试验·研究 | 汽车用铅酸蓄电池充电策略研究

作者：干能强（重庆长安汽车股份有限公司）作者：李   帆（骆驼集团股份有限公司）

摘  要：

针对汽车用铅酸蓄电池充电策略进行研究，首先介绍铅酸蓄电池的充电工作原理，并依据化学机理分析理论得到最优充电策略，然后，基于不同充电电压下的充电曲线得出最优充电电压，为汽车用铅酸蓄电池的充电策略以及工程应用提供参考。

1前言

随着电气化和智能化的在汽车上的大量应用，汽车用铅酸蓄电池承受的电器负荷急剧增加。如何保证铅酸蓄电池在整车行驶过程中尽快充电，如何保证铅酸蓄电池的寿命满足整车设计的需求，就成为汽车充放电亟需解决的重要课题。

目前，关于汽车用铅酸蓄电池充电策略的研究基本局限于蓄电池单体的充电方法的研究，但是，较少结合实车的充电环境对其进行深度的分析，对蓄电池在实车的匹配的指导意义不强。

本文基于传统燃油车的电源系统架构，从理论分析和试验数据两方面分析常温下铅酸蓄电池实车充电的最优电压。

2铅酸蓄电池充电机理介绍

2.1 铅酸蓄电池充电工作原理

铅酸蓄电池在充电时，内部发生如下反应：

正极反应：

负极反应：

其中，公式（2-1）和（2-3）为铅酸蓄电池充电反应，（2-2）和（2-4）为铅酸蓄电池充电过程中的电解水副反应。

从铅酸蓄电池的充电机理来讲，依照先后顺序依次有三个阶段，第一阶段为高效阶段，第二阶段为混合阶段，第三阶段为电解水阶段。下面分别介绍三个阶段的工作原理：

高效阶段，在铅酸蓄电池的充电过程中，最先发生，在这个阶段中，由于蓄电池的电位差的原因，充电接受能力相对来说比较大，因此，充电电流会非常大，很多时候会达到100A左右，此阶段铅酸蓄电池内部的电化学反应由PbSO4转换为Pb和PbO2。在铅酸蓄电池的电化学反应中，化学能转换为电能，转换的电能与充电装置的输出能量的比率，称之为充电电流接受率。高效阶段铅酸蓄电池的充电电流接受率非常高，经过理论计算和实际测试，一般都接近100%。

混合阶段，在高效阶段之后，此阶段铅酸蓄电池的充电包括两个方面的反应，其一为正常的对铅酸蓄电池充电的反应，其二为电解水的副反应。电解水的副反应会影响正常充电的反应，这使得铅酸蓄电池的充电电流相对高效阶段会有所减小。在此阶段进行过程中，铅酸蓄电池的容量不断增加，接近满电状态，电解液浓度也会达到设定值，不会再增加，电动势增加到较大值，一般都在13V以上。

电解水阶段，此时的铅酸蓄电池已经充满电，同时经过之前的高效阶段和混合阶段后，正负极板上的PbSO4经过电化学反应，已基本都转化为Pb和PbO2，此时，剩余活性物质还存在反应的要求，但是假如充电电流过大且超出需求，化学能转化为的电能就不能继续储存下去，多余的电能会不断的电解水，电解水的副反应使得铅酸蓄电池的析气越来越多。基于此分析，在充电的最后阶段，就要严格控制设备的充电电流。假如此阶段的充电电流超出合理范围，多余的电能通过电解水产生析气现象，会在铅酸蓄电池内部产生越来越多的气泡，尤其是在铅酸蓄电池的正负极板处聚集的游离态的气泡更多，在气泡的冲击下，铅酸蓄电池极板上的活性物质会不断地脱离，而且在内部热量和压力的双重作用下，内部电解液最终形成水蒸气，导致失水。通过上述的化学反应的原理可以看到，此阶段铅酸蓄电池的铅膏脱落、电解液蒸发减少，使用寿命降低，容量减小，在短时间内整体性能受到较大影响。 [1]

2.2 铅酸蓄电池充电的理论基础-马斯定律

基于铅酸蓄电池在充电过程中产生的析气问题，美国科学家马斯进行深入的研究，进而得到析气产生的原因以及在充电过程中析气的变化趋势，最终得到在满足析气率最低的基础上，在不同时间点上的最大可接受充电电流曲线，图1是蓄电池最大可接受充电电流曲线。

图1 蓄电池最大可接受充电电流曲线

上图为一条指数曲线，如下：

上述公式中，I代表铅酸蓄电池在充电过程中理论的可接受的最大充电电流，过大或过小都会影响充电效果；I0代表铅酸蓄电池在SOC为0时，最大的可充电的电流值；a代表充电接受能力系数，也就是在时间变化的前提下，铅酸蓄电池随之变化的量。a可以用下列公式进行计算：a= I0/C

其中，C代表蓄电池的实际测试容量，一般此值都会大于蓄电池额定容量。

假如铅酸蓄电池在充电过程中，充电电流随时间变化的趋势在上述曲线以下，那么充电效率会受到较大影响，充电时间也会低于理想状态；假如充电电流的变化趋势高于上述曲线，就会使得析气现象产生，从而导致过充现象；假如充电电流的变化趋势与上述曲线一致，在不会产生过充和析气的前提下，可保证铅酸蓄电池的充电效率达到最优。[2]

3汽车用铅酸蓄电池充电策略研究

3.1 理论铅酸蓄电池最优充电曲线

基于蓄电池最大可接受充电电流曲线，确定I0、a两个值。

本文研究的是常温（25℃）下铅酸蓄电池的充电策略，选取的车辆搭载的SLI蓄电池（普通铅酸富液蓄电池），额定20h率容量为60Ah，CCA为530A。同时，发电机对SLI蓄电池的充电方式为14.5±0.25V恒压充电。

I0：实车在行驶过程中，除给整车电器负荷供电外，可给蓄电池充电的最大电流为100A左右，因此初定I0为100A。

a：蓄电池的实测容量C为65Ah，因此a= I0/C=1.54。

蓄电池最大可接受充电电流曲线如下：

图2 实车蓄电池理论最大可接受充电电流曲线

3.2 实测铅酸蓄电池充电曲线

本文基于实车上交流发电机对铅酸蓄电池的充电环境，将其转化为台架上研究交流发电机对蓄电池的最优充电电压[4]。测试环境为常温（25℃），研究的方向为不同充电电压下的充电电流和充电容量对比测试。

试验方案如下：

1、选取蓄电池充电设备为迪卡龙UBT100-020-6ME循环充放电测试设备，最大充放电电流为100A；

2、准备6只60Ah SLI蓄电池（普通铅酸富液蓄电池），将其放置于25℃的水浴槽中，按照GB/T 5008.1-2013《汽车用铅酸蓄电池》中的5.4.1的规定，以3A放电到蓄电池端电压为10.5V；

3、将6只放完电的蓄电池分别以13V、13.5V、13.8V、14V、14.5V、15V的电压，限流100A充电2h，记录充电过程中的电流值。

图3为不同充电电压下的电流曲线，图4为不同充电电压下的容量曲线。

图3 不同充电电压下的电流曲线

图4 不同充电电压下的容量曲线

针对不同充电电压下的电流曲线，将理论的蓄电池最大可接受充电电流曲线添加上去，如图5。

图5 不同充电电压下与理论最大可接受充电电流对比

从图5可看出，不同充电电压下的电流曲线均在析气区，会导致过充和析气。因此实车上的恒压充电本身是不合理的。马斯定律中考虑的是不同时间点上的最大可接受充电电流，结合实车的环境，就必须考虑蓄电池在不同的充电电压、不同的SOC下的充电电流。

从图4可看出，充电2h后，以14V进行充电的充电容量最大，达到48.577Ah，以14.5V进行充电的充电容量次之，达到44.117Ah。因此，在实车上在蓄电池端以14V左右充电时充电速率最优。 

4铅酸蓄电池的实车充电策略建议

1、汽车用铅酸蓄电池均采用恒压充电，所以充电电流会根据蓄电池本身的充电接受能力而变化。假如铅酸蓄电池的SOC过低，在充电初期充电电流会非常大，这就导致正负极板上的活性物质体积不断急剧变化，极板上的铅膏和极板本身会发生弯曲，使得活性物质脱落。在充电的后期，充电电流会较小，一般都在1A以下，这就使得极板表面的活性物质已充分反应，但内部还未反应充分，长期充电不足会形成硫化甚至容量降低，铅酸蓄电池的寿命减小。所以在实车上应确保蓄电池的SOC不至于过低。[3]假如长期让铅酸蓄电池的SOC过高，又会使得铅酸蓄电池进入本文之前提到的混合阶段和电解水阶段，产生的析气现象会导致铅酸蓄电池的寿命降低。因此实车上对铅酸蓄电池的要求是SOC不能太高也不能太低，目前的做法是基于智能发电机的策略，针对不同的SOC进行控制，在SOC低于一定的水平时，持续按照14.5V左右进行充电，在SOC达到接近满充时，降低充电电压，减少析气的产生。

2、基于马斯定律来看，实车以恒压对铅酸蓄电池充电均不满足最大可接受充电电流曲线。这就要求在充电初期限制充电电流，一般来说，如要满足马斯定律，在充电的最初阶段，充电电流不宜过大，需限制在0.3C以内，这就要求将蓄电池的充电电压降低，保证前期充电电流满足要求，在蓄电池的电动势提升到一定值后，再把充电电压调整到14.5V左右。    

3、基于不同电压下对铅酸蓄电池充电的容量对比，在蓄电池端的充电电压为14V左右时充电效率最优。因此，在进行发电机输出电压设计时，必须基于发电机到蓄电池的线束压降进行开发，确保到蓄电池端的电压在14V左右。

参考文献：

1  宋庆阳, 杨淑霞, 贾全仓. 汽车铅酸蓄电池充电方法的分析与探讨[J]. 内燃机, 2010,（3）: 49-51.

2  陈元凯等. 铅酸蓄电池充电策略的研究[J]. 电子设计工程,2015, (4):18~21.3  孙栋等.  铅酸蓄电池充电参数优选探讨[J],通信电源技术, 2017,（34）: 204-206.4  陈亚爱等. 铅酸蓄电池充电控制策略[J],电源技术, 2017, (4): 654~657.

（原载《西南汽车信息》2022年第10期）