低壓智能充電方法的研究

史俊雷，高國興，余萍，焦凱

（駱駝集團蓄電池研究院有限公司，湖北 襄陽 441000）

0 引言

為了達到節(jié)能減排、綠色環(huán)保的目的，近年來汽車整車陸續(xù)引入了智能起停[1]、智能充電[2]等技術(shù)來降低油耗，并減少二氧化碳排放量。智能起停技術(shù)是通過蓄電池的起停能力達到省油的目的。智能充電技術(shù)是通過限制蓄電池的充電電壓來減少發(fā)電機的輸出，從而減少燃油消耗達到節(jié)能的目的[3]。

當前許多汽車廠家將蓄電池的荷電狀態(tài)（SoC）控制在 80 %～90 % 的理想荷電狀態(tài)，防止過充電浪費能源，實現(xiàn)節(jié)油，采用充電電壓隨SoC 的升高而下降的方式進行充電。當蓄電池的荷電狀態(tài)高于目標狀態(tài)時，蓄電池對外放電；當蓄電池的荷電狀態(tài)低于目標狀態(tài)時，發(fā)電機才對蓄電池進行充電[4]。當蓄電池的荷電狀態(tài)低于 70 % 時，電池的電壓與充電電壓之間的壓差較大，有利于蓄電池充電。但是，當蓄電池的荷電狀態(tài)處于 70 %～90 % 區(qū)間時，由于充電電壓下降，壓差變小，充電電流隨之減小，充電時間將會延長，因此需要對蓄電池研究出行之有效的充電方法[5]。

本文中，筆者主要從智能充電機的充電方法上，針對電池荷電狀態(tài)處于 80 %～90 % 區(qū)間，采用不同的充電電壓、充電時間、充電電量等進行研究，摸索出一套適用于整車應用的充電策略，提升電池使用壽命。

1 實驗

選擇市場上常見的某品牌 EFBL2（60 Ah）蓄電池作為實驗樣品。實驗儀器主要有 Digatron BTS-600 電池充放電機（迪卡龍青島電子科技有限公司生產(chǎn)）和恒溫水浴槽（無錫恒升試驗設備有限公司生產(chǎn)）。

根據(jù)大部分汽車廠家所設置的充電電壓和蓄電池荷電狀態(tài)，以及調(diào)查的車況和運行情況來模擬電池充放電，設置循環(huán)方式如下（在 25 ℃ 水浴環(huán)境中）：

① 按照標準 GB 5008.1—2013 中規(guī)定的恒壓限流充電方式將蓄電池滿充電；

② 以I20放電 2 h，將蓄電池的荷電狀態(tài)調(diào)整至90 %；

③ 模擬整車運行情況，以I20放電 2 h，接著以20 mA 放電 5 h，然后以 290 A 放電 8.3 s；

④ 按照表1 中設置的充電方法給各編號蓄電池充電；

表1 充電方法

⑤ 重復步驟③④，直至大電流放電電壓低于7.2 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)表2 測試結(jié)果可知，1 號電池在充電電壓 14.1 V 下，盡管只充電 0.5 h，但是循環(huán)壽命最長。相比之下，循環(huán)壽命排在其次的是 4 號和 2 號電池。它們在充電電壓 13.9 V 下的充電時間分別為 1 h 和 0.5 h。通過比較 3 號電池和 5 號電池可以看出，在相同的充電電壓 13.7 V 下，將充電時間由 0.5 h 延長到 1 h，循環(huán)壽命就由 470 次提升到了620 次，說明提升幅度較為明顯。采用恒電量充電的 6 號和 7 號電池的循環(huán)壽命最差。這可能是因為循環(huán)過程中存在電量損耗，導致電池一直在低 SoC下循環(huán)。

表2 工況模擬測試結(jié)果

2.2 測試結(jié)果分析

電池壽命循環(huán)模式是先調(diào)整荷電狀態(tài)至 90 %，然后進行放電和充電循環(huán)，故新電池第1 次循環(huán)放電后的荷電狀態(tài)為 79 %。從表3 中統(tǒng)計結(jié)果可以看出，第1 次循環(huán)時充電電量從高到低排列電池，那么順序依次為 4 號電池、1 號電池、2 號電池、5 號電池、3 號電池。比較 1 號、2 號、3 號電池看出，在充電時間一定的情況下，高電壓有利于電池充入更多的電量。比較 4 號電池和 2 號電池（或者5 號電池和 3 號電池）可以看出，在充電電壓一定的情況下，充電時間延長會提高充入電量。

表3 工況模擬測試過程中充放電系數(shù)統(tǒng)計表

隨著循環(huán)的進行，充放電系數(shù)（即充電量/放電量）比較小的電池的循環(huán)壽命更長。如：1 號和2 號電池的充放電系數(shù)小于 1.2，但它們分別循環(huán)了 845 次和 793 次，說明其活性物質(zhì)可逆性較好。3 號和 5 號電池的充放電系數(shù)比較大，但它們的循環(huán)壽命較差，分別只有 470 次和 620 次。

6 號和 7 號電池采用恒電量充電，故壽命循環(huán)期間其荷電狀態(tài)一直保持在 80 %～90 % 區(qū)間。如果考慮到充電損耗，實際 SoC 會更低，也就導致了其循環(huán)壽命均很差。

從圖1 看出，采用定時間充電的 4 號和 5 號電池（充電 1 h）的充電末期電流都很小，說明其充電末期的荷電狀態(tài)已較高。而采用定電量充電的6 號和 7 號電池的末期充電電流很大，特別是 7 號電池（13.7 V 下充電 6.77 Ah），說明充電過程中SoC 較低，所以沒有充滿電，導致電池壽命較短。

圖1 工況模擬測試過程中充電末期電流統(tǒng)計

從上述結(jié)果可以看出，采用定時間充電方案比定電量充電方案要好。結(jié)合工況循環(huán)過程中的充放電電量可知，采用定時間充電的電池的荷電狀態(tài)要高于采用定電量充電方案的電池。因此，對不同溫度下的電池由 70 % SoC 充電至 90 % SoC 的時間進行了統(tǒng)計。從表4 看出：隨著充電電壓的降低，充電時間會顯著增加；隨著溫度的降低，充電時間幾乎呈幾何方式增加。因此，在中國北方地區(qū)，冬天充電是個極大的難題。車主應盡可能在室內(nèi)停車場或其他溫度較高的地方充電，同時盡可能保持電池處于滿電狀態(tài)。

表4 不同溫度下電池充電時間

2.3 電池解剖分析

對工況循環(huán)測試后下機的電池進行補充電，然后解剖分析。電池的正、負極板圖片及成分見圖2 和表5（7 號電池由于壽命太短未列入本次分析）。通過對失效電池進行解剖分析發(fā)現(xiàn)，所有電池的正極鉛膏基本不存在軟化現(xiàn)象，即極板較硬。經(jīng)過擦拭之后，負極板中、上部依然具有金屬光澤，但下部硫酸鹽化較嚴重。通過理化測試分析可知，主要失效模式為極板下部硫酸鹽化。

圖2 失效電池的正、負極板

表5 工況模擬測試結(jié)束極板成分測試結(jié)果

通過數(shù)據(jù)對比可知，1 號電池正、負極的硫酸鉛含量均最低，說明采用 14.1 V 的高電壓充電有利于工況測試，就是采用 13.9 V 的充電電壓也要好于采用 13.7 V，而且充電時間長要好于充電時間短。采用恒電量方案的電池的工況測試壽命最差，說明低 SoC 循環(huán)不利于電池壽命。由于每次循環(huán)都存在硫酸鉛的結(jié)晶沉積和長大，而充電不足未能使其有效轉(zhuǎn)化，導致不可逆硫酸鹽化嚴重。

在常溫下，電池的荷電狀態(tài)由 80 % 提升至90 % 所花費的時間較短，基本上 1 h 內(nèi)就可以完成。但是結(jié)合表4 數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的降低，充電時間將急劇增加。

3 總結(jié)

通過模擬整車工況測試，可看出以下結(jié)論：

（1）采用定時間充電時，隨著充電電壓的降低，電池充電電量減少，電池壽命降低。在充電時間為 0.5 h 時，充電電壓為 14.1 V 最佳。

（2）充電電壓相同的條件下，延長充電時間有利于提高電池壽命，特別是在低電壓時（如 13.7 V）。

（3）定電量充電時，由于充電過程中存在損耗，極板不可逆硫酸鹽化較為嚴重，導致電池壽命下降。

（4）溫度對充電時間影響很大。電池荷電狀態(tài)由 70 % 充電至 90 % 所需時間在 0 ℃ 下是 25 ℃下的 7 倍以上。

（5）在設計整車時要根據(jù)車輛類型綜合考慮電池充電電壓。例如：私家車一般單次開車時間不長于 1 h，則電池充電電壓最好高于 13.9 V，否則會出現(xiàn)充電不足的問題；針對出租車或其他營運車輛，由于充電時間較長，可以適當降低充電電壓以避免出現(xiàn)過充電。同時，應避免電池一直在低 SoC 下循環(huán)。低 SoC 下極板不可逆硫酸鹽化較為嚴重，影響電池壽命。為降低油耗，可進行間歇性的滿充電。

（6）對于在北方地區(qū)行駛的車輛，隨著冬季溫度的降低，充電速度將大大降低。此時最好在室內(nèi)停車場進行充電，平常盡可能保持滿充電狀態(tài)。在整車設計時，應將充電電壓設計略高一點。