汽车蓄电池老化原理及其在线学习算法

2021-07-05俞潇强

汽车电器 2021年6期

俞潇强，吴涛，孙竞

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

1 研究蓄电池老化的背景和意义

1.1 研究蓄电池老化的背景

汽车的发明以及汽车工业的快速发展大大提高了人类在交通运输上的便捷性，现代汽车己成为人类生活中不可或缺的重要部分。对于传统燃油车型，铅酸电池在汽车上承担起动和辅助供电作用，是整车电源系统的重要组成部分［1］。在车辆的使用过程中，铅酸蓄电池会因为其本身的电化学性能而不可避免地出现一些老化的现象。蓄电池的老化可能会引起车辆的冷启动困难、启停的有效性降低、熄火后大灯变暗、车内用电器功能退化、远程刷新有效性降低、仪表显示电池故障灯等问题。

1.2 研究蓄电池老化的意义

鉴于蓄电池的老化会引起很多问题，建立对蓄电池状态的检测显得尤为重要。蓄电池传感器可以对蓄电池电压、电流、温度进行在线实时监测，计算电池荷电状态、电池功能状态、电池健康状态等，为整车电源管理系统输入关键的信号。一方面通过这些信号的在线学习可以实时掌握蓄电池的健康程度和老化状态，延长蓄电池的使用寿命，提升整车的功能。另一方面也可以在蓄电池老化到一定程度时提示用户，用户可以进行及时的保养和更换电池，避免出现车辆抛锚的现象［2］。

2 铅酸蓄电池的工作原理和老化种类归纳

2.1 铅酸蓄电池的原理

铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、电解液、容器、极柱、隔板、电池槽和电池盖等组成。当蓄电池在放电的状态下，负极板活性物质铅和电解液稀硫酸发生化学反应，形成硫酸铅。正极板的活性物质二氧化铅和电解液稀硫酸发生化学反应形成硫酸铅和水［3］。充电状态下电解液中的硫酸铅得电子使得铅离子还原为阴极板的金属铅，硫酸铅和水反应将硫酸铅氧化为阳极板的二氧化铅。化学反应公式如下：

1）放电过程

负极：Pb-2e-+SO42-=PbSO4

正极：PbO2+2e-+SO42-+4H+=PbSO4+2H2O

总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

2）充电过程

阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42-

阳极：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-

总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4

2.2 铅酸蓄电池的老化种类归纳

在了解了蓄电池的工作原理后，我们可以知道蓄电池的充放电过程就是不断地氧化还原反应的过程，伴随着蓄电池的使用时间变长会产生如下几种常见的老化现象，可以归纳如下。

1）蓄电池硫化

在正常情况下蓄电池极板上活性物质（正极板的二氧化铅和负极板的海绵状金属铅）在放电过程中会转化成硫酸铅晶粒，并附着在极板的表面，阻止了硫酸溶液渗入和电流传输，使得蓄电池的内阻变大。此时可以通过提高整车发电机的电压，使得这种结晶颗粒重新变为活性反应物。但是电池因过量放电或者在长时间充电不饱和的情况下，极板上的硫酸铅将有一部分溶解于电解液中，温度越高，溶解度越大，但当温度下降时，溶解度减少，出现过饱和的现象，这时候部分硫酸铅会从电解液中析出，再次结晶为大颗粒的硫酸铅，这样就造成蓄电池充放电性能严重恶化，蓄电池内阻增大，造成硫化现象［4］。

2）蓄电池活性物质脱落

乘用车使用的12V铅酸蓄电池由6个串接的单个电池组成，每个单格电池由板极块构成。极板块由正负极板组和在它们之间的微孔绝缘材料的隔板组成。正极板的活性物质有二氧化铅（PbO2），为深棕色。负极板上的活性物质为海绵状的纯铅（Pb），金属灰色。当电池受到外力的影响时，比如振动或者摔打等。正负极板上的活性物质二氧化铅和铅会从板栅上脱落。此外长期的大电流充电、放电，极板容易弯曲，活性物质附着能力下降易发生脱落。从而造成蓄电池容量的下降。

3）蓄电池板栅腐蚀

传统蓄电池的极板栅架采用铅锑合金制造，免维护蓄电池则采用铅钙合金制造。蓄电池在充电的过程中，正极板栅的铅处于热力学不稳定的状态，容易被氧化为化合价更高的氧化铅，这会使得板栅持续受到腐蚀。另外，当电解液中含有对板栅有腐蚀作用的酸类或者其他的有机物盐类时，都会加速板栅的腐蚀。长期作用下，板栅被腐蚀后会失去支撑强度，导致蓄电池的使用寿命减短［5］。

3 铅酸蓄电池老化相关的信号功能定义和开发

在整车电源系统中为了描述蓄电池的状态我们常用SOC（电池的荷电状态）、SOF（电池的功能状态）、SOH（电池的健康状态）等信号来表征。

3.1 铅酸蓄电池老化相关的信号功能定义。

1）电池的荷电状态SOC（state of charge），它指的是可提供的电池容量（百分比）的一个测度。100%，描述为实际可交付电量除以标称容量，再乘以100%［6］。

2）电池的功能状态SOF（state of function），这是一个预估值，需考虑老化效应（电池分层）、电池温度、起动期间的电压降，以及OEM规定的内阻和电流要求。SOF将作为下一个起动过程中，预估的最小电压值。常用于整车启停功能的标定输入条件。

3）电池的健康状态SOH（state of health），它表示完全充电（老化）电池的实际最大容量，与最初/额定的电池容量的比值。，额定容量指的是一个新的完全充满电并按照特定的速率和温度放电的电池的容量（单位：Ah）。

3.2 蓄电池老化相关信号的计算算法开发。

1）SOC的计算算法主要有两种：一种是蓄电池完成静置休眠后的OCV-开路电压（Open Circuit Voltage）计算，另外一种是基于电流安时积分的实时运算［7］。第1种OCV的计算主要参考蓄电池供应商测试的Table A表。蓄电池的Table A表描述了一个电池在某一特定的温度下开路电压和SOC的关系，电压和SOC的关系是线性变化的。假设选取室温25℃下的数据为例。U1对应SOC1，U2对应SOC2。举例说明：以某一型号的AGM电池为例，选取40%SOC的电压值为12.25V，选取80%SOC的电压值为12.85V。使用线性方程y=bx+k，把SOC的百分比作为x，电压值作为y.可以算出b=0.015V/%，k=11.65V，则可以得出电压和SOC的关系式为y=0.015x+11.65.进而可以绘制出如图1所示的OCV状态的开路电压和SOC的线性曲线。

图1 OCV开路电压和SOC的线性曲线

第2种基于电流的安时积分SOC计算则为：

式中：SOC0——初始的SOC；i——电流；t——时间；CN——蓄电池额定容量。

OCV的计算常用在车辆处于长时间静止休眠的状态，该种算法目前精度最高。电流安时积分法则是通过蓄电池传感器采集到的充放电电流数据进行计算，考虑到电池的充放电效率，该算法有一定的误差，但却是车辆在运行状态下最简单可靠的计算算法。

2）SOF的计算算法主要如下：蓄电池传感器的安装结构系统如图2所示，蓄电池传感器安装位置在蓄电池的负极极柱上，取电来源于电池分配单元。由于不同的蓄电池传感器对于具体的SOF实现逻辑有些差异，但是总的来说可以简要概括为SOF=Ubat-U0-IRi（定义参考见表1）。举例计算说明，选取某一型号的AGM电池，OCV曲线参照图1，当电池的SOC为80%时，对应的Ubat为12.85V，选取U0为0.5V，上一次的启动电流选取800A，Ri选取3mΩ，则代入公式计算为：

图2 蓄电池传感器的安装结构系统图

表1 SOF公式的信号定义

则表示在下一次启动过程中，预测的电池最低的电压值为9.95V。如果蓄电池出现老化的现象则Ri的数值将会变大，那么SOF的数值就会降低。通过SOF数值的大小可以在一定程度上反馈蓄电池的老化程度［8］。

3）SOH的计算算法主要如下：如图3所示是蓄电池物理模型的示意图，每个变量的含义如表2所示。

图3 蓄电池物理模型示意图

表2 蓄电池模型的变量含义

由3.1SOH的含义可知为实际最大充电容量和电池额定容量的比值［9］。当一个电池出现老化的状态后，他的SOC就不能达到出厂时100%状态。在实际的运用过程中SOH的数值一般在30～50个驾驶循环工况更新。每一次的驾驶循环需要包含一个充电的过程和一个静置休眠学习完成OCV校准的过程。SOH的数值选取在这些驾驶循环中SOC数值最高的值。如图4所示，当一定条件下，电池的充电电压高，充电电流小则表明该状态下的SOC高。所以对于电池在台架实验中不同温度下电池的SOC和充电电压以及充电电流符合一定的矩阵表。当电池被蓄电池传感器检测到是满充电状态（Full charge dectected-FCD），可以对应矩阵表查询到一个SOC值如图虚线状态下的95%。绿色曲线是电池完成OCV校准后和持续充电状态的安时积分曲线，此时对应的数值为80%。则表明该蓄电池有15%的容量处于被硫化的状态。

图4 充电状态下的电流硫化状态评估

如图5所示，当一定条件下，对于电池在台架实验中不同温度下电池的SOC和放电电压以及放电电流符合一定的矩阵表。当电池被蓄电池传感器检测到是放电结束状态（End of discharge-EOD），可以对应矩阵表查询到一个SOC值如图虚线状态下的10%。绿色曲线是电池完成OCV校准后和持续放电状态的安时积分曲线，此时对应的数值为20%。则表明该蓄电池有10%的容量由于活性物质的丢失而失去。