動(dòng)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(guò)程中，鉛酸蓄電池會(huì)因?yàn)槠浔旧淼碾娀瘜W(xué)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(huì)引起車輛的冷啟動(dòng)困難、啟停的有效性降低、熄火后大燈變暗、車內(nèi)用電器功能退化、遠(yuǎn)程刷新有效性降低、儀表顯示電池故障燈等問(wèn)題。

1.2 研究蓄電池老化的意義

鑒于蓄電池的老化會(huì)引起很多問(wèn)題，建立對(duì)蓄電池狀態(tài)的檢測(cè)顯得尤為重要。蓄電池傳感器可以對(duì)蓄電池電壓、電流、溫度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)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(guān)鍵的信號(hào)。一方面通過(guò)這些信號(hào)的在線學(xué)習(xí)可以實(shí)時(shí)掌握蓄電池的健康程度和老化狀態(tài)，延長(zhǎng)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(shí)提示用戶，用戶可以進(jìn)行及時(shí)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(fù)極板、電解液、容器、極柱、隔板、電池槽和電池蓋等組成。當(dāng)蓄電池在放電的狀態(tài)下，負(fù)極板活性物質(zhì)鉛和電解液稀硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硫酸鉛。正極板的活性物質(zhì)二氧化鉛和電解液稀硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)將硫酸鉛氧化為陽(yáng)極板的二氧化鉛?；瘜W(xué)反應(yīng)公式如下：

1）放電過(guò)程

負(fù)極：Pb-2e-+SO42-=PbSO4

正極：PbO2+2e-+SO42-+4H+=PbSO4+2H2O

總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

2）充電過(guò)程

陰極：PbSO4+2e-=Pb+SO42-

陽(yáng)極：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-

總反應(yīng)：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(guò)程就是不斷地氧化還原反應(yīng)的過(guò)程，伴隨著蓄電池的使用時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生如下幾種常見(jiàn)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(zhì)（正極板的二氧化鉛和負(fù)極板的海綿狀金屬鉛）在放電過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)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(nèi)阻變大。此時(shí)可以通過(guò)提高整車發(fā)電機(jī)的電壓，使得這種結(jié)晶顆粒重新變?yōu)榛钚苑磻?yīng)物。但是電池因過(guò)量放電或者在長(zhǎng)時(shí)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(dāng)溫度下降時(shí)，溶解度減少，出現(xiàn)過(guò)飽和的現(xiàn)象，這時(shí)候部分硫酸鉛會(huì)從電解液中析出，再次結(jié)晶為大顆粒的硫酸鉛，這樣就造成蓄電池充放電性能嚴(yán)重惡化，蓄電池內(nèi)阻增大，造成硫化現(xiàn)象［4］。

2）蓄電池活性物質(zhì)脫落

乘用車使用的12V鉛酸蓄電池由6個(gè)串接的單個(gè)電池組成，每個(gè)單格電池由板極塊構(gòu)成。極板塊由正負(fù)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(zhì)有二氧化鉛（PbO2），為深棕色。負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀的純鉛（Pb），金屬灰色。當(dāng)電池受到外力的影響時(shí)，比如振動(dòng)或者摔打等。正負(fù)極板上的活性物質(zhì)二氧化鉛和鉛會(huì)從板柵上脫落。此外長(zhǎng)期的大電流充電、放電，極板容易彎曲，活性物質(zhì)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(hù)蓄電池則采用鉛鈣合金制造。蓄電池在充電的過(guò)程中，正極板柵的鉛處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的狀態(tài)，容易被氧化為化合價(jià)更高的氧化鉛，這會(huì)使得板柵持續(xù)受到腐蝕。另外，當(dāng)電解液中含有對(duì)板柵有腐蝕作用的酸類或者其他的有機(jī)物鹽類時(shí)，都會(huì)加速板柵的腐蝕。長(zhǎng)期作用下，板柵被腐蝕后會(huì)失去支撐強(qiáng)度，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命減短［5］。

3 鉛酸蓄電池老化相關(guān)的信號(hào)功能定義和開(kāi)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(hào)來(lái)表征。

3.1 鉛酸蓄電池老化相關(guān)的信號(hào)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(gè)測(cè)度。100%，描述為實(shí)際可交付電量除以標(biāo)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(gè)預(yù)估值，需考慮老化效應(yīng)（電池分層）、電池溫度、起動(dòng)期間的電壓降，以及OEM規(guī)定的內(nèi)阻和電流要求。SOF將作為下一個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，預(yù)估的最小電壓值。常用于整車啟停功能的標(biāo)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(shí)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(gè)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(guān)信號(hào)的計(jì)算算法開(kāi)發(fā)。

1）SOC的計(jì)算算法主要有兩種：一種是蓄電池完成靜置休眠后的OCV-開(kāi)路電壓（Open Circuit Voltage）計(jì)算，另外一種是基于電流安時(shí)積分的實(shí)時(shí)運(yùn)算［7］。第1種OCV的計(jì)算主要參考蓄電池供應(yīng)商測(cè)試的Table A表。蓄電池的Table A表描述了一個(gè)電池在某一特定的溫度下開(kāi)路電壓和SOC的關(guān)系，電壓和SOC的關(guān)系是線性變化的。假設(shè)選取室溫25℃下的數(shù)據(jù)為例。U1對(duì)應(yīng)SOC1，U2對(duì)應(yīng)SOC2。舉例說(shuō)明：以某一型號(hào)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(guān)系式為y=0.015x+11.65.進(jìn)而可以繪制出如圖1所示的OCV狀態(tài)的開(kāi)路電壓和SOC的線性曲線。

圖1 OCV開(kāi)路電壓和SOC的線性曲線

第2種基于電流的安時(shí)積分SOC計(jì)算則為：

式中：SOC0——初始的SOC；i——電流；t——時(shí)間；CN——蓄電池額定容量。

OCV的計(jì)算常用在車輛處于長(zhǎng)時(shí)間靜止休眠的狀態(tài)，該種算法目前精度最高。電流安時(shí)積分法則是通過(guò)蓄電池傳感器采集到的充放電電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(yùn)行狀態(tài)下最簡(jiǎn)單可靠的計(jì)算算法。

2）SOF的計(jì)算算法主要如下：蓄電池傳感器的安裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示，蓄電池傳感器安裝位置在蓄電池的負(fù)極極柱上，取電來(lái)源于電池分配單元。由于不同的蓄電池傳感器對(duì)于具體的SOF實(shí)現(xiàn)邏輯有些差異，但是總的來(lái)說(shuō)可以簡(jiǎn)要概括為SOF=Ubat-U0-IRi（定義參考見(jiàn)表1）。舉例計(jì)算說(shuō)明，選取某一型號(hào)的AGM電池，OCV曲線參照?qǐng)D1，當(dāng)電池的SOC為80%時(shí)，對(duì)應(yīng)的Ubat為12.85V，選取U0為0.5V，上一次的啟動(dòng)電流選取800A，Ri選取3mΩ，則代入公式計(jì)算為：

圖2 蓄電池傳感器的安裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

表1 SOF公式的信號(hào)定義

則表示在下一次啟動(dòng)過(guò)程中，預(yù)測(cè)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(shù)值將會(huì)變大，那么SOF的數(shù)值就會(huì)降低。通過(guò)SOF數(shù)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(jì)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(gè)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(shí)際最大充電容量和電池額定容量的比值［9］。當(dāng)一個(gè)電池出現(xiàn)老化的狀態(tài)后，他的SOC就不能達(dá)到出廠時(shí)100%狀態(tài)。在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中SOH的數(shù)值一般在30～50個(gè)駕駛循環(huán)工況更新。每一次的駕駛循環(huán)需要包含一個(gè)充電的過(guò)程和一個(gè)靜置休眠學(xué)習(xí)完成OCV校準(zhǔn)的過(guò)程。SOH的數(shù)值選取在這些駕駛循環(huán)中SOC數(shù)值最高的值。如圖4所示，當(dāng)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(duì)于電池在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)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(dāng)電池被蓄電池傳感器檢測(cè)到是滿充電狀態(tài)（Full charge dectected-FCD），可以對(duì)應(yīng)矩陣表查詢到一個(gè)SOC值如圖虛線狀態(tài)下的95%。綠色曲線是電池完成OCV校準(zhǔn)后和持續(xù)充電狀態(tài)的安時(shí)積分曲線，此時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)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(píng)估

如圖5所示，當(dāng)一定條件下，對(duì)于電池在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)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(dāng)電池被蓄電池傳感器檢測(cè)到是放電結(jié)束狀態(tài)（End of discharge-EOD），可以對(duì)應(yīng)矩陣表查詢到一個(gè)SOC值如圖虛線狀態(tài)下的10%。綠色曲線是電池完成OCV校準(zhǔn)后和持續(xù)放電狀態(tài)的安時(shí)積分曲線，此時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為20%。則表明該蓄電池有10%的容量由于活性物質(zhì)的丟失而失去。

圖5 放電狀態(tài)下的電流活性物質(zhì)丟失狀態(tài)評(píng)估

4 蓄電池老化的信號(hào)整車標(biāo)定功能以及給用戶帶來(lái)的收益

通過(guò)第3章的介紹，我們已經(jīng)熟悉了SOC、SOF、SOH的含義和計(jì)算算法。對(duì)于這些信號(hào)數(shù)值我們可以進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)定實(shí)現(xiàn)如下的功能。

4.1 電池信號(hào)SOC、SOF、SOH整車邏輯標(biāo)定功能

1）禁用自動(dòng)啟停工作。當(dāng)電池的SOC、SOF、SOH數(shù)值小于一定的標(biāo)定值時(shí)，例如SOC小于65%或者SOF小于7V亦或SOH小于65%，可以關(guān)閉啟停功能防止車輛進(jìn)入自動(dòng)停機(jī)后無(wú)法再次自動(dòng)啟動(dòng)。

2）自動(dòng)啟動(dòng)車輛。當(dāng)車輛處于長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)停機(jī)（比如長(zhǎng)時(shí)間等待紅燈狀態(tài)），此時(shí)車輛的大負(fù)載用電器仍然開(kāi)啟，可以通過(guò)標(biāo)定SOC、SOF數(shù)值，例如SOC小于60%或者SOF小于6.7V，使車輛重新啟動(dòng)給蓄電池充電避免車輛饋電拋錨。

3）電池去硫化功能。當(dāng)電池的SOF、SOH數(shù)值小于標(biāo)定值時(shí)，例如SOF小于6.5V或者SOH小于60%或硫化百分比達(dá)到5%，可以通過(guò)調(diào)高整車的發(fā)電設(shè)備（比如發(fā)電機(jī)）的充電電壓例如14.5V，達(dá)到給電池去硫化的目的［10］。

4）IPC提示用戶及時(shí)更換電池。當(dāng)電池的SOF、SOH數(shù)值小于標(biāo)定值時(shí)，例如當(dāng)SOF數(shù)值小于6.5V且SOH小于50%時(shí)，可以通過(guò)診斷觸發(fā)在IPC上顯示提示信息告知用戶及時(shí)進(jìn)行車輛蓄電池更換等。

4.2 電池信號(hào)的標(biāo)定開(kāi)發(fā)給用戶帶來(lái)的收益

1）通過(guò)整車信號(hào)的標(biāo)定功能例如禁用啟停、自動(dòng)啟動(dòng)以及IPC智能提示等，避免給用戶帶來(lái)車輛拋錨風(fēng)險(xiǎn)。

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(dāng)調(diào)高充電電壓給電池去硫化，使得電池的使用壽命增強(qiáng)。