电动车用VRLA充放电控制策略

朱明海，黄 毅，周寿斌

（江苏华富储能新技术股份有限公司，江苏 扬州 225600）

据统计，我国电动自行车社会保有量达2.5亿辆，已经成为越来越多人的出行交通工具，特别是外卖小哥、学生一族出行的标配。电动自行车的动力来源以铅酸蓄电池（VRLA）和锂离子电池为主，其中铅酸蓄电池以其优良的性能价格比占有90%以上的市场份额。铅酸蓄电池的质量和寿命问题也是用户最为关心的，因为铅酸蓄电池更换成本是购买电动自行车以后最大的消费。

铅酸蓄电池的实际使用寿命与设计制造水平、整车配置以及后期使用维护等因素有关。铅酸蓄电池科研工作者已投入了不少的时间与精力从设计、配方和工艺进行优化，并且使铅酸蓄电池的综台性能大大地提高；整车配置及使用维护的关键问题就是如何优化调整充放电控制策略，充电管理和放电控制分别由整车配套的充电器和控制器实现。

当然，要想对充电器和控制器的控制策略及参数进行调整，得先弄清楚铅酸蓄电池的失效模式，通过对退回失效电池解析，主要是正极上部活性物质软化脱落、负极下部活性物质硫酸盐化以及伴随着失水引起的单只落后、均衡一致性问题[1]。

1.充电策略

（1）充电电压

铅酸蓄电池组充电电压偏高，正极板氧气析出增加而形成气泡，强力冲刷活性物质二氧化铅，使得活性物质与板栅结合力变差，甚至脱落；过充析出氧气分解的是水，致使氢离子浓度增加，从而加速了板栅腐蚀；过充造成铅酸蓄电池内部压强增加，从而会有一定量的氧气和氢气从安全阀逸出，造成蓄电池失水。阀控式铅酸蓄电池和外界连通的唯一通道是安全阀，单体间充电电压和开闭阀压力差异会带来失水量的差异，会使容量差异进一步离散，最终形成单只落后或均衡一致性差异。铅酸蓄电池组充电电压长期偏低，会使负极板上的部分硫酸铅始终不能完全反应，产生硫酸盐化，内阻增加，容量降低。

电动自行车用铅酸蓄电池组正常采用铅钙锡合金体系，正极板析氧电压2.35 V，负极板析氢电压2.42 V。但作为动力电源使用，正常硫酸比重达到1.35 g/cm3，为保证铅酸蓄电池的充电接收能力，同时为了满足铅酸蓄电池组8 h以内能充满电的使用需求，设定充电限压一般为2.45伏/单体，浮充电压一般设定为2.28伏/单体，各厂家根据设计和生产工艺不同而稍有差异。

（2）温度补偿

铅酸蓄电池实时荷电状态，事实上是保持铅酸蓄电池内部一个理想的化学活性平衡，它是由电压和温度共同确定的。如前所述的充电限压2.45伏/单体，浮充电压2.28伏/单体都是基于25 ℃的环境温度，铅酸蓄电池的充电及浮充电压具有负温度系数特性，随着环境温度的升高而降低，反之随着环境温度的降低应适当升高。

电动自行车冬季续行里程缩短，夏季铅酸蓄电池热失控鼓包变形，就是因为配套充电器没有采取温度补偿措施，按照环境温度25 ℃设定的定值限压和浮充电压参数，导致铅酸蓄电池冬季欠充电、夏季过充电引起的。

电动自行车用铅酸蓄电池组配套充电器应具有温度补偿功能，补偿系数按照2 V系列采用-2～-3 mv/℃设定，具体如图1所示铅酸蓄电池充电电压温度补偿关系曲线；温度传感器安装在直流输出线上靠近电池箱插头的位置，以采集电池箱表面温度为宜。

图1 铅酸蓄电池充电电压温度补偿关系曲线

（3）脉冲充电

铅酸蓄电池过充电会产生失水、欠充电会造成硫化，特别是过充电失水会带来很多综合症：栅板腐蚀、活性物质软化、甚至负极板硫化等。

“脉冲充电对铅酸蓄电池充满电且不过充有好处”，这是大家所共识的。殊不知，并不是什么样的充电脉冲都对铅酸蓄电池有好处，在充电过程中何时加入也有学问。在脉冲充电过程中，频率和占空比是两个重要参数，选择不当会事倍功半，通过大量的试验，进行了多种制度的比较，采用低占空比和高脉冲频率的设置，使铅酸蓄电池可在较低的电压下充满；从克服极化的角度来说，所加的负脉冲时间上要很短，一般在正脉冲的3%以内，幅值是正脉冲的1.5～3倍。

在充电过程中，充电阻力并不是恒定的，当电池亏电较多时，由于反应物PbSO4多而反应产物Pb和PbO2少，这时化学反应速度较快，极化作用很小，在这个阶段加入脉冲，去极化的作用不仅无从发挥，而且降低前期的充电速度。只有到充电后期，随着反应产物Pb和PbO2逐渐增多而反应物PbSO4逐渐减少，反应动能下降，反应速度减缓，极化作用开始逐渐加大的情况下，适时加入脉冲才会产生理想的效果。充电阻力加大表现在经过一段电压均速上升阶段后，电压上升速度开始加快，即人们通常所说的dv/dt变大，充电电压曲线出现拐点，就确定在这一区域加入脉冲[2]。如图2所示脉冲充电下的蓄电池极板，其活性物质晶相致密均匀；而相同使用工况条件下，用传统三段式充电器充电下的蓄电池极板，其活性物质疏松无序如图3所示。

图2 脉冲充电下的极板

图3 三段式充电下的极板

（4）定时充电

传统充电器充电模式由恒压阶段转浮充阶段的条件是充电电流降至30 mA/Ah。新的铅酸蓄电池恒压阶段充电电流能降至5 mA/Ah以下，但在实际使用过程中，铅酸蓄电池逐渐老化、内阻增大，恒压阶段末期充电电流逐渐增大，甚至不能降低到30 mA/Ah以下，导致充电器不能正常转浮充阶段，铅酸蓄电池一直处于恒压过充电状态，严重时产生热失控变形[3]。

传统三段式充电器恒压阶段充电时间需要2.5 h左右，如图4所示，在这一时段增加定时保护功能。在充电恒压阶段，当连续充电2.5 h后，充电电流不能降至30 mA/Ah以下，定时保护功能启动，强行转入浮充充电阶段，实现电流转换和时控转换双保险的模式。

图4 恒压阶段定时保护功能示意

2.放电策略

（1）放电终压

电动自行车配套48 V控制器的放电保护电压设定42 V，由于均衡一致性差异，实际放电过程中，电池终止电压并不都是10.50 V。单只电池终止电压低于10.50 V的放电过程都属于过放电，而且随着循环次数增加，压差越来越大。单体电压放电至1.75 V左右，起荷电作用的ß-PbO2基本消耗殆尽，如继续放电必然消耗起骨架作用的а-PbO2，而这部分转化的硫酸铅充电过程中又不能再生恢复成а-PbO2，只能生成ß－PbO2，从而使原先由а-PbO2支撑的骨架结构遭到破坏，正极活性物质就软化了。使得正极的真实比表面积减小，其次正极板用于传输酸液的孔道被堵塞，使得电池的容量衰减。

建议将48 V控制器的放电保护电压设定44.00 V，从而避免均衡一致性差异引起的单只电池过放电隐患，而且所减少的续行里程不到2 km，对消费者的正常出行不会造成影响。

（2）过放恢复值

电动自行车用铅酸蓄电池组放电至保护值，控制器断电保护，这时铅酸蓄电池组的开路电压逐渐回升，几分钟后仪表显示又不欠压了，一些用户就又采取给电行驶，这种严重过放电对电池破坏更大。导致活性物质加速老化，充电时活性物质的转化能力减弱，甚至使部分活性物质过早的失去活性，从而导致铅酸蓄电池容量衰减加快，使用寿命缩短。

建议电动自行车用控制器增加过放恢复功能，设置过放恢复值。该恢复值大于开路电压回升值，铅酸蓄电池组必须经过再充电才能恢复放电功能。

3.维护保养

铅酸蓄电池组放电深度正常以50%～80%为宜；电动车刚起动、遇爬坡、上桥、逆风行驶及超载时，应脚踩助力，避免大电流放电对电池造成一定的损害；铅酸蓄电池组夏天应尽量避免在阳光曝晒下充电，冬季最好在室温环境下充电。

4.结论

尽管铅酸蓄电池是消耗品，但为了适应快速发展的电动车产业，最大限度的发挥铅酸蓄电池的潜能，关于蓄电池组的寿命问题，作为蓄电池制造厂家要首当其冲，苦练内功，从源头工艺执行、制度管理、自动化等方面多下功夫[4]；同时，电动自行车配套充电器、控制器的充放电控制策略的优化改进，对于延长铅酸蓄电池组使用寿命也是必须的。

[1]焦其帅，陈瑞珍，郝宏强，等.电动自行车用铅酸蓄电池失效形式统计分析[ J ].蓄电池，2009（4）：169-172.

[2]王坚.慢脉冲快速充电延长铅酸蓄电池寿命的研究[ J ].电池，2005（4）：288-289.

[3]朱明海，于尊奎.浅谈电动自行车用充电器的智能化[ J ].中国自行车，2010（4）：40-41.

[4]王克俭.电动自行车用铅酸蓄电池寿命浅析[ J ].电动自行车，2009（2）：30-32.