輕型電動汽車用VRLA電池充電研究

高海洋，趙志堅（山東圣陽電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

輕型電動汽車用VRLA電池充電研究

高海洋，趙志堅
（山東圣陽電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

文章研究了動力型VRLA電池充電器采用不同充電方式（充電制度），及可靠性對電池性能的影響。通過測試發現不同的充電制度及可靠性對電池的性能，特別是壽命方面影響巨大。研究發現，采用帶有時間保護的限流恒壓充電方式，電池充電效率高，設備可靠性好，是成熟度最高的充電方法。帶有時間保護的限流恒壓充電方法的優點：第一，充電效率高，滿足實用要求。第二，原理及制造技術成熟，安全性和可靠性好；第三，充電器與整車匹配性好，安裝方便，通用性高。

電動汽車用免維護電池（VRLA）；輕型電動汽車；充電

0　引言

近幾年隨著國內輕型電動車市場逐漸發展成熟，原來使用富液電池的乘用車、觀光車、清潔車已經加大VRLA電池的應用力度，并取得較快的發展。VRLA電池在健康環保、安全性方面的優點明顯超過富液電池，應用在帶有封閉式車門的電動車輛環境中優勢尤為明顯，其實用性已經被廣泛的車輛廠和用戶所認同。

但不可忽視的是免維護電池在充電等方面仍存在很多缺陷，例如電池鼓殼、容量提前衰減、充電器易損壞，故障率高等問題。單就蓄電池充電而言，不論是電壓偏離還是偏流或是時間保護失靈均會導致電池欠充、過充，引起蓄電池熱失控等發生，進而出現鼓殼、容量衰減等。從免維護電池角度來說，電池使用壽命的長短往往取決于4個因素：充電量是否滿足、放電低壓保護是否正確、充電器是否穩定、電池自身性能好壞。可見，一款設計優良的充電器尤為重要，其包括兩個重要方面：第一，充電效率滿足使用要求，既不會欠充也不會過充。此功能要求電池在充滿的同時盡可能減緩失水的發生。第二，穩定可靠，故障率低。免維護電池對充電器的電壓、電流（轉換電流）、溫度補償等參數的設置精度有一定要求。

目前，國內在做充電器驗證采用的方法主要有兩種：一是實驗室檢測驗證，即充電器分別在常溫、低溫-10℃、高溫45℃三種環境下進行充電，對電壓、電流、溫度補償參數及曲線進行確認，其中低溫和高溫下的主要目的是驗證充電器的可靠性及溫度補償；二是長期穩定性驗證，即裝車使用，驗證穩定性及故障率。

現有的充電方法及充電器主要有帶時間保護的限流恒壓充電器、脈沖充電器。其中限流恒壓充電器按最高電壓分為高壓、低壓兩種，按制造工藝分為密封、非密封。脈沖充電器雖原理先進但市場普及率并不高，下面依據實驗測試作介紹分析。

1　不同類機型測試

1.1帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機測試

帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機的主要特點：

（1）主充階段先充電至單體電壓達2.45～2.47V （S2、S3）；

（2）主充階段電流下降過程，繼續充至單體電壓達到2.63～2.67V（S4），這點也是和其它無高壓均衡階段的限流恒壓式充電機的主要區別之處；

（3）該類型充電機充電一般有4個階段或5個階段。

帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機的參數和充電曲線特性：充電初期帶有小電流修復功能。該功能啟動與否取決于電池組電壓，當電池電壓低于11.6～12V/只時啟動修復充電，反之不啟動。

圖1　常見的高壓均衡限流恒壓式充電機充電曲線

表1　常見的高壓均衡限流恒壓式充電機參數設置

以上參數可以看出該類型充電機最高充電電壓可達2.63～2.67V/單體。例如，額定電壓12V電池，最高電壓達到15.78～16.02V/只。

對于免維護電池來說，當充電電壓達到2.3～2.35V/單體時，充入電量約為80%～85%Ca （Ca——電池放電容量），此時正極已經開始析氧，當繼續充至2.4～2.45V/單體時，充入電量約為95%～98%Ca，此時負極開始析氫，并且正極析出的氧氣已不能全部在負極上重新復合成水，當充電進入該區域時，電池即開始失水。當充電至2.63～2.67V/單體時其失水的發生是持續的（盡管時間只有1～2h），且失水量在單位時間內高于之前的主充階段。

這種較高的充電電壓，除考慮到完全充電和去硫化作用外，對電池沒有好處，特別是使用1年以上的電池鼓殼風險大大增加。事實上，多年統計發現鼓殼多是發生在使用期1～1.5年以上的電池，對于1年期內的電池幾乎感覺不到這種影響。

實驗證實，使用同規格，相同容量的兩組電池，分別采用電壓2.45V/單體和2.67V/單體進行充電，結果當電池容量下降到60%C時，使用壽命可最大相差6～8個月。其中，充電電壓較高的一組電池，在使用2.5年后電池外殼已經開始鼓脹，36個月時鼓殼程度明顯加大，最終在38個月時無法正常放電。測試過程記錄如下：

表2　兩種充電方式，實驗方法對比

表3　兩種充電方式，使用過程中電池容量變化記錄

圖2　兩種充電方式，電池容量變化趨勢圖

上述實驗僅僅驗證了電壓對壽命的影響，事實上，經對市場上發生故障的充電器及電池的分析，充電電流及轉折點偏離、時間保護設置控制失衡、溫度補償不準確也同樣會造成充電器、電池的損壞，而且這幾個因素是并列的，并無主次之分。

1.2無高壓均衡的限流恒壓式充電機測試

1.2.1無高壓均衡的限流恒壓式充電機主要特點：

（1）主充階段最高電壓2.45～2.47V（S2、 S3）；（2）充電曲線一般分為3段式或4段式。

1.2.2無高壓均衡的限流恒壓式充電機曲線、參數設置特性：

圖3　無高壓均衡的限流恒壓式充電機——充電曲線

由以上參數可以看出，該類型充電機的最高電壓在2.45～2.467V/單體，明顯低于第一類機型。對于額定電壓12V的電池，最高電壓是14.7～14.8V/只，與帶高壓均衡充電的限流恒壓式充電機機型相比，去掉了15.78～16.02V/只這個高壓階段。

1.2.3去掉2.63～2.67V/單體的高壓階段后，充電是否可行？

要搞清楚這個問題，我們可以從兩個方面來研究分析：第一方面，免維護電池是否需要高壓均衡；第二方面，高壓充電曲線的來源。

表4　無高壓均衡的限流恒壓式充電機——參數設置

第一個方面，前面已經提到免維護電池充電達到2.3～2.35V/單體時，充入電量約為80%～85%Ca，繼續充電到2.4～2.45V/單體時，充入電量約為95%～98%Ca，剩余部分電量在浮充階段完成。經實驗室測試統計，該方式總充入電量是放出容量的1.03～1.07倍，對于新電池來說1.03～1.07倍已經足夠，后期隨使用時間的延長，該數值是呈逐漸增大的趨勢，所以完全滿足電池充電要求。

第二個方面，首先看一下下面這個富液式電池的充電曲線，這個曲線到今天仍然是具有代表性的，至今仍是富液電池大量采用的充電方法。

圖4 富液式電池充電曲線

由以上曲線圖形分析富液電池的充電特點：

（1）充電初期帶有預充電階段，這是因為使用富液電池的車輛其保護電壓設置普遍很低。例如48V車輛，系統低壓保護最低在30～32V，相當于電池1.25～1.33V/單體，富液電池的使用狀態使其經常處于過放電狀態，極板硫酸鹽含量較多，初期充電如采用大電流會使電池電壓瞬間升高而達到極化狀態，充電接受能力下降、電池發熱嚴重、析氣失水，充電效率降低甚至損害電池。因此，開始必須用小電流慢充才能充進電去，以利于促進活性物質的轉化。

（2）充電后期所帶的高壓均衡，本質也是用高電壓過充的方法去硫化，不僅如此，富液電池析氫電位比免維護低，如充電電壓過低很難將電池100%完全充滿電。

從以上分析不難看出，這種充電方式對富液電池來說是有針對性設計的。

2008年之前，市場上的電動車基本上都是使用富液電池，很少使用免維護電池，2009～2010年開始逐步切換使用免維護電池，也就是在這個時間段期間，市場上反饋了大量免維護電池被鼓殼的信息，經深入調查分析不難發現，一個原因是原來使用富液電池的車輛低壓保護設置并沒隨著改用免維護電池而改變，對于免維護電池來說1.25～1.33V/單格的保護電壓太低了，過放電直接造成了極板硫酸鹽化；第二原因是，充電仍然使用富液電池的充電器，致使電池長期存在過充電問題，這種情況下一般6～8個月就會出現鼓殼報廢。還有就是極板活性物質松動脫落，內部枝晶短路造成電池報廢。

對上述衍變過程分析之后，我們就不難理解為什么早期的免維護電池充電機存在高壓充電的問題。當“高壓均衡”的弊端被“去硫化”“激活電池”的好處掩蓋后，這種充電制度竟被延續下來了。

對于免維護電池來說，長期的過充和過放都是致命的傷害，免維護電池不是每次充電都需要高壓均衡來維護，頻繁的高壓均衡反而害大于利。現今，主機廠對低壓保護也有了深刻認識，對低壓保護參數也進行了嚴格規定，極少出現低壓保護設置錯誤的問題。在這種形勢下對于不同品牌的電池，至少要根據電池的具體情況來區分對待，不能一概而論，不同廠家的合金體系、鉛膏配方、添加劑、電液密度各有差異，如一味提高充電電壓是得不償失的，不僅損害電池而且增加充電功耗。

1.2.4優化的三段式限流恒壓充電制度

免維護電池因充電原因造成的失效有以下幾個方面：（1）過充電造成正極合金腐蝕或活性物質脫落、短路；（2）欠充電造成硫酸鹽化；（3）充電失水量大，造成容量早衰；（4）充電發生熱失控，導致電池外殼鼓脹、報廢。

通過對以上充電問題的分析，結合免維護電池的特點，著重考量以下五個關鍵控制點：

（1）充電電壓——最高電壓的確定；（2）充電電流——初始及主充電流選擇；（3）轉換電流——轉燈電流；（4）時間保護——當電壓、電流轉換控制失靈時，保護電池；（5）溫度補償——防止欠充、過充。

經過不斷改進及驗證，對限流恒壓充電制度進行了優化，最終形成如下充電方法。

1.2.4.1優化的三段式限流恒壓充電制度（曲線、參數設置、溫度補償）

圖5 優化的三段式限流恒壓充電制度——充電曲線

1.2.4.2優化的充電曲線設計原理

（1）各階段的設置

設置為3個階段，簡單緊湊。去掉預充電階段、高壓均衡階段，目前低速車市場已經逐漸成熟，明確要求低壓保護設置1.7～1.75V，正常情況下不存在過放電問題，在此前提下，去除預充和高壓均衡階段，有利于提高充電效率。

（2）電壓的設置（根據免維護電池分解水的電壓、充入電量比率設定）

U1：2.45V/單格，這是整個充電過程的最高電壓，免維護電池在該電壓下能夠充滿電且過程失水量較少；

U2：2.32～2.35V/單格，免維護電池的浮充電壓，維持涓流補電，抑制失水。

（3）電流的設置（根據極化、時間、充入電量比率設定）

I1：0.15C（A），主充電流，與T1時間相對應，累計充入87%～92%電量；

I2：0.1C（A），主充電流，數值小于I1的目的是利于去極化；

I3：0.02C（A），轉燈電流，該值設置大了會提前結束主充階段，容易充不滿電，設置小了會增加充電器的控制難度且容易使電池發生熱失控。測試發現，電流降至0.02C時充電量約95%～98%電量。

（4）保護時間的設置

T1：7h，主充時間，與I1對應；

T2：2h，主充降電流時間，與I2、I3對應，經實驗驗證電流從0.1C降至切換點0.02C的時間最大不會超過1.5h，因此設置2h作為保護時間，留有余量；

T3：4h，浮充時間，將該時間計算在內，充電總時間不超過13h，效率較高。

實際上用戶大多數在夜間充電，一般不會超過13h，與實際使用情況相符。

（5）溫度補償系數的設置

按照3mV/單格/℃對免維護電池進行補償，防止夏季過充及冬季欠充。

為驗證以上充電制度，在實驗室使用10只圣陽3-EV-200電池組成60V系統，進行充放電壽命驗證，具體實驗方法見表5。

表5　循環壽命實驗方法

按照以上方法，電池組有效循環次數在700～750次，測量電池的失水量不超過2.1mg/2VAh/次，以此數據為基準，按照3年使用期計算，電池單體總失水量為19.2%（加酸量2200g/單格），已接近報廢極限20%這個數了。

該結果與表3的實驗結果也是有對應關系的，這說明在保持免維護電池最長使用壽命期的前提下該充電制度的設計是合理的。

綜上所述，優化后的三階段限流恒壓充電器有如下優點：（1）能夠完全充電，且有效避免了過充、欠充問題；（2）失水量小，可最大程度延長電池使用壽命；（3）充電時間短，效率高、節能；（4）技術成熟成本低，穩定可靠。

1.3脈沖、負脈沖充電方式的充電機測試

脈沖充電器的主要特點充電是按照一定的頻率間歇進行的，通過調整電流峰谷值、占空比時間的方法給電池充電，主要目的是消除極化電壓，減少電池析氣量，提高電池充電接受能力。

圖6　典型的脈沖曲線

該技術在十幾年就已出現，但目前還沒有在輕型電動車輛上大規模應用，主要原因有以下幾點：（1）占空比和電流峰、谷值的選擇必須恰到好處，否則就會影響充電效果及充電效率。脈沖充電器使用效果不佳，絕大多數原因與此有關；（2）頻率大小需經過嚴格計算及實驗驗證，否則會增加功耗；（3）控制相對復雜，可靠性要求更高；（4）成本高于較成熟的限流恒壓充電器。

鑒于目前市場使用量不大的情況，這里不再詳細論述。

2　結束語

輕型電動車所用的免維護電池充電制度，采用具有時間保護的三階段限流恒壓充電方式，完全可以滿足使用要求，效率高且對延長使用壽命有好處；從使用可靠性上，采用三階段限流恒壓充電方式的充電器技術成熟、可靠性高、成本低；與車輛的匹配性方面，不論是開口式還是全封閉式，接口及插接件通用性高，市場好普及。

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（編輯：季晨宸）

A Study on VRLA Battery Charging For Electric Vehicle

Gao Haiyang， Zhao Zhijian
（ Shandong Shengyang Power Co.，LTD， Qufu 273100，China）

This paper mainly studied the influences of different charging modes（charging system）on the performance of the power VRLA battery charger. Through the test， it is found that the different charging systems and the reliability of the battery performance， in particular， the impact on the life of a huge. The study found that the use of the time to protect the limited current constant voltage charging， the battery charging efficiency， good reliability.It is the highest maturity of the charging method. The time protection of the current limiting constant voltage charging method has advantages ： （1） Charging efficiency meets the practical requirements.（2）The principle and manufacturing technology are mature， safe and reliable； （3）The charger and vehicle matching is good， the installation is convenient， and the general purpose is high.

electric vehicle maintenance free battery （VRLA）； light electric vehicle； charge

高海洋（1985-），男，山東曲阜，標準化工程師；研究方向：企業標準化體系管理、企業知識產權管理、閥控密封式鉛酸蓄電池研發。