EFB、AGM蓄电池在混合动力汽车上的应用对比分析

易 琨

(神龙汽车有限公司技术中心， 武汉 430056)

EFB、AGM蓄电池在混合动力汽车上的应用对比分析

易 琨

(神龙汽车有限公司技术中心， 武汉 430056)

EFB蓄电池与AGM蓄电池是目前大规模应用在混合动力车型上的两种具有怠速启停功能和能量回收功能的铅酸蓄电池，由于EFB蓄电池与AGM蓄电池结构形式不同，导致其应用环境和性能特性均有所不同。以12 V汽车用怠速启停功能蓄电池为背景，对AGM蓄电池和EFB蓄电池在混合动力汽车上应用时的应用环境、性能和成本进行了对比分析。指出在混合动力汽车起动用怠速启停蓄电池的选型设计中，要结合工作环境、成本、车型功能定位的综合性评价，选用不同的经济而又合理的设计形式。

EFB；AGM；怠速启停功能；应用

随着怠速启停技术[1-2]和能量回收技术在混合动力汽车(hybrid electric vehicle，HEV)上的广泛应用，对车载起动型蓄电池的性能也提出了更高的要求[3-4]：蓄电池需要经常大电流状态下放电，可以频繁启动发动机，而且发动机熄火后，蓄电池供给所有的用电器电力。与传统的起动用铅酸蓄电池相比，各个阶段的充放电量均有增加；同时，要求蓄电池应具有较高的耐久性能以及更长的深放电及浅放电循环寿命。蓄电池必须大部分时间工作在部分荷电状态(partial state of charge，PSOC)；为提高燃油效率和降低排放，必须在减速和刹车制动时利用产生的再生制动能量充电，要求在0～10 s的短时间内提高蓄电池的充电接受能力。

富液加强型蓄电池(enhanced flooded battery，EFB)和贫液阀控吸附式玻璃纤维棉隔板铅酸蓄电池[1](absorbed glass mat，AGM)作为具有怠速启停功能的起动型蓄电池，在混合动力汽车上都得到了广泛应用。

本文对应用在混合动力汽车上的具有怠速启停功能的两种起动型蓄电池进行了对比研究。

1 EFB与AGM蓄电池概述

1) 贫液阀控吸附式玻璃纤维棉隔板铅酸蓄电池(AGM)

AGM蓄电池，全称为贫液阀控吸附式玻璃纤维棉隔板铅酸蓄电池，是一种贫液电池，也是一种阀控蓄电池(valve regulated lead-acid battery,VRLAB)。它采用吸附式玻璃纤维棉(absorbed glass mat,AGM)作隔板[5-7]，电解液吸附在极板和隔板中。采取贫电液设计，电池内无流动的电解液，电池既可以立放工作，也可以卧放工作。在与EFB蓄电池同容量的情况下，有更好的低温大电流放电性能、深放电循环寿命、充电接受能力、耐振性。

汽车用AGM蓄电池按结构类型可分为AGM平板蓄电池和AGM卷绕式蓄电池。本文提到的AGM蓄电池均为AGM平板蓄电池。

2) 富液加强型蓄电池(EFB)

EFB蓄电池是一种富液加强型铅酸蓄电池，其“加强”主要体现在以下几个方面：

板栅：增大极板面积；加密板栅网格，降低内阻，提高利用率；采用中极耳板栅结构，降低内阻；应用多元Pb-Ca-Sn合金，提高板栅耐腐蚀性及循环性能；采用厚铅带结构，提高板栅耐腐蚀性能，增加极板强度，延缓极板长高速率。

隔板：采用低内阻隔板。

配方：采用特殊低温冷起动配方；应用新型负极添加剂，减少极板不可逆的硫酸铅盐化现象，提高接受能力，同时保持较低的水损耗，提高电池使用寿命。

本文第2节将以12 V蓄电池为例，对AGM蓄电池和EFB蓄电池进行应用、性能和成本等方面的对比分析与研究。

2 EFB与AGM蓄电池的对比研究

2.1AGM/EFB蓄电池结构、性能对比研究概述

EFB蓄电池内除去极板、隔膜及其他部件的剩余空隙内完全注满电解液，电化学反应过程中电解液处于富余状态。电化学反应生命周期中，电化学反应消耗的水非常多，在极板上部的空间内必须有电解液的存储空间，所以不是所有的空间可用于极板布置，需要设计时下移极板位置[5,8]。

EFB蓄电池是一种富液蓄电池，极板表面与隔板空隙需要给电解液留出空间。隔板的造型保证了极板与隔板之间的必要空间和距离，但是由于长期的电化学反应(包括振动)，极板上的活性物质在电化学反应生命周期中会脱落。活性物质脱落会产生电化学老化。伴随电解液的慢慢层化，导致电解液浓度差极化，引起自放电现象加剧。出现电解液层化时，极板下部的硫酸密度大，所以充电接受能力会下降，也导致负极板下部形成硫酸盐化。这种状态使充放电反应集中在极板的上部，同时也加速了正极板上部的活性物质劣化，使得蓄电池生命周期缩短，相关性能劣化。

AGM蓄电池是一种阀控蓄电池，采用玻璃纤维隔板。玻璃纤维隔板的高孔隙空隙率使隔板能够吸附充足的电解液，同时极板内部和表面也吸附了部分电解液，AGM蓄电池融合了阀控蓄电池和EFB蓄电池的长处。AGM蓄电池的玻璃纤维隔板隔膜有10%的孔隙没有浸润电解液[9-11]，其作用是为孔隙为正极反应析出的氧运向负极留出通道[9-10]，这是一种贫液式设计。工作过程中，一方面，氧通过AGM隔膜上的孔隙在电池内部重组，正极析出的氧在负极重新化合，电化学反应中消耗很少的水，由于极板上部不会留出空间，所以可提升极板高度，这样极板表面参与电化学反应的能力增强，比较同样尺寸规格和极板数量的EFB富液蓄电池而言，冷起动性就得到了提升[5,8]。

另一方面，极板与AGM隔膜间采用紧配合装配，AGM隔板均匀地被按压且紧靠在极板中间，电解液灌注且填充、浸润AGM隔板纤维，极板表面没有多余空隙。由于采用了贫液式紧装配[5,8]，AGM隔板直接并均匀地紧贴在极板活性物质上，使极板充分接触电解液，保证了活性物质固定在玻璃纤维垫中间，防止了活性物质的脱落；电解液在隔板玻璃纤维中的毛细现象克服了重力影响，能在很大程度上避免蓄电池“电解液分层”[5,8]。

与EFB蓄电池相比，AGM铅酸蓄电池在整个电化学反应生命周期内具有更高的电容量稳定性，电化学反应生命周期更长。低温冷起动性能更可靠。

2.2AGM/EFB蓄电池尺寸、性能对比分析

表1为某蓄电池生产厂提供的AGM/EFB尺寸参数对比。

从表1可以看出：在同一产品标准和试验标准下，同一尺寸规格的电池，一般AGM具有较高的CCA值。但是板式AGM电池由于采用贫液式设计，电池的容量受到酸量的制约，活性物质利用率不及富液电池(含EFB)。而且由于板式AGM电池采用薄极板设计，相比传统的阀控电池活性物质利用率得到很大提升，但相比富液EFB电池仍偏低。

分析结论：同等铅耗下，AGM电池的容量比富液EFB电池低；同等容量下，AGM电池比普通EFB电池重，成本也较高。

表1 尺寸参数对比(德国DIN标准下系列型号尺寸)

2.3AGM/EFB蓄电池基本性特能的对比分析

由于AGM蓄电池采用了密封状态下阀控的贫液紧装配设计形式，隔板中有10%的纤维孔隙没有被电解液浸润，因而电池腔内的热传导性能差。充电末期，正极产生的氧到达负极和负极板铅化合的反应是放热反应，如不及时散热，会使电池腔体温度上升；此时若没有及时减小充电电压，则充电电流短时间就会聚增，析氧速度加快，又会引起正反馈作用促使腔体温度增高。如此恶性反复，就会引起热失控现象[11]。

表2为AGM、EFB蓄电池各种特性对比。从对表2的分析可以得到结论：对于同一尺寸规格型号的铅酸蓄电池，AGM蓄电池更易发生热失控，所以充电末期限压较EFB蓄电池低，而EFB蓄电池充电末期限压较高且易发生电解液层化现象。综合比较，AGM具有更好的CCA、17.5% DOD、50% DOD、水损耗特性。

表2 AGM/EFB蓄电池各种特性对比

2.4AGM/EFB蓄电池的VDA标准要求和微混合动力车用蓄电池标准要求的对比分析

对比部分产品型式试项目的VDA(Verband Der Automobilindustrie,德国汽车工业协会)标准要求[12-13]，可以得到以下分析结论：对于同一尺寸规格和容量的产品，标准对AGM蓄电池的试验项目更多、要求更丰富；在EFB蓄电池与AGM蓄电池共有试验项目下，对AGM蓄电池要求更高、更严格。这说明在同样的应用环境下，AGM蓄电池比EFB蓄电池性能优异。

文献[4]也进行了相似对比分析研究：以大众电气SLI电池标准(12 V)及福特微混合动力车用蓄电池标准为例，从50%放电深度循环寿命(40 ℃)、17.5%放电深度循环寿命(27 ℃)、水损耗(60 ℃)、启停寿命数等方面，分析了微混合动力技术对AGM蓄电池和EFB蓄电池的性能要求差异，指出微混合动力技术对AGM蓄电池要求更高。

2.5AGM&EFB蓄电池的工作环境温度及充电方法的对比分析

1) AGM的工作环境温度及充电方法

① 工作环境温度：-35 ℃～65 ℃

② 充电方法

恒压充电：14.8 V 恒压状态下限0.25C20(A)；充电结束时间判定：充电末期当电流值小于0.5 A后，保持1 h；

恒流充电：用恒流 0.1C20(A)，充电时间根椐电池充电初始电压值确定，最终电池充电完成后开路电压要求大于13.0 V。

2) EFB的工作环境温度及充电方法

① 工作环境温度：-35 ℃～80 ℃

② 充电方法

恒压充电：16.0 V恒压状态下限0.25C20A，当充电电流减少至接近零值，连续2～3 h不变为止；

恒流充电：用恒流0.05C20A充电至蓄电池端电压为14.4 V，再继续充电2～3 h左右；

分析结论：AGM由于容易发生热失控导致工作环境温度范围较窄，充电末期控制限压值较EFB低。

2.6AGM/EFB蓄电池在同容量和尺寸规格下的生产成本对比分析(以70 Ah为例)

1) 铅成本：EFB蓄电池铅耗少；AGM蓄电池铅耗较EFB蓄电池高5%～10%。

2) 隔板成本：EFB蓄电池为PE隔板；AGM蓄电池为吸附式玻璃纤维棉隔板，成本较PE隔板高50%～80%。

3) 壳盖阀成本：EFB蓄电池为进口壳盖阀，PP塑料；AGM蓄电池为进口壳盖阀，特殊PP料，专利结构，成本高100%～130%。

4) 极板加工成本：EFB蓄电池为进口壳盖阀，PP塑料；AGM蓄电池为进口壳盖阀，特殊PP料，专利结构，成本高100%～130%。

5) 组装成本：EFB蓄电池为拉网板栅；AGM蓄电池为重力浇铸板栅，成本高50%～70%

6) 后处理及包装成本：EFB蓄电池为全自动化进口后处理线；AGM蓄电池为全自动化进口后处理线，包装线，成本高5%～15%。

综合评定结论：综合分析材料及生产工艺的差别，AGM蓄电池工艺更复杂，AGM蓄电池生产成本比EFB高约20%～50%。

2.7AGM/EFB蓄电池在混合动力汽车怠速启停、能量回收方面的应用对比分析

混合动力汽车怠速启停、能量回收的控制策略[14-16]均要求在蓄电池状态的准确估算条件下进行控制判断，涉及荷电状态SOC、功能状态SOF、健康状态SOH(包括蓄电池能提供的最低启动电压)；SOC-State of Charge、SOF-State of Function 、SOH-State of Health[14-16]。在行驶过程中，大多数混合动力汽车上的电池管理系统(battery manegement system,BMS)会对蓄电池电量传感器的蓄电池状态的估算值条件[14-16]进行控制策略判断。蓄电池状态的估算不准确会导致控制策略失败。

文献[17]阐述了混合动力汽车车辆上装有的BMS(电池管理系统)需要准确的开路电压(open circuit voltage，OCV)值来计算和预测SOC和SOH。怠速启停蓄电池在怠速启停及能量回收状态下的充放电量与传统富液电池相比有了大幅度的增加，会产生部分荷电状态(PSOC)。EFB蓄电池的电解液在这种状态下会发生层化，由于电解液有浓度差，OCV值不准确，依据OCV值估算蓄电池状态的效果差，因此EFB适用于没有智能充电管理的带启停功能的车型，但此时AGM电池却不受限制。

文献[17]还认为，EFB蓄电池应用于能量回收率低的低要求启停功能的车型，AGM电池适用于能量回收功能率高的高要求的先进启停功能的车型。

2.8AGM/EFB蓄电池的江森技术对比分析观点

文献[17]引述了以传统富液起动型蓄电池为基准，对江森EFB蓄电池与AGM蓄电池在能量回收、冷起动能力、正负极板栅、循环耐久性、充电接受能力等方面进行对比分析，陈述了江森的技术观点：EFB蓄电池是定位在普通富液起动蓄电池(FB)与AGM蓄电池之间的一种过渡产品。

3 结束语

从上述论述与对比分析可以看出：对于同一尺寸规格型号的铅酸蓄电池，在相同容量规格的情况下，AGM蓄电池比EFB蓄电池性能更优异，但是AGM蓄电池较EFB蓄电池成本更高，适用工作环境温度范围较EFB蓄电池窄，且AGM蓄电池容易发生热失控，因此限制了AGM蓄电池的应用环境。在混合动力汽车上应用时，EFB蓄电池适用于没有智能充电管理的带启停功能的车型；AGM适用于带智能充电管理的带启停功能的先进车型。对于能量回收，AGM蓄电池较EFB蓄电池功能优异，且更为节油。所以，AGM蓄电池将是未来混合动力汽车启停系统的发展主流。但按照江森的技术观点，EFB蓄电池是定位于普通富液起动电池(FB)与AGM蓄电池之间的一种产品，具有经济性。

因此，在混合动力汽车起动用怠速启停蓄电池的选型设计中，要结合工作环境、成本、车型功能定位的综合性评价选用经济又合理的设计形式。

[1] 李美娟，译.怠速、停行车用高性能阀控式铅蓄电池的运行试验[J].电源世界，2013(7)：41-45.

[2] 李美娟，译.怠速启停车用铅蓄电池技术的发展历程[J].电源世界，2015(4)：42-46.

[3] 朱剑超.微混合动力汽车蓄电池的选型[J].汽车电器，2009(6)：22-24.

[4] 刘小锋.怠速启停微混车用AGM蓄电池[J].新材料产业，2014(10)：17-19.

[5] 倪君，王伟.启停系统铅酸蓄电池的保障—AGM隔膜[J].玻璃纤维，2016(3)：17-20.

[6] 包有富.富液式隔板与普通隔板性能对比[J].电源技术，2003,27(1)：5-7.

[7] 杨秀宇.VRLA蓄电池用新型硅粉玻璃纤维隔板的研究[J].蓄电池，2010,47(5)：217-219.

[8] 陈积先，让松，覃北阶，等.基于工况仿真的起停功能AGM铅酸电池性能研究[J].汽车电器，2015(5)：68-71.

[9] 龚建富.阀控铅酸蓄电池的两种技术途径的特点浅析[J].蓄电池，2000(2)：14-16.

[10] 柴树松.阀控铅酸蓄电池密封反应的研究[J].电源技术，1999,23：79.

[11] 管雄俊.VRLA蓄电池的热失控[J].当地通信，2006(3)：49-50.

[12] VDA_EFB_2017-07-13.VDA Performance Specification EFB_ 2012-07-13[S].GER:VDA,2012.

[13] 120228_VDA _AGM_16 12 11.120228_VDA_Lastenheft_AGM_16 12 11[S].GER:VDA,2012.

[14] 李志豪，沈卫东，阮喻，等.混合动力汽车怠速启停与制动能量回收策略改进研究[J].内燃机与动力装置，2015,32(6)：38-41.

[15] 高峰，张强，严臣树，等.基于电压的微混蓄电池状态监测技术[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2010,24(12)：1-5.

[16] 罗云钢.汽车12 V起停系统若干关键技术研究[D].上海：东华大学，2014.

[17] 尚晓丽，黄镔，吴贤章.起停电池国内外技术发展现状[J].蓄电池，2016,53(1)：45-50.

(责任编辑陈 艳)

ComparisonandAnalysisofApplicationinHybridElectricVehicleofEFBandAGMBattery

YI Kun

(R&D Center of Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co., Ltd.， Wuhan 430056， China)

EFB and AGM are two kinds of battery lead-acid battery with idle start stop function and energy recovery function, which have been large-scale applied in the hybrid electric vehicles. Because of different structures, it results that their application environment and characteristics of performance are different. Based on 12 V automobile battery of idle start and stop function, the application environment and performance & cost of AGM and EFB batteries in the hybrid electric vehicles were compared and analyzed. According to comprehensive evaluation of the working environment, cost and functional orientation of the Hybrid Electric Vehicles, it is pointed out that different economic and reasonable form of design is selected in the design of the starting battery of the idle start and stop function.

EFB; AGM; stop and start function; application

2017-06-21

易琨(1976—)，男，湖北武汉人，硕士，高级工程师，主要从事试验分析与测试工作，E-mail：1164808794@qq.com。

易琨.EFB、AGM蓄电池在混合动力汽车上的应用对比分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(10):50-55.

formatYI Kun.Comparison and Analysis of Application in Hybrid Electric Vehicle of EFB and AGM Battery[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):50-55.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.008

TM912.1;U463.633

A

1674-8425(2017)10-0050-06