电动车蓄电池充电制度的研究

2021-09-01苑景春陈加成韩振丁平陈冬

蓄电池 2021年4期

苑景春，陈加成，韩振，丁平，陈冬

（浙江南都电源动力股份有限公司，杭州浙江 310000）

0 引言

电动自行车的循环使用动力来源于充电器对蓄电池电能的再充恢复，因此充电器的好坏在很大程度上决定了蓄电池的使用寿命[1]。目前，最为常见的动力电池充电器为三段式充电器，在充电初期采用恒流方式，当电池组电压达到设定电压后转为恒压限流充电，当充电电流降低到一定值后采用降低电压的充电方式（即浮充电或涓流充电）。这种类充电器控制要求低，技术简单，但是存在以下问题：① 充电时间长，充电效率低；② 充电电压高，充电过程中电池极化较大，产热大，高温时容易出现“热失控”现象；③ 高充电电压导致电池失水严重[2]，影响电池循环寿命。

实现自行车动力铅酸电池快速充电是未来动力电池发展方向。普通的快充技术通常是在现有三段式充电的基础上简单地增大第一段充电电流，缩短第三阶段的涓流来实现电池快速充电。虽然这种快充技术缩短了充电时间，提升了充电效率，但是大电流导致电池极化增大，且第二阶段高电压恒压阶段时间延长，导致电池产热量和失水量增加，会严重影响电池的使用寿命。

本文中，笔者提出了一种新型的多段式快速充电制度，可有效地解决电池快充导致的热量增大和失水量增加的问题。

1 试验方法

选取 3 组 12 V 20 Ah 电池（5 只串联），分别用表 1 所示的普通三段式充电制度、普通快充式充电制度和多段式快速充电制度进行充电，得到如图 1 所示充电曲线。充电过程中采用红外摄像仪器（FlukeTi400+）记录电池的表面温度。满充电后，静置 1 h，以 10 A 电流放电至 42 V（单只电池1.75 V）。按上述方法进行充放电循环测试。循环结束后，对电池进行称重，然后采用失重法计算电池失水量。

表1 充电制度参数设置

图1 充电电压曲线

2 结果与讨论

2.1 充放电性能

充放电性能是电池的关键性能。合适的充放比对电池的放电和充电维护很重要，图 2 是三种充电制度充电量曲线。可以看出：相比之下，采用多段式充电制度充入的电量较少，充电时间适中；采用常规慢充制度充电量较高，充电时间最长；采用常规快充制度的充电量最高，充电时间较短。图 3 是三种充电制度的放电量曲线。可见，采用常规快充制度时放电量最大，用多段式快充制度时次之，而用常规慢充制度时放电量最小。三种充电制度的充放电参数和实测数据见表 2。根据充放电量计算的充放比可知，最大的是采用常规慢充制度时的充放比 1.084，其次是采用常规快充制度时的充放比 1.064，最小的是采用多段式快充制度时的充放比 1.048。一般，对于前期至中期使用的电池，合适的充放比在 1.05 以下。充放比过高表示充入的电量多，而放出的电量少。多余的电量会转化成电池内阻能量的消耗，造成热量累积，失水，铅膏脱落，板栅腐蚀等问题。因此，多段式快充制度下充放比是合适的，可保证电池在充足电的同时又不至于过早产生上述问题。

表2 三种充电制度实际充电情况

图2 电池充电容量曲线

图3 电池放电量曲线

2.2 充电过程中产热效应

快充时电流比较大，所以化学反应和电化学反应产生的热量较大。释放的大量反应热来不及扩散，积聚在电池内部。玻璃丝棉隔板是良好的隔热材料，能够储存大量热量，使电池内部温度迅速上升[3]。常规快充制度下，一开始用大电流充电，直到较高的恒压阶段后，电流才逐渐减小，所以在大电流充电阶段所需时间较长，热量积聚较多。为了避免这一点，根据热量计算，多段式充电方式可以控制温升在一定的范围内。根据电池组成材料的重量和热容，算出总热容 C。单位时间内体系热效应为 Q，绝热条件下电池温度升高 1 K 所需时间 t =C/Q，所以温度升高 T 可算出总时间 t总。在体系绝热的条件下，恒流过后，进入恒压阶段，电流逐渐降低，放热减少，但根据文献[4]，在恒压充电条件下，温度每升高 10 ℃，浮充电流会加倍[5]，而且环境温度越高对散热越不利，所以最好控制温度在室温25 ℃ 基础上最高增加 10 ℃，即 35 ℃ ± 1 ℃ 以内。

第二是可逆反应热和欧姆电阻产生的焦耳热。与焦耳热相比，可逆反应热比较小，所以可不予考虑。根据公式 Q = I2Rt 可知，电流越大，热量越多。电池的充电过程是一个电能转化为化学能的过程。输入的电能大部分转化为化学能，使正负极充电，而另一部分直接或间接转化为热能，使电池温度升高。因此，在电流一定的情况下，控制充电时间也非常关键。多段式充电制度在几段恒流充电阶段都进行了时间控制，避免出现热量过渡累积使电池温升过高的情况。由图 4 和图 5 可以看到，两种快充制度下电池的充电发热情况（因为常规慢充时电池温升较小，所以不作对比）。

图4 充电热成像图

图5 电压与电池温升曲线

另外，根据电池的充电接受能力随充电时间的变长而减小的关系，多段式快充第二段与第三段的恒电流继续降低至 15 A 和 6 A，恒压阶段电流继续下降至 1.2 A 左右，最后转为每 10 次循环后以 0.2 A浮充 120 min。这样既保证了电池温升被控制在合理的范围内，又保证了电池的充电量不至于过多或不足。

2.3 循环性能及失水量对比

除了热量外，蓄电池的充电还要考虑析气和循环失水情况。蓄电池充电时大量析气，早期失水造成电解液密度过高和电池温度过高都会影响蓄电池的使用寿命[6]。为了研究常规快、慢充和多段式快电对铅酸蓄电池寿命的影响，把前面 3 组电池（各5 只装）分别按照这三种方式进行循环充放电。图6 为三种充电方式对应的电池循环寿命曲线。采用常规慢充和常规快充制度时，电池分别循环 321 次和 270 次就到达了标准要求的 80 % C2容量以下，而采用多段式快充制度时，电池循环达 517 次才到达终止要求。

图6 常规慢充，常规快充和多阶段快充循环寿命

通过对电池循环前后精确称重，计算失水量，得到表 3 所示数据。采用常规慢充制度时电池平均每次失水 0.0186 g/Ah，采用常规快充制度时电池平均每次失水 0.0296 g/Ah，而采用多段式快充制度时电池平均每次失水为 0.0059 g/Ah。可以看出，采用常规快充制度时失水较多。由于电池接受能力是与充电电流成反比关系的，根据充电接受能力与析气的关系可知，充电接受能力减小导致析气量增加。常规快充制度要求在较长时间内维持大电流充电，使电池温升较大，从而导致电池析气严重，失水较多。慢充时间过长，充电量较多，也导致失水不少。多段式快充需要时间较短，充电时电池温度也不高，因此失水较少。

表3 电池失水情况

随着充电电流的增大，铅酸蓄电池会出现析气反应。电流越大，铅酸蓄电池的析气反应越严重。因此，必须在铅酸蓄电池发生大量析气反应之前，对其进行快速充电。析出的气体来源于副反应电解水，由正极产生的氧气（大部分氧气会发生复合反应）和负极产生的氢气组成。虽然电解水所需要的理论最小电压为 1.23 V，但由于过电势的因素，实际需要的电压是远大于这个值的。一般来说，电压上升到 2.4 V/单格左右以后气体就开始大量析出。所以，为了在电池尽可能充足电之前避免发生大量析气，控制前两段的充电电压均在 2.4 V 以下，即第一段充至 13.5 V/只（2.25 V/单格），第二段充至14.1 V/只（2.35 V/单格），此时已经充进去了 80 % 以上的电量，实现了前述的铅酸蓄电池发生大量析气反应之前，对铅酸蓄电池进行快速充电。受到总极化（电化学极化、浓差极化和欧姆极化）的影响，同时为了保证充足电，适当调高了第三段的充电电压，使最高充电电压在 14.7 V/只（2.45 V/单格）左右。不过此时的充电电流已经很小，根据马斯定律中充电接受能力与时间的关系，后期蓄电池充电的可接受电流下仅有微量的气体出现，不会产生较多气体。

电池温升较高，电池失水较多，这些都会提前导致电池中电解液干涸，板栅与活性物质结合变差等后果，从而使电池的寿命变短。因此，从以上结果分析可以看出三种充电制度对电池寿命影响的差异。