駐車空調(diào)用富液式蓄電池設(shè)計(jì)探討

韓二莎，王廷華，王靜，皇甫志坤，朱紅英，祖海川，覃順一，畢錫剛，楚佳寶，晁子良

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071051）

0 引言

近幾年隨著人們生活水平的提高，同時(shí)也是順應(yīng)環(huán)保的要求，重卡駐車空調(diào)開始興起。無需配備發(fā)電機(jī)，用車載蓄電池直流電源就能使駐車空調(diào)持續(xù)運(yùn)行。由于不需要依靠車輛引擎動力，所以大大節(jié)省燃料，減小了環(huán)境污染。駐車空調(diào)用蓄電池不僅能夠作為重卡的起動電源，而且可以為駐車空調(diào)、車載冰箱等用電設(shè)備供電，也就是兼具起動和動力功能。

重卡駐車空調(diào)多為變頻空調(diào)，所以功率差別較大，約在 650～1 200 W 之間。因此，駐車空調(diào)用蓄電池放電電流約為 20～45 A，保護(hù)電壓為 10.5～11.7 V/只，但有部分空調(diào)廠家設(shè)定的保護(hù)電壓過低，存在深度放電風(fēng)險(xiǎn)。市場上富液式駐車空調(diào)用蓄電池的額定容量從 150～250 Ah 不等，以 180 Ah、200 Ah、220 Ah 占比較大。隨著駐車空調(diào)改裝市場越來越大，客戶的期望值增高，大容量電池愈來愈受青睞。相對來說，富液式蓄電池比 AGM 蓄電池便宜，所以目前在市場競爭力上存在一定優(yōu)勢。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

駐車空調(diào)用蓄電池不僅用作起動電源，還作為汽車駐車空調(diào)、影音設(shè)備、車載冰箱等的供電電源，所以使用頻率高且放電深度較大。這就要求蓄電池不僅要有較好的起動性能，還要有較好的深放電循環(huán)性能。由于駐車空調(diào)安裝及改裝市場不盡規(guī)范，而且蓄電池放電保護(hù)電壓差別較大，導(dǎo)致蓄電池存在過放電的風(fēng)險(xiǎn)，因此要求蓄電池有較好的充電接受能力和深虧電后充電恢復(fù)能力。駐車空調(diào)用蓄電池多用于運(yùn)輸貨車。由于路況顛簸且行駛路程長，蓄電池應(yīng)該有比較好的耐振動性能。

2 電池設(shè)計(jì)探討

2.1 極板、板柵骨架結(jié)構(gòu)

為了滿足不同用途蓄電池的使用要求和放電方法的差異，蓄電池板柵需要有不同的結(jié)構(gòu)與其相適應(yīng)。由于駐車空調(diào)用蓄電池兼具起動和動力的功能，極板、板柵骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧起動用蓄電池和動力用蓄電池板柵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

2.1.1 極板板面和厚度

由于蓄電池放電深度大且要有好的低溫、常溫起動性能，可適當(dāng)增加正極板厚度來提高蓄電池的深放電循環(huán)性能。根據(jù)電池殼的尺寸，使極板板面盡可能大，以增加活性物質(zhì)的反應(yīng)面積，保證蓄電池的瞬時(shí)大電流放電性能。增加極板的幾何面積，意味著在放電電流強(qiáng)度不變時(shí)降低了電流密度。適當(dāng)增大極板的表觀面積，可達(dá)到提高高倍率放電性能的目的[1]。

2.1.2 α因子

集流體（板柵）和極板的質(zhì)量比稱為 α 因子[2]?；隈v車空調(diào)電池的放電模式，既要有較好的深循環(huán)性能，又要保證蓄電池的起動性能，合理選擇α因子數(shù)值至關(guān)重要。為此，將 α 因子數(shù)值選為0.35～0.40，盡量在有限的電池空間內(nèi)提高活性物質(zhì)的占比。

2.1.3 板柵骨架結(jié)構(gòu)

板柵骨架沿用起動用蓄電池比較常用的放射筋結(jié)構(gòu)（參見圖 1）。實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，放射筋板柵比普通矩形筋板柵更利于蓄電池起動性能[2-3]。靠近板耳處板柵大框由寬向窄漸變，板耳下部豎筋加粗，且筋條由粗到細(xì)，呈扇形向下漸變。由于電流密度以板耳為中心呈扇形分布[4]，此板柵骨架結(jié)構(gòu)不僅利于電池的高倍率放電性能，而且增加了電池深循環(huán)放電時(shí)板柵的耐腐蝕安全系數(shù)。適當(dāng)減少板柵橫筋數(shù)量，為活性物質(zhì)留出空間，增加藏膏量，以便提高蓄電池放電容量[2]。

圖1 板柵骨架結(jié)構(gòu)

2.2 低水耗雙面筋附氈隔板

基于駐車空調(diào)蓄電池的使用環(huán)境和起動、動力的雙重功能，蓄電池的放電深度大且循環(huán)使用，尤其是夏季使用頻繁，因此不排除使用過程中出現(xiàn)過度放電、充電不足，以及失水較多的情況。所選隔板的內(nèi)阻應(yīng)盡量小，防滲透性好，因此優(yōu)先選用雙面筋 PE 隔板。為了增加蓄電池的耐振動性，在 PE隔板內(nèi)部附氈包且封成袋式。

為了驗(yàn)證隔板的優(yōu)劣，優(yōu)選了 A、B 兩個(gè)廠家隔板，尺寸均為 160 mm × 1.0 mm。A 廠家 PE 雙面筋隔板基底厚 0.25 mm，且小筋為橫向排列。B 廠家 PE 雙面筋隔板基底厚 0.35 mm，且小筋為豎向排列。兩個(gè)廠家隔板性能的檢測結(jié)果見表 1。采用 A、B 兩個(gè)廠家 PE 隔板加附氈的方式，其他零部件、工藝均相同，各組裝兩組 12 V 200 Ah 蓄電池，按標(biāo)準(zhǔn) CB/T 4319—2013《船舶起動用鉛酸蓄電池》檢測蓄電池，得到表 2。

由表 2 可以看出：采用 A 廠家 PE 隔板組裝的蓄電池在內(nèi)阻、起動性能、充電接受能力和水耗損方面均優(yōu)于采用 B 廠家隔板組裝的蓄電池，尤其是水耗較少。A 廠家 PE 雙面筋隔板中添加了微量元素，通過改變蓄電池的電極電位來達(dá)到減少蓄電池失水量的目的。隔板的一面上稀疏的 7～8 mm 的高筋豎向排列，另一面上有小而密集的小筋且呈橫向排列（參見圖 2）。橫向排列的小筋在蓄電池充、放電過程中對析出的氣體形成干擾，不僅抑制富液式鉛酸蓄電池的電解液分層現(xiàn)象，而且可降低蓄電池的失水量，提高蓄電池的循環(huán)壽命。

圖2 雙面筋 PE 隔板

表2 蓄電池性能測試結(jié)果

2.3 蓄電池殼

駐車空調(diào)用蓄電池的動力功能的使用具有明顯的季節(jié)性，在炎熱的夏季使用頻率較高。蓄電池一般安裝在卡車車頭與車廂連接處的裸露位置，只有簡陋防護(hù)措施。夏季太陽暴曬的情況下，電池的溫度可達(dá) 40～60 ℃，甚至更高。加之此時(shí)正是駐車用蓄電池深放電模式的高峰期，蓄電池失水的速度加快。因此，優(yōu)先采用帶栓半免維護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄電池殼、迷宮自回流蓄電池蓋和帶栓排氣蓋（參見圖 3）。此結(jié)構(gòu)可方便查看蓄電池的液面，并視具體情況及時(shí)、正確對蓄電池進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，以達(dá)到更好的使用效果，適當(dāng)延長蓄電池的使用壽命。

圖3 駐車用蓄電池外觀結(jié)構(gòu)

2.4 抗振動支架和塞邊架的設(shè)計(jì)

為了提高蓄電池的抗振動性能，增加抗振動支架設(shè)計(jì)（見圖 4）。在支架上設(shè)計(jì) n 型槽，用來卡住電池匯流排。n 型槽由橫梁連接，增大了支架強(qiáng)度。伸出 4 根豎梁，與蓄電池槽和蓄電池蓋熱封成一體，大大增強(qiáng)了電池抵抗來自上、下方向振動的能力。在極群兩側(cè)設(shè)有保護(hù)塞邊架，不僅保護(hù)極群，尤其是邊板，免受電池殼加強(qiáng)筋的直接沖擊力，抑制邊板對 PE 隔板的硌壓，以免造成蓄電池短路，而且可以通過塞邊架厚度調(diào)節(jié)極群的厚度，使蓄電池達(dá)到緊裝配的工藝要求，提高耐振動性能。

圖4 抗振動支架

2.5 蓄電池鉛膏配方

鑒于駐車用蓄電池放電深度較大的使用狀態(tài)，采用厚型正極板設(shè)計(jì)。由于正極活性物質(zhì)利用率相對偏低，添加硫酸亞錫添加劑來提高活物質(zhì)的孔率，提高電池導(dǎo)電性和容量[5]。為了驗(yàn)證硫酸亞錫的使用效果，在 55D23 蓄電池試樣上進(jìn)行驗(yàn)證。正極鉛膏中添加硫酸亞錫，令添加量為 2.0 %～2.5 %，與常規(guī)正極鉛膏蓄電池對比驗(yàn)證。除了正極鉛膏配方不同外，試樣電池的其他零部件、工藝均與常規(guī)電池相同。蓄電池深放電后充電恢復(fù)能力實(shí)驗(yàn)方法：蓄電池在 20～30 ℃ 環(huán)境中，以 10 W 燈泡短接，然后以恒壓 14.4 V、限流 50 A 充電 30 min。

從表 3 可以看出：正極鉛膏中添加硫酸亞錫，不僅可以提高蓄電池容量，對蓄電池深放電后的充電恢復(fù)能力也有較好的效果。硫酸亞錫添加于正極活性物質(zhì)中，一方面通過硫酸亞錫溶解轉(zhuǎn)移，增大電極孔率來改善電極放電性能；另一方面，正極中的硫酸亞錫在電池充電過程中易被氧化為具有導(dǎo)電性的 SnO2，而 SnO2和 β-PbO2都具有金剛石結(jié)構(gòu)，且 SnO2在強(qiáng)酸性介質(zhì)中十分穩(wěn)定，由此改善了放電產(chǎn)物 PbSO4覆蓋層與板柵之間的電子電導(dǎo)和活性物顆粒間的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)能進(jìn)行至極板內(nèi)層，從而較明顯地提高了電極活性物質(zhì)利用率[5]。

表3 不同正極配方電池對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在負(fù)極鉛膏配方中增加高比表面積炭材料的含量，用以提高蓄電池的充電接受能力。采用上述負(fù)極鉛膏配方組裝 9 只 12 V 200 Ah 駐車空調(diào)用蓄電池，按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5008.1—2013 檢測電池的初期性能和充電接受能力。從表 4 和圖 5 可以看出：蓄電池具有良好的充電接受能力。炭材料除了能改善活性物質(zhì)的導(dǎo)電性，提高活性物質(zhì)的孔隙率之外，還可以在金屬鉛和硫酸鉛結(jié)晶過程中調(diào)節(jié)活性物質(zhì)或有機(jī)膨脹劑的分布，聚集過多的表面活性物質(zhì)吸附在鉛和硫酸鉛上，從而改善電極的充電接受能力。高比表面積的炭材料更能有效地改善電池性能，降低鉛和 PbSO4上有機(jī)膨脹劑的吸附，有利于 PbSO4的溶解和 Pb2+的還原和結(jié)晶，從而提高蓄電池的充電接受能力[3]。

表4 6-QWHZ-200 蓄電池初期性能檢測數(shù)據(jù)

圖5 電池充電接受能力

2.6 正、負(fù)活性物質(zhì)質(zhì)量比

正、負(fù)活性物質(zhì)的質(zhì)量比是電池的一個(gè)重要參數(shù)，在一定程度上決定著電池的使用性能。對于動力型蓄電池，應(yīng)把正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比設(shè)計(jì)得較大一些，以保證電池有較長的深循環(huán)壽命。駐車空調(diào)用蓄電池應(yīng)具有較好的深循環(huán)性能，所以要增大正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比，達(dá)到 1.2～1.3。保證正極活性物質(zhì)過量，否則在充電后期正極上有過量的氧析出，到負(fù)極再化合，導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)持續(xù)處于低荷電狀態(tài)，縮短電池的使用壽命。一方面，正極活性物質(zhì)過量的厚型極板可降低充電時(shí)正極的電流密度和過電位，降低正極板的腐蝕速度，使正板柵有長的使用壽命；另一方面正極活性物質(zhì)過量相當(dāng)于降低正極利用率，減緩 α-PbO2向β-PbO2轉(zhuǎn)化的速度，從而減緩了正極活性物質(zhì)軟化的速度[6]，提高循環(huán)壽命。

2.7 極群底部加膠工藝

通過蓄電池極群底部涂布熱熔膠的裝置，在極群組底部粘上一定量的熱熔膠，使極群組底部連接成一體，降低由車輛運(yùn)行造成的極板相互之間振動的程度，減少活性物質(zhì)的脫落，以及減少由于隔板底部與電池槽磨擦而產(chǎn)生的隔板磕破。同時(shí)，在極群組底部粘膠，也增加了隔板底部的強(qiáng)度，提高了隔板底部的耐磨性能，減少了隔板破損，大大提高了電池的耐振動性能[7]。

3 試驗(yàn)電池性能測試及分析

按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5008.1—2013《起動用鉛酸蓄電池 技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》對駐車空調(diào)用蓄電池試樣進(jìn)行 20 小時(shí)率容量，-18 ℃ 低溫起動能力（約5.5C20）、循環(huán)壽命Ⅱ測試。由圖 6 可見，20 小時(shí)率容量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖 7 表明，電池具有較好的起動性能，能夠滿足重型卡車的使用需求。標(biāo)準(zhǔn)要求完成 5 個(gè)單元即為合格，但從圖 8 可以看出，試驗(yàn)電池共進(jìn)行了 9 個(gè)循環(huán)單元，在第 10 單元中由于放電電壓未達(dá)到 7.2 V 而終止壽命，表明駐車用蓄電池具有優(yōu)良的常溫 50 % DOD 循環(huán)壽命。

圖6 蓄電池 20 小時(shí)率容量放電曲線

圖7 蓄電池低溫（-18 ℃）起動放電曲線

圖8 蓄電池常溫（25 ℃）50 % DOD 循環(huán)壽命曲線

按 VW 75073 2012 標(biāo)準(zhǔn)第 7.6 條在（40 ±2）℃ 水浴中進(jìn)行 50 % DOD 的循環(huán)試驗(yàn)。圖 9中，蓄電池完成了 371 次循環(huán)，表明駐車用蓄電池具有較好的高溫 50 % DOD 循環(huán)壽命。按 GB/T 5008.1—2013 標(biāo)準(zhǔn) 5.11 條的固定方式將試驗(yàn)蓄電池固定，以 6 g、22 Hz（振動加速度 58.8 m/s2）振動20 h 后，按要求放電 30 s。當(dāng)蓄電池端電壓 9.8 V，電池完好，表明蓄電池滿足耐振動性能測試要求。

圖9 蓄電池高溫（40 ℃）50 % DOD 循環(huán)壽命曲線

4 結(jié)論

綜上所述，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)板柵骨架、殼體結(jié)構(gòu)及正、負(fù)活性物質(zhì)質(zhì)量比，優(yōu)選耗水量低的雙面筋 PE 隔板，在正極鉛膏中添加硫酸亞錫，增大負(fù)極鉛膏中炭材料添加量，使駐車空調(diào)用蓄電池具有良好的起動性能、充電接受能力和 50 % DOD 深循環(huán)壽命。通過在 PE 隔板內(nèi)部附氈，設(shè)計(jì)抗振動支架，在極群兩側(cè)增加保護(hù)塞邊架，極群底部加膠工藝的加強(qiáng)控制，可大大提高電池的耐振動性能。