車用鉛酸蓄電池通氣孔漏液探究

周耀華，劉萬里，莫丙達，陳建明

廣汽本田汽車有限公司技術部，廣東廣州 510700

0 引言

鉛酸蓄電池作為低壓供電系統的核心部件，一旦發生漏液，輕則造成電池短路縮短使用壽命，用電負載無法正常使用；重則腐蝕鄰近零部件及線束，產生安全隱患。因此本文重點探究蓄電池漏液的發生機制及相關影響因素，并提出針對性的改善措施。研究結果對提高蓄電池使用壽命、保證車輛電氣系統工作的穩定性具有重要的指導意義。

1 蓄電池漏液原因及對策

鉛酸蓄電池在工作過程中，將不可避免發生附加多余反應，而電解水則是最主要的副反應之一，其反應過程[1-2]:

H2O→2H2↑+O2↑

(1)

電解水過程將產生大量氣體，造成電池內壓增大。同時，氣體附著在極板表面，造成電解液面上升，氣液分離路徑將縮短，電解液酸霧在內壓作用下將向大氣釋放[3]。酸霧排出過多將造成漏液問題。因此本文認為可使電解液面大幅上升、氣液分離路徑變短的所有相關因素，均為導致漏液的誘因。

漏液可分為通氣孔漏液和密封連接漏液。密封連接漏液主要是生產制造問題導致[4],但對于通氣孔漏液問題的研究文獻較少，因此本文重點對通氣孔漏液問題產生的原因及對策開展相關的探究。

整車使用工況是多種因素的復合作用，結合車輛的使用特性與電池的使用環境推斷，導致通氣孔漏液的因素主要有：啟動時的荷電狀態(SOC)、環境溫度、車身振動、充放電邏輯、氣液分離結構，本文將從這5個方面因素進行確認。

1.1 啟動時荷電狀態的影響

由于車輛暗電流影響或熄火后仍使用用電負載，蓄電池荷電狀態會降低。

本次試驗將對蓄電池在不同初始SOC下的液位上升情況進行確認。測試條件：先在60 ℃環境下放置12 h后，以恒定14.5 V(最大50 A)的電壓進行充電，充電時長為2 h。

不同SOC下液位測試結果見表1。由表可知，初始SOC為25%時，充電過程電解液溫度上升了3 ℃，液位上升了12 mm；當初始SOC為75%時，整個過程溫度沒有發生變化，液位只上升了10 mm。由此可知，啟動時的蓄電池初始SOC越低(電量越小)，越容易導致液位上升。

表1 不同SOC下液位測試結果

在SOC較低時，為防止蓄電池虧電， ECU必須要求發電機向蓄電池大電流快速充電，導致電解水反應較為劇烈。因此，為減少SOC對蓄電池漏液的影響，可通過設計方面降低暗電流，以及盡量避免熄火后使用用電負載，特別是加改裝的負載等。

1.2 環境溫度的影響

各車型發動機艙內冷卻系統布局差異較大，使得蓄電池的工作環境各不相同。一般情況下，傳統燃油車熱車跑行后機艙內溫度為40～100 ℃。

本次試驗將探究不同環境溫度對液位的影響。測試條件：選擇初始SOC為50%的電池，分別放置在40、60和80 ℃的環境下適應12 h后，以恒定14.5 V(最大50 A)的電壓進行充電，充電時長為2 h。

通過測試可知，隨著工作環境溫度從40 ℃上升到80 ℃，蓄電池液位上升就越大。不同環境溫度下液位測試結果見表2。

表2 不同環境溫度下液位測試結果

綜上分析可知，正確合理設計蓄電池的擺放位置和機艙內冷卻系統的總體布局，可直接降低蓄電池工作溫度，減輕漏液風險。

1.3 車身振動的影響

鉛酸蓄電池通過托架與車身剛性連接，并跟隨車身運動。車輛在行駛過程中，不可避免產生各種振動。此時電解液將跟隨發生涌動，特別是經過惡劣路面、急加減速或大幅度轉彎側傾時涌動更明顯。電解液涌動震蕩將附著在通氣孔附近，最終在內壓作用下發生泄漏。因此可通過改善整車底盤濾振效果從而避免電池發生漏液，當然這種改善需要結合成本綜合考慮。

1.4 充放電邏輯的影響

根據電解水反應方程式可知，電流越大，電解反應越劇烈，氣體產生速率越快，液位升高越顯著。蓄電池充放電電流的控制，實質是發電機工作狀態的控制。發電機典型工作狀態主要有持續小電流發電和間歇性發電兩種，如圖1和圖2所示。

圖1 持續小電流發電狀態

圖2 間歇性發電狀態

表3列出了持續小電流發電和間歇性發電兩種工作狀態的優缺點，實際工況均為這兩種工況的組合。

表3 兩種工作狀態的優缺點

為了比較這兩種典型工況對漏液的影響，本文選取了狀態一致的鉛酸蓄電池分別進行了兩組對比試驗。充電試驗條件差異對比如圖3所示，其他測試條件一致，其中SOC為90%，環境溫度為60 ℃，試驗時長為2 h。

圖3 充電試驗條件差異對比

發電機不同工作狀態對液位的影響如圖4所示。

圖4 發電機不同工作狀態對液位的影響

對于持續小電流發電狀態，用電負載電源由發電機持續穩定供給，蓄電池處于不工作狀態，因此充放電電流較小。此時電解水反應較為平緩，氣體產生量不大，液位上升不明顯。

對于充放電交替進行的模式，在發電機不工作時，用電負載電源由蓄電池供給。蓄電池持續消耗電量，放電電流大，容易虧電。為避免虧電發生，需要快速、間歇性地恢復電量，因此充電電流較大。電解水反應劇烈，氣體產量增大，液位上升明顯。

因此，應適當優化充放電控制邏輯，以達到發動機輸出功率、用電負載耗電量、電池性能要求以及成本之間的平衡。

1.5 氣液分離結構的影響

氣液分離結構蓄電池主要有液口栓結構和雙蓋結構兩種，如圖5和圖6所示。

圖5 液口栓結構蓄電池

圖6 雙蓋結構蓄電池

采用液口栓結構的蓄電池，氣液分離結構設置在栓體內部，通氣孔設在栓體頂端，結構簡單、便宜且容易維護，氣液分離能力受液位高度和栓體自身長度影響。而采用雙蓋結構的蓄電池，氣液分離結構設在雙蓋內部，氣體通過較長且迂回復雜的流道后，從蓋體兩側通氣孔排出。該結構氣液分離能力不受液位變化影響，但成本較高。

為驗證這兩種結構對漏液的影響，試驗采用2個不同液口栓長度的蓄電池和1個采用雙蓋結構的蓄電池進行測試。測試條件采用圖3b的模式進行。不同氣液分離結構對漏液的影響結果見表4，測試后電池內部情況如圖7所示。

表4 不同氣液分離結構對漏液的影響結果

圖7 測試后電池內部情況

采用較短的液口栓更能防止漏液發生。這是因為栓體越長，其下端與液面距離越短。隨著工作過程液位上升，液口栓底部被浸沒，氣液分離能力下降。酸霧中的液體無法完全分離，在內壓作用下，從通氣孔排出，造成漏液。

對于雙蓋結構的蓄電池，氣液分離采用迂回式復雜結構，不受液位變化影響，酸霧中的液體有效分離并回流到殼體內，因此防漏液能力較好。

2 結束語

車用鉛酸蓄電池漏液問題，不僅影響電池使用性能，還會造成低壓供電系統的不穩定，最終導致汽車部分功能與配置無法正常工作。本文基于充放電測試，驗證了蓄電池通氣孔漏液與啟動時SOC、環境溫度、車身振動、充放電邏輯、氣液分離結構有關，并提出了針對性的改善措施。當然，實車工況為多要素的組合作用，因此要綜合考慮。

為提高安全性和可靠性，除了必須提高蓄電池的加工工藝外，還需結合車輛的使用特性與電池的使用環境綜合判斷。