作者：干能強（重慶長安汽車股份有限公司）作者：李   帆（駱駝集團股份有限公司）

摘  要：

針對汽車用鉛酸蓄電池充電策略進行研究，首先介紹鉛酸蓄電池的充電工作原理，并依據(jù)化學(xué)機理分析理論得到最優(yōu)充電策略，然后，基于不同充電電壓下的充電曲線得出最優(yōu)充電電壓，為汽車用鉛酸蓄電池的充電策略以及工程應(yīng)用提供參考。

1前言

隨著電氣化和智能化的在汽車上的大量應(yīng)用，汽車用鉛酸蓄電池承受的電器負荷急劇增加。如何保證鉛酸蓄電池在整車行駛過程中盡快充電，如何保證鉛酸蓄電池的壽命滿足整車設(shè)計的需求，就成為汽車充放電亟需解決的重要課題。

目前，關(guān)于汽車用鉛酸蓄電池充電策略的研究基本局限于蓄電池單體的充電方法的研究，但是，較少結(jié)合實車的充電環(huán)境對其進行深度的分析，對蓄電池在實車的匹配的指導(dǎo)意義不強。

本文基于傳統(tǒng)燃油車的電源系統(tǒng)架構(gòu)，從理論分析和試驗數(shù)據(jù)兩方面分析常溫下鉛酸蓄電池實車充電的最優(yōu)電壓。

2鉛酸蓄電池充電機理介紹

2.1 鉛酸蓄電池充電工作原理

鉛酸蓄電池在充電時，內(nèi)部發(fā)生如下反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

負極反應(yīng)：

其中，公式（2-1）和（2-3）為鉛酸蓄電池充電反應(yīng)，（2-2）和（2-4）為鉛酸蓄電池充電過程中的電解水副反應(yīng)。

從鉛酸蓄電池的充電機理來講，依照先后順序依次有三個階段，第一階段為高效階段，第二階段為混合階段，第三階段為電解水階段。下面分別介紹三個階段的工作原理：

高效階段，在鉛酸蓄電池的充電過程中，最先發(fā)生，在這個階段中，由于蓄電池的電位差的原因，充電接受能力相對來說比較大，因此，充電電流會非常大，很多時候會達到100A左右，此階段鉛酸蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)由PbSO4轉(zhuǎn)換為Pb和PbO2。在鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)中，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換的電能與充電裝置的輸出能量的比率，稱之為充電電流接受率。高效階段鉛酸蓄電池的充電電流接受率非常高，經(jīng)過理論計算和實際測試，一般都接近100%。

混合階段，在高效階段之后，此階段鉛酸蓄電池的充電包括兩個方面的反應(yīng)，其一為正常的對鉛酸蓄電池充電的反應(yīng)，其二為電解水的副反應(yīng)。電解水的副反應(yīng)會影響正常充電的反應(yīng)，這使得鉛酸蓄電池的充電電流相對高效階段會有所減小。在此階段進行過程中，鉛酸蓄電池的容量不斷增加，接近滿電狀態(tài)，電解液濃度也會達到設(shè)定值，不會再增加，電動勢增加到較大值，一般都在13V以上。

電解水階段，此時的鉛酸蓄電池已經(jīng)充滿電，同時經(jīng)過之前的高效階段和混合階段后，正負極板上的PbSO4經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)，已基本都轉(zhuǎn)化為Pb和PbO2，此時，剩余活性物質(zhì)還存在反應(yīng)的要求，但是假如充電電流過大且超出需求，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為的電能就不能繼續(xù)儲存下去，多余的電能會不斷的電解水，電解水的副反應(yīng)使得鉛酸蓄電池的析氣越來越多?；诖朔治?，在充電的最后階段，就要嚴格控制設(shè)備的充電電流。假如此階段的充電電流超出合理范圍，多余的電能通過電解水產(chǎn)生析氣現(xiàn)象，會在鉛酸蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生越來越多的氣泡，尤其是在鉛酸蓄電池的正負極板處聚集的游離態(tài)的氣泡更多，在氣泡的沖擊下，鉛酸蓄電池極板上的活性物質(zhì)會不斷地脫離，而且在內(nèi)部熱量和壓力的雙重作用下，內(nèi)部電解液最終形成水蒸氣，導(dǎo)致失水。通過上述的化學(xué)反應(yīng)的原理可以看到，此階段鉛酸蓄電池的鉛膏脫落、電解液蒸發(fā)減少，使用壽命降低，容量減小，在短時間內(nèi)整體性能受到較大影響。 [1]

2.2 鉛酸蓄電池充電的理論基礎(chǔ)-馬斯定律

基于鉛酸蓄電池在充電過程中產(chǎn)生的析氣問題，美國科學(xué)家馬斯進行深入的研究，進而得到析氣產(chǎn)生的原因以及在充電過程中析氣的變化趨勢，最終得到在滿足析氣率最低的基礎(chǔ)上，在不同時間點上的最大可接受充電電流曲線，圖1是蓄電池最大可接受充電電流曲線。

圖1 蓄電池最大可接受充電電流曲線

上圖為一條指數(shù)曲線，如下：

上述公式中，I代表鉛酸蓄電池在充電過程中理論的可接受的最大充電電流，過大或過小都會影響充電效果；I0代表鉛酸蓄電池在SOC為0時，最大的可充電的電流值；a代表充電接受能力系數(shù)，也就是在時間變化的前提下，鉛酸蓄電池隨之變化的量。a可以用下列公式進行計算：a= I0/C

其中，C代表蓄電池的實際測試容量，一般此值都會大于蓄電池額定容量。

假如鉛酸蓄電池在充電過程中，充電電流隨時間變化的趨勢在上述曲線以下，那么充電效率會受到較大影響，充電時間也會低于理想狀態(tài)；假如充電電流的變化趨勢高于上述曲線，就會使得析氣現(xiàn)象產(chǎn)生，從而導(dǎo)致過充現(xiàn)象；假如充電電流的變化趨勢與上述曲線一致，在不會產(chǎn)生過充和析氣的前提下，可保證鉛酸蓄電池的充電效率達到最優(yōu)。[2]

3汽車用鉛酸蓄電池充電策略研究

3.1 理論鉛酸蓄電池最優(yōu)充電曲線

基于蓄電池最大可接受充電電流曲線，確定I0、a兩個值。

本文研究的是常溫（25℃）下鉛酸蓄電池的充電策略，選取的車輛搭載的SLI蓄電池（普通鉛酸富液蓄電池），額定20h率容量為60Ah，CCA為530A。同時，發(fā)電機對SLI蓄電池的充電方式為14.5±0.25V恒壓充電。

I0：實車在行駛過程中，除給整車電器負荷供電外，可給蓄電池充電的最大電流為100A左右，因此初定I0為100A。

a：蓄電池的實測容量C為65Ah，因此a= I0/C=1.54。

蓄電池最大可接受充電電流曲線如下：

圖2 實車蓄電池理論最大可接受充電電流曲線

3.2 實測鉛酸蓄電池充電曲線

本文基于實車上交流發(fā)電機對鉛酸蓄電池的充電環(huán)境，將其轉(zhuǎn)化為臺架上研究交流發(fā)電機對蓄電池的最優(yōu)充電電壓[4]。測試環(huán)境為常溫（25℃），研究的方向為不同充電電壓下的充電電流和充電容量對比測試。

試驗方案如下：

1、選取蓄電池充電設(shè)備為迪卡龍UBT100-020-6ME循環(huán)充放電測試設(shè)備，最大充放電電流為100A；

2、準備6只60Ah SLI蓄電池（普通鉛酸富液蓄電池），將其放置于25℃的水浴槽中，按照GB/T 5008.1-2013《汽車用鉛酸蓄電池》中的5.4.1的規(guī)定，以3A放電到蓄電池端電壓為10.5V；

3、將6只放完電的蓄電池分別以13V、13.5V、13.8V、14V、14.5V、15V的電壓，限流100A充電2h，記錄充電過程中的電流值。

圖3為不同充電電壓下的電流曲線，圖4為不同充電電壓下的容量曲線。

圖3 不同充電電壓下的電流曲線

圖4 不同充電電壓下的容量曲線

針對不同充電電壓下的電流曲線，將理論的蓄電池最大可接受充電電流曲線添加上去，如圖5。

圖5 不同充電電壓下與理論最大可接受充電電流對比

從圖5可看出，不同充電電壓下的電流曲線均在析氣區(qū)，會導(dǎo)致過充和析氣。因此實車上的恒壓充電本身是不合理的。馬斯定律中考慮的是不同時間點上的最大可接受充電電流，結(jié)合實車的環(huán)境，就必須考慮蓄電池在不同的充電電壓、不同的SOC下的充電電流。

從圖4可看出，充電2h后，以14V進行充電的充電容量最大，達到48.577Ah，以14.5V進行充電的充電容量次之，達到44.117Ah。因此，在實車上在蓄電池端以14V左右充電時充電速率最優(yōu)。 

4鉛酸蓄電池的實車充電策略建議

1、汽車用鉛酸蓄電池均采用恒壓充電，所以充電電流會根據(jù)蓄電池本身的充電接受能力而變化。假如鉛酸蓄電池的SOC過低，在充電初期充電電流會非常大，這就導(dǎo)致正負極板上的活性物質(zhì)體積不斷急劇變化，極板上的鉛膏和極板本身會發(fā)生彎曲，使得活性物質(zhì)脫落。在充電的后期，充電電流會較小，一般都在1A以下，這就使得極板表面的活性物質(zhì)已充分反應(yīng)，但內(nèi)部還未反應(yīng)充分，長期充電不足會形成硫化甚至容量降低，鉛酸蓄電池的壽命減小。所以在實車上應(yīng)確保蓄電池的SOC不至于過低。[3]假如長期讓鉛酸蓄電池的SOC過高，又會使得鉛酸蓄電池進入本文之前提到的混合階段和電解水階段，產(chǎn)生的析氣現(xiàn)象會導(dǎo)致鉛酸蓄電池的壽命降低。因此實車上對鉛酸蓄電池的要求是SOC不能太高也不能太低，目前的做法是基于智能發(fā)電機的策略，針對不同的SOC進行控制，在SOC低于一定的水平時，持續(xù)按照14.5V左右進行充電，在SOC達到接近滿充時，降低充電電壓，減少析氣的產(chǎn)生。

2、基于馬斯定律來看，實車以恒壓對鉛酸蓄電池充電均不滿足最大可接受充電電流曲線。這就要求在充電初期限制充電電流，一般來說，如要滿足馬斯定律，在充電的最初階段，充電電流不宜過大，需限制在0.3C以內(nèi)，這就要求將蓄電池的充電電壓降低，保證前期充電電流滿足要求，在蓄電池的電動勢提升到一定值后，再把充電電壓調(diào)整到14.5V左右。    

3、基于不同電壓下對鉛酸蓄電池充電的容量對比，在蓄電池端的充電電壓為14V左右時充電效率最優(yōu)。因此，在進行發(fā)電機輸出電壓設(shè)計時，必須基于發(fā)電機到蓄電池的線束壓降進行開發(fā)，確保到蓄電池端的電壓在14V左右。

參考文獻：

1  宋慶陽, 楊淑霞, 賈全倉. 汽車鉛酸蓄電池充電方法的分析與探討[J]. 內(nèi)燃機, 2010,（3）: 49-51.

2  陳元凱等. 鉛酸蓄電池充電策略的研究[J]. 電子設(shè)計工程,2015, (4):18~21.3  孫棟等.  鉛酸蓄電池充電參數(shù)優(yōu)選探討[J],通信電源技術(shù), 2017,（34）: 204-206.4  陳亞愛等. 鉛酸蓄電池充電控制策略[J],電源技術(shù), 2017, (4): 654~657.

（原載《西南汽車信息》2022年第10期）