低壓智能充電方法的研究

史俊雷，高國興，余萍，焦凱

（駱駝集團蓄電池研究院有限公司，湖北 襄陽 441000）

0 引言

為了達到節能減排、綠色環保的目的，近年來汽車整車陸續引入了智能起停[1]、智能充電[2]等技術來降低油耗，并減少二氧化碳排放量。智能起停技術是通過蓄電池的起停能力達到省油的目的。智能充電技術是通過限制蓄電池的充電電壓來減少發電機的輸出，從而減少燃油消耗達到節能的目的[3]。

當前許多汽車廠家將蓄電池的荷電狀態（SoC）控制在 80 %～90 % 的理想荷電狀態，防止過充電浪費能源，實現節油，采用充電電壓隨SoC 的升高而下降的方式進行充電。當蓄電池的荷電狀態高于目標狀態時，蓄電池對外放電；當蓄電池的荷電狀態低于目標狀態時，發電機才對蓄電池進行充電[4]。當蓄電池的荷電狀態低于 70 % 時，電池的電壓與充電電壓之間的壓差較大，有利于蓄電池充電。但是，當蓄電池的荷電狀態處于 70 %～90 % 區間時，由于充電電壓下降，壓差變小，充電電流隨之減小，充電時間將會延長，因此需要對蓄電池研究出行之有效的充電方法[5]。

本文中，筆者主要從智能充電機的充電方法上，針對電池荷電狀態處于 80 %～90 % 區間，采用不同的充電電壓、充電時間、充電電量等進行研究，摸索出一套適用于整車應用的充電策略，提升電池使用壽命。

1 實驗

選擇市場上常見的某品牌 EFBL2（60 Ah）蓄電池作為實驗樣品。實驗儀器主要有 Digatron BTS-600 電池充放電機（迪卡龍青島電子科技有限公司生產）和恒溫水浴槽（無錫恒升試驗設備有限公司生產）。

根據大部分汽車廠家所設置的充電電壓和蓄電池荷電狀態，以及調查的車況和運行情況來模擬電池充放電，設置循環方式如下（在 25 ℃ 水浴環境中）：

① 按照標準 GB 5008.1—2013 中規定的恒壓限流充電方式將蓄電池滿充電；

② 以I20放電 2 h，將蓄電池的荷電狀態調整至90 %；

③ 模擬整車運行情況，以I20放電 2 h，接著以20 mA 放電 5 h，然后以 290 A 放電 8.3 s；

④ 按照表1 中設置的充電方法給各編號蓄電池充電；

表1 充電方法

⑤ 重復步驟③④，直至大電流放電電壓低于7.2 V。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

根據表2 測試結果可知，1 號電池在充電電壓 14.1 V 下，盡管只充電 0.5 h，但是循環壽命最長。相比之下，循環壽命排在其次的是 4 號和 2 號電池。它們在充電電壓 13.9 V 下的充電時間分別為 1 h 和 0.5 h。通過比較 3 號電池和 5 號電池可以看出，在相同的充電電壓 13.7 V 下，將充電時間由 0.5 h 延長到 1 h，循環壽命就由 470 次提升到了620 次，說明提升幅度較為明顯。采用恒電量充電的 6 號和 7 號電池的循環壽命最差。這可能是因為循環過程中存在電量損耗，導致電池一直在低 SoC下循環。

表2 工況模擬測試結果

2.2 測試結果分析

電池壽命循環模式是先調整荷電狀態至 90 %，然后進行放電和充電循環，故新電池第1 次循環放電后的荷電狀態為 79 %。從表3 中統計結果可以看出，第1 次循環時充電電量從高到低排列電池，那么順序依次為 4 號電池、1 號電池、2 號電池、5 號電池、3 號電池。比較 1 號、2 號、3 號電池看出，在充電時間一定的情況下，高電壓有利于電池充入更多的電量。比較 4 號電池和 2 號電池（或者5 號電池和 3 號電池）可以看出，在充電電壓一定的情況下，充電時間延長會提高充入電量。

表3 工況模擬測試過程中充放電系數統計表

隨著循環的進行，充放電系數（即充電量/放電量）比較小的電池的循環壽命更長。如：1 號和2 號電池的充放電系數小于 1.2，但它們分別循環了 845 次和 793 次，說明其活性物質可逆性較好。3 號和 5 號電池的充放電系數比較大，但它們的循環壽命較差，分別只有 470 次和 620 次。

6 號和 7 號電池采用恒電量充電，故壽命循環期間其荷電狀態一直保持在 80 %～90 % 區間。如果考慮到充電損耗，實際 SoC 會更低，也就導致了其循環壽命均很差。

從圖1 看出，采用定時間充電的 4 號和 5 號電池（充電 1 h）的充電末期電流都很小，說明其充電末期的荷電狀態已較高。而采用定電量充電的6 號和 7 號電池的末期充電電流很大，特別是 7 號電池（13.7 V 下充電 6.77 Ah），說明充電過程中SoC 較低，所以沒有充滿電，導致電池壽命較短。

圖1 工況模擬測試過程中充電末期電流統計

從上述結果可以看出，采用定時間充電方案比定電量充電方案要好。結合工況循環過程中的充放電電量可知，采用定時間充電的電池的荷電狀態要高于采用定電量充電方案的電池。因此，對不同溫度下的電池由 70 % SoC 充電至 90 % SoC 的時間進行了統計。從表4 看出：隨著充電電壓的降低，充電時間會顯著增加；隨著溫度的降低，充電時間幾乎呈幾何方式增加。因此，在中國北方地區，冬天充電是個極大的難題。車主應盡可能在室內停車場或其他溫度較高的地方充電，同時盡可能保持電池處于滿電狀態。

表4 不同溫度下電池充電時間

2.3 電池解剖分析

對工況循環測試后下機的電池進行補充電，然后解剖分析。電池的正、負極板圖片及成分見圖2 和表5（7 號電池由于壽命太短未列入本次分析）。通過對失效電池進行解剖分析發現，所有電池的正極鉛膏基本不存在軟化現象，即極板較硬。經過擦拭之后，負極板中、上部依然具有金屬光澤，但下部硫酸鹽化較嚴重。通過理化測試分析可知，主要失效模式為極板下部硫酸鹽化。

圖2 失效電池的正、負極板

表5 工況模擬測試結束極板成分測試結果

通過數據對比可知，1 號電池正、負極的硫酸鉛含量均最低，說明采用 14.1 V 的高電壓充電有利于工況測試，就是采用 13.9 V 的充電電壓也要好于采用 13.7 V，而且充電時間長要好于充電時間短。采用恒電量方案的電池的工況測試壽命最差，說明低 SoC 循環不利于電池壽命。由于每次循環都存在硫酸鉛的結晶沉積和長大，而充電不足未能使其有效轉化，導致不可逆硫酸鹽化嚴重。

在常溫下，電池的荷電狀態由 80 % 提升至90 % 所花費的時間較短，基本上 1 h 內就可以完成。但是結合表4 數據可知，隨著溫度的降低，充電時間將急劇增加。

3 總結

通過模擬整車工況測試，可看出以下結論：

（1）采用定時間充電時，隨著充電電壓的降低，電池充電電量減少，電池壽命降低。在充電時間為 0.5 h 時，充電電壓為 14.1 V 最佳。

（2）充電電壓相同的條件下，延長充電時間有利于提高電池壽命，特別是在低電壓時（如 13.7 V）。

（3）定電量充電時，由于充電過程中存在損耗，極板不可逆硫酸鹽化較為嚴重，導致電池壽命下降。

（4）溫度對充電時間影響很大。電池荷電狀態由 70 % 充電至 90 % 所需時間在 0 ℃ 下是 25 ℃下的 7 倍以上。

（5）在設計整車時要根據車輛類型綜合考慮電池充電電壓。例如：私家車一般單次開車時間不長于 1 h，則電池充電電壓最好高于 13.9 V，否則會出現充電不足的問題；針對出租車或其他營運車輛，由于充電時間較長，可以適當降低充電電壓以避免出現過充電。同時，應避免電池一直在低 SoC 下循環。低 SoC 下極板不可逆硫酸鹽化較為嚴重，影響電池壽命。為降低油耗，可進行間歇性的滿充電。

（6）對于在北方地區行駛的車輛，隨著冬季溫度的降低，充電速度將大大降低。此時最好在室內停車場進行充電，平常盡可能保持滿充電狀態。在整車設計時，應將充電電壓設計略高一點。