關于商用車蓄電池使用條件的探討

侯 康，孫言行，鄧 亮，趙 杰，翁 偉

（陜西凌云蓄電池有限公司，陜西 寶雞 721304）

蓄電池為商用車的重要部件，其主要功能是為車輛的起動、點火和照明提供電能。近年來隨著社會的發展進步以及對生活品質的不斷追求，商用車設計了逆變輸出功能，以滿足車載空調、熱水器、電磁爐、電熱毯等電器的用電需求，從而提高司乘人員工作的舒適性。在車輛停止時，用發動機發電帶動車載電器工作的燃油用量較多，運行成本較高，不經濟，并且碳排放量較大。為改變這一現狀，主流的商用車設計為在車輛停止時關閉發動機，用車載起動用蓄電池通過逆變器對車載電器進行供電的工作模式，以降低燃油消耗、運行成本和碳排放。

目前這一系統中，蓄電池的選型以及充放電過程的管理和控制均不規范，蓄電池使用壽命極短，實際使用的效果很不理想。本文主要通過對商用車蓄電池使用條件進行分析探討，提出相應的改進措施，以供汽車電器設計過程參考。

1 蓄電池的失效模式及分析

1.1 蓄電池失效模式

目前整車制造廠家以及車輛的改裝廠商，基本都選用了起動用富液式免維護蓄電池對車載電器供電。在蓄電池使用后期均出現了發熱、排氣口冒氣冒液、臭雞蛋味等熱失控現象，冬季還存在電解液結冰、起動困難等不足。經對返廠的不良品進行解剖分析，主要存在極板嚴重彎曲變形和上部於膏 （圖1）、正極板柵腐蝕和活性物質脫落 （圖2）、電解液干涸等失效模式。

1.2 失效模式分析

圖1 極板嚴重彎曲變形和上部於膏

1）在蓄電池使用過程，由于車載電器的用電量較大，蓄電池放電深度較深，在深充、深放過程中，由于正極活性物質轉化物PbO2與PbSO4摩爾體積的 差 異［1］， 以 及 正 極 鉛膏在板柵兩面的涂布不均勻，導致極板彎曲變形以及鉛膏的軟化和脫落。極板彎曲變形后，可能造成隔板的破裂，引起蓄電池正負極板搭接短路。

2）在蓄電池使用過程中，隨著充電過程產生的氣體沖刷作用，軟化脫落的正極鉛膏從蓄電池底部上移而沉積在負極上部，充電時轉化為導電性良好的金屬鉛。隨著蓄電池充電的不斷進行，其沉積量越來越多，最終導致負極鉛膏與正極匯流排或正極板搭接短路。

圖2 正極板柵腐蝕和活性物質脫落

3）汽車發電機充電采用了恒功率輸出的模式，當蓄電池內部出現短路故障時，蓄電池充電過程的電壓降低，發電機的輸出電流大，充電過程的歐姆熱增加，造成蓄電池內部的溫度升高。當蓄電池溫度升高時，隔板、電解液的電阻降和析氣過電位降低，造成了充電電流的進一步增加。以上兩部分相互促進，使蓄電池充電過程產生的熱量大于散失的熱量，造成蓄電池溫度升高、排氣口冒氣或冒液等熱失控現象的發生。

4）當熱失控現象發生后，電解失水和蒸發失水量增加，最終導致蓄電池的電解液干涸，并使正極板柵腐蝕和鉛膏軟化脫落發生的速度增加。

5）熱失控現象發生后，當蓄電池的溫度超過55℃時，電解液中的H2SO4在負極被具有較強還原性的游離氫還原為H2S氣體，從而使蓄電池出現臭雞蛋味［2］。

2 改進措施與討論

2.1 蓄電池選型

按用途將蓄電池分為固定用蓄電池、動力用蓄電池和起動用蓄電池幾類，由于商用車蓄電池最根本的功能是滿足車輛的起動、點火和照明，因此低溫起動性能是汽車蓄電池的關鍵性能指標。由于固定用和動力用蓄電池設計過程分別重點考慮了板柵的耐腐蝕性能和深放電循環過程性能，這類蓄電池的內阻較大、比能量較低，低溫起動性能難以滿足車輛在低溫條件下的起動要求，故設計了逆變功能的商用車仍必須用起動蓄電池作為電源。

國際先進的大眾公司標準VW 75073：2020-03將起動用蓄電池分為標準富液式蓄電池 （Standard Wet-cell Batteries）、增強富液式蓄電池 （EFB和EFB+）、超級富液式蓄電池 （AFB）和吸附式玻璃纖維蓄電池 （AGM）幾類，各類蓄電池的性能要求除表1中的項目有差異外，其它基本相同。

表1 各類蓄電池的循環耐久能力

表1中，不同類型蓄電池的循環耐久能力差異較大，AFB和AGM蓄電池的40℃50%DOD循環次數為360次，為普通富液式蓄電池的3倍。對于設計了逆變功能的商用車蓄電池，在考慮制造成本低的基礎上，應盡量采用循環耐久能力較強的EFB、EFB+、AFB或AGM蓄電池，以增加車輛運行過程的可靠性。由于AGM蓄電池采用了貧液式設計，其載液量較小、熱容量低，并且由于氧循環效應使蓄電池運行過程的溫度較高，故在高溫環境下運行的車輛應盡量避免使用AGM蓄電池。

2.2 放電深度

2.2.1 放電深度對蓄電池循環壽命的影響

對于同一規格的蓄電池，放電深度越大，使用壽命越短。GB/T 5008.1—2013對12V60Ah蓄電池在不同放電深度下循環次數的要求如圖3所示。

圖3 放電深度與蓄電池循環次數的關系

2.2.2 放電深度的控制

目前各相關起動用蓄電池產品標準要求，循環耐久能力測試的放電深度均在50%以下，因此在起動用蓄電池使用過程中，為保證蓄電池的使用壽命和起動性能，其放電深度應不超過50%。在商用車設計過程中，為了防止蓄電池的過度放電，車載逆變器基本都設置了低壓報警功能，當逆變器放電過程蓄電池電壓低于一定值后，關斷逆變器，停止放電。目前主流的整車廠家將報警電壓設計為23.5V，但個別廠家為了延長蓄電池的放電時間，將該電壓設計為22V，更有甚者設計為20V。圖4為2只串聯的6-QWD-220型蓄電池的放電曲線，其放電電流為0.05C20（A）。

圖4 蓄電池放電曲線

圖4中，由于電極極化現象的存在，隨著蓄電池放電容量的增加，放電過程的端電壓逐漸降低。當放電量在50%時，端電壓在24.0V左右；若端電壓在23.5V時，放電量為72%；完全放電時，蓄電池的端電壓為21.0V。由此可以確定，目前市場上逆變器報警電壓的設置均偏低，正常情況下逆變器報警電壓不得低于24.0V。

在蓄電池放電過程中，隨著放電量的增加，電解液中硫酸的質量分數相應降低，各放電深度對應的電解液中硫酸的質量分數以及對應的結晶點［3］見表2。

從圖4和表2可以看出，當蓄電池的放電深度超過50%時，硫酸電解液的冰點在-26℃，若車輛在北方冬季使用時存在電解液結冰的風險；當逆變器報警電壓設計為23.5V，蓄電池的放電深度達到72%，硫酸電解液的冰點在-18℃以上，在北方冬季極易造成電解液結冰。

表2 各放電深度對應的電解液中硫酸的質量分數以及對應的結晶點

2.2.3 蓄電池容量的選擇

目前整車廠設計車載空調在發動機停止后的工作時間約6h，其中在空調剛工作時蓄電池的放電電流約40A、持續時間30min，后期5.5h的工作電流約16A，蓄電池的放電容量108Ah。考慮到車輛在南方炎熱的夏季和北方寒冷的冬季的使用條件，以及蓄電池的放電深度在50%以內的要求，故帶動駐車空調工作的蓄電池的額定20h率容量不得低于216Ah。

2.3 充電方式

2.3.1 現有的充電方式

目前汽車發電機采用了恒功率輸出的工作模式，其輸出的電能除滿足車輛用電器工作外，剩余的電量用于蓄電池的充電。若發電機輸出的電能不能滿足車輛電器的工作需要時，由蓄電池儲存的電能進行補償。目前具有逆變功能的商用車基本都采用了24V的供電系統，當發電機全速運轉時，其調節電壓為28.5V±0.3V，輸出電流受發電機輸出功率、蓄電池的荷電量、蓄電池的溫度等因素制約。蓄電池模擬車載充電特性曲線如圖5所示。

圖5 蓄電池模擬車載充電特性曲線

從圖5可以看出，在充電開始時，發電機全功率輸出，使充電電流立即達到了最大值，當蓄電池的荷電量達到一定程度后，充電電流降低。在充電過程中，發電機向蓄電池輸入的能量一部分用于正負極的電化學反應，另一部分用于克服電極極化而產生歐姆熱。充電電流越大，歐姆熱的產生量越多，蓄電池的溫度將越高。對常規單純起動用途的蓄電池而言，由于每次起動的放電量在1Ah之內，放電量很小，充電初期的大電流持續時間很短，蓄電池充電過程的歐姆熱較小。但若蓄電池通過逆變器向所搭載的大功率電器供電后，放電量較大，荷電量低，充電初期大電流持續時間較長，產生的歐姆熱較多，必將會造成蓄電池溫度升高，并將加速熱失控現象的發生。

2.3.2 現有充電方式的適宜性驗證

對40℃50%DOD循環次數為280次的單只6-QWD-220型EFB+蓄電池，模擬實車充放電循環測試，具體的測試方法為：在25℃的水浴中，將蓄電池以40A放電30min，再以16A繼續放電5.5h，用恒壓14.25V限流60A充電8h進行循環，循環次數與用16A放電結束時蓄電池端電壓的變化關系如圖6所示。

圖6 模擬實車充放電循環測試結果

圖6蓄電池在充放電循環過程中，放電電壓持續降低，在第10次循環時放電電壓已降至9.8V，說明蓄電池的容量已低于108Ah。經分析，該現象主要是由于14.25V的充電電壓偏低，蓄電池充電不足，一直在虧電的狀態下循環，造成端電壓衰減所致。另外，蓄電池虧電條件下運行時，失去了充電過程對電解液的攪拌作用，使電解液密度分層，加速了端電壓的衰減。

2.3.3 三段式充電的優點和控制參數

為防止蓄電池充電不足、過充、充電發熱現象的發生，文獻［4］報道了電動自行車用蓄電池三段式充電方法。如圖7所示，三段式充電過程如下：第1階段為恒流充電階段，充電電流保持恒定，充電電壓持續上升，當電壓達到U1時，轉入第2階段；第2階段為恒壓充電階段，充電電壓保持恒定，充電電流持續下降；第3階段為浮充充電階段，充電電壓保持為U2進行浮充。

圖7 三段式充電方式的電流電壓變化趨勢

考慮到商用車蓄電池的技術特點，各類蓄電池的充電參數見表3。

表3 各類蓄電池的充電參數

表3中，C20為蓄電池的額定20h率容量；U1與U2為蓄電池溫度在25℃時的充電電壓。若充電過程蓄電池的溫度不是25℃，可根據蓄電池的實際溫度按-36mV/℃［1］對充電電壓進行溫度補償，即以25℃為基準，蓄電池溫度每升高或降低1℃，充電電壓則相應降低或升高36mV。

其中，為了控制充電過程歐姆熱的產生量，將第1階段的充電電流I1確定為 （0.1～0.12）C20（A）；為防止蓄電池充電不足，將第2階段的充電電壓分別控制在31.2V和29.6V；為防止蓄電池充電末期的失水和發熱，將第3階段的充電電壓確定為27.0V。

另外，由于各品牌蓄電池設計及工藝的差異，其充電參數選擇時，可在表3的基礎上進行適當調整。

3 結論

通過分析探討及相關試驗驗證，確定了商用車蓄電池的容量要求和類別，明確了商用車車載逆變器的報警電壓以及三段式充電的技術參數。