商用车起动用EFB电池的设计

孙言行,邓 亮,谢晓东,曹云鹏

（陕西凌云蓄电池有限公司,陕西 宝鸡 721304）

商用车电池的主要功能是为车辆的起动、点火和照明提供电能[1-2]。近年来,为提高司乘人员的舒适性,商用车逐渐开始在发动机停止工作后采用车载起动用电池为空调、电磁炉、电热毯等车载电器供电,以降低燃油消耗和运行成本。由于常规的起动用电池主要是按GB/T 5008.1-2013《起动用铅酸蓄电池第1部分:技术条件和试验方法》[3]要求来设计的,当增加对驻车空调等电器的供电要求后,长寿命耐振动（B类）电池仅能使用约90 d,实际使用效果不理想。

本文作者在常规富液式起动用免维护电池技术的基础上,进行增强富液式电池（EFB）设计,以期在保持电池高功率起动性能的前提下,提升循环耐久性能。

1 实验

1.1 样品制作

1.1.1 电池容量及外形尺寸的确定

本文作者由市场调研得知,车载空调每天的用电量约为103 Ah。即在开机时,电池以30 A放电0.5 h;驾驶室的温度达到预定值后,再以16 A放电5.5 h。按50%以内的放电深度（DOD）考虑,待设计电池的额定容量应有220 Ah。

样品型号暂定为6-QWD-220（1300）,其中QW代表起动用无需维护;为区分常规起动用电池,借用动力电池命名中的“D”;考虑到电池50% DOD放电后的起动要求,将-18℃起动电流（Icc）确定为1 300 A。考虑到安装过程的通用性,采用常规富液式免维护起动用聚丙烯（PP）电池槽,外形尺寸为长520 mm、宽 260 mm,槽高212mm。

1.1.2 板栅

根据免维护电池的设计经验,正负极板栅采用PbCaSnAl合金（湖北产）,其中正极为低钙高锡合金、负极为高钙低锡合金。考虑到电池的大电流起动性能要求,采用放射状板栅筋条,以提高导电性能与活性物质利用效率。采用连续冲孔工艺或铸造工艺制作板栅,均是先将铅合金在500℃熔化。连续冲孔工艺先浇铸20mm厚的坯带,再七级冷轧制成相应厚度铅带,最后用冲网机（江苏产,速度30 m/min）连续冲孔制成板栅;浇铸工艺用铸板机（重庆产,速度17片/min）将铅液浇铸至板栅模具（温度160℃）中制成板栅。

1.1.3 铅粉

采用一级电解铅（陕西产,99.994%）,用SF-28LS型岛津式铅粉机（宜兴产,滚筒温度180℃）制作铅粉。氧化度75.0%,视密度3.0 g/cm3。

1.1.4 正极铅膏

正极铅膏的活性物质的利用率按45%确定,和膏用51%硫酸溶液（陕西产,AR）的添加量为常规起动用电池的85%,并且添加1.00%的四碱式硫酸铅（4BS,美国产,PN20型）、0.50%的过硼酸钠（NaBO3·4H2O,山东产,99.0%）和0.10%的超细聚酯短纤维（山东产,细度0.5丹尼尔,长度3 mm）。

1.1.5 负极铅膏

负极铅膏的活性物质利用率设为60%,和膏用硫酸的添加量为常规起动用电池的65%[4]。负极膨胀剂在常规起动用电池的基础上,再添加0.5%的炭黑（河北产,PBX135型）。

1.1.6 涂板纸

由于连续冲孔板栅制作的极板采用堆摞的方式进行固化,为防止铅膏的粘连,涂板时在极板表面涂覆玻璃纤维涂板纸（0.2 mm厚,江苏产）或木浆纤维涂板纸（12.5 g,浙江产）。其中玻纤涂板纸在电池化成过程中不会离散,可长期包裹在极板表面,防止铅膏脱落。

1.1.7 装配及化成

将正极板、负极板和聚乙烯（PE）隔板（河北产）,按包封配组、全自动铸焊、穿壁焊、热封、端子烧焊和气密性检测等工艺进行装配。采用二次注酸电池化成工艺,即先加入密度为1.1 g/cm3的硫酸,用MC-3000GH-60A-320V型化成电源（江苏产）,先以12 mA/cm2的电流密度充电5 h,再依次以8mA/cm2、4mA/cm2的电流密度充电6 h;化成结束后,将电解液密度调整为（1.275±0.005）g/cm3（15℃）。

1.2 零部件及电池的测试方法

1.2.1 板栅耐腐蚀性能测试

将板栅以8 mA/cm2的表观电流密度进行恒流腐蚀,每连续充电168 h为一个周期,每个周期充电结束后,用自制糖碱溶液[5]清洗板栅表面的氧化物,目视观察板栅的外观。

1.2.2 电池基本性能测试

参照GB/T 5008.1-2013对B类微水损耗电池的要求,用BTS600电池测试系统（青岛产）进行20 h率容量、储备容量、-18℃低温起动能力、荷电保持能力、水损耗、充电接受能力和循环耐久Ⅱ等指标的测试。

1.2.3 耐振动性能测试

在（25±2）℃下,将完全充电的电池固定在试验台上,用频率（22±2）Hz、最大加速度58.8 m/s2的简谐振动参数垂直振动20 h,振动结束4 h内,在（25±2）℃下以 1 IccA的电流放电30 s,端电压不低于7.20 V。

1.2.4 40℃50% DOD循环耐久能力

参照JB/T 12666-2016《起停用铅酸蓄电池技术条件》[6]的要求,将完全充电的电池在（40±2）℃的恒温水浴槽内进行循环:①以5 In（额定20 h率容量的1/20）A的电流放电2 h,若电池端电压低于10.00 V,实验终止,否则继续;②立即以恒压（15.60±0.05）V、限流5 InA充电5 h。

2 结果与讨论

2.1 成型工艺对板栅耐腐蚀性能的影响

对尺寸和材料相同,厚度分别为1.7 mm和1.0 mm,单片质量分别为65 g和48 g的铸造板栅和连续冲孔板栅进行耐腐蚀性能测试。

铸造板栅在两个周期的腐蚀后,出现筋条及边框断裂的现象;连续冲孔板栅的腐蚀较均匀,随着腐蚀的进行,筋条及边框越来越细,在5个周期的腐蚀后,才出现筋条和边框断裂的现象。这是由于铸造板栅存在晶间裂隙,在恒流腐蚀过程中腐蚀断裂;而连续冲孔板栅制造时经过了七级冷轧,彻底消除了晶间裂隙,耐腐蚀性能提高。

2.2 涂板纸对正极铅膏固化的影响

将玻纤涂板纸和木浆纤维涂板纸所制作的正极板在同等条件下固化后,进行残余铅含量测试,发现:玻纤涂板纸铅膏中残余金属铅的含量比木浆纤维涂板纸低1%左右。这可能是由于玻璃纤维透气性好,在极板固化过程中可增加氧气向堆摞极板内部扩散的速度,加速了铅膏氧化。

2.3 电池性能测试结果

2.3.1 电池基本性能测试结果

电池基本性能测试结果见表1。

从表1可知,电池性能均达到了预定要求。以储备容量计算的电池比能量达到47.7W·h/kg（电池质量为57 kg）;采用连续冲孔、放射状筋条的板栅,降低了电池的内阻,样品的-18℃低温起动电流达到1 300 A以上,超出1 000 A的要求[3];对负极铅膏中炭黑和硫酸添加量进行优化,电池的充电接受能力达到了4.28倍I0（实际20 h率容量的1/10）,超出2倍的要求[3],为实际使用过程中电池的回充性能、防止负极铅膏的硫酸盐化奠定了良好的基础;电池循环耐久Ⅱ达到8个循环周期,超过相关标准[3]要求的5个周期;电池40℃50% DOD循环耐久能力达到279次,超过了标准[6]要求的120次。以上结果说明,该电池设计和制作工艺对提高循环耐久性能是有效的。

表1 电池基本性能测试结果 Table 1 The testing results of battery basic performance

2.3.2 电池耐振动性能分析

电池经22 Hz、58.8m/s2、20 h的加强振动后,性能正常,说明该结构设计可以满足商用车在极端路况的使用要求。

2.3.3 电池循环耐久Ⅱ失效模式分析

在循环耐久Ⅱ测试过程中,各循环周期中采用“以5 In放电至10.0 V”检查得到的放电时间见图1。

图1 循环耐久Ⅱ测试时容量检查的放电时间Fig.1 Discharge time of the capacity check during cycle endurance Ⅱ test

从图1可知,经过8个周期的循环后,电池容量检测过程的放电时间仍有2.70 h,超出了2 h的要求[3],说明极板和隔板的性能基本完好,极板的放电能力没有衰减。此外,在第9个循环周期测试时,电池温度达到75℃,出现了热失控,实验终止。分析可知,循环耐久Ⅱ测试采用了过充电循环模式,即循环过程充入的电量大于放出的电量,前8个循环周期的总充电与总放电容量之差为3 266 Ah。若不考虑板栅的腐蚀和氧循环过程的电量消耗,3 266 Ah的充电量将造成1 097 g的水电解。

解剖失效的电池发现,单格的实际失水量在870 g左右,电池已失水35%,板栅、极板和的隔板外观状态正常,电池失效是由于失水所造成的。

2.3.4 电池40℃50% DOD循环耐久能力失效模式分析

在40℃50% DOD循环过程中,各循环放电结束时电池的端电压如图2所示。

从图2可知,在前15次循环过程中,电池的放电电压持续降低,最低达11.54 V,可能与化成过程中活性物质的转化效率有关。随着循环的进行,电池内的活性物质得到充分活化,放电电压持续上升,在第209次循环时的端电压达到最高值11.80 V,之后逐步下降,在第270次循环后,又出现了一定的上升,可能是失效前电池内阻增加,内部温度升高所致。在第280次循环时,电池因放电电压突然下降至9.50 V而失效。实验结束解剖发现:电池电解液液面高度仍保持在极板以上,正极板表面铅膏软化,板栅内部的细筋条严重腐蚀,铅膏脱落引起短路是电池失效的主要因素。

图2 40℃50% DOD循环过程放电结束时的端电压Fig.2 Terminal voltage at the end of discharge at 40℃and 50% DOD cycle process

3 结论

本文作者设计的6-QWD-220（1300）型商用车起动用EFB电池,采用连续冲孔板栅、放射状板栅筋条、玻璃纤维涂板纸、超细聚酯纤维正极添加剂,以及优化的负极炭黑和铅膏硫酸添加量等技术,-18℃低温起动电流达到1 300 A（高于标准要求的1 000 A）、充电接受能力达到4.28倍I0（高于标准要求的2倍）、比能量达到47.7W·h/kg。电池在 40℃50% DOD条件下的循环次数可达到279次（高于标准要求的120次）,说明具备了一定的中等放电深度使用功能。