汽车蓄电池起动能力的影响因素分析

2022-08-20陈志雪李阿欣王再红孙海涛陈二霞高鹤闫娜霍玉龙

蓄电池 2022年4期

陈志雪，李阿欣，王再红，孙海涛，陈二霞，高鹤，闫娜，霍玉龙

（风帆有限责任公司，河北保定 071057）

0 引言

汽车蓄电池的起动能力一般用低温起动能力表示。低温起动能力是蓄电池处于极为不利负荷条件下的放电能力，常用冷起动电流（Cold cranking ampere，CCA）表征。冷起动电流指的是在规定的某一低温状态下（通常为 –18 ℃）蓄电池在电压降至极限电压（如 7.2 V）前，连续 30 s 释放出的电流[1]。仅从冷起动电流来看，其值越高，低温放电电流越大，说明低温起动能力越强。但是，冷起动电流只能反应蓄电池的起动能力，并非越高越好。除起动能力外，蓄电池还要满足寿命周期内的容量保持、循环耐久、耐振动性等要求，因此需要综合评价。

1 如何选择蓄电池的冷起动电流

1.1 根据起动机的特性选择

可以根据起动机的特性来选择合适的冷起动电流值。若已知发动机的特性曲线，则可以根据其转速、扭矩或功率确定发动机启动瞬间起动机的电流Is，即图1 中横坐标电流值。为了保证起动能力，蓄电池的冷起动电流必须大于该电流值。根据经验来说，一般Icc> 1.5Is[2]。

图1 起动机特性曲线

1.2 根据发动机的排量选择

对于普通的用户来说，可以根据汽车发动机的排量来选择不同冷起动电流的蓄电池。从表1 可以看出，起动所需要的冷起动电流值随汽车排量不同，有不同的要求[3]。实际上并不需要冷起动电流非常大（动辄上千安培），而是在要求的范围内，够用即可。如果长期在低温环境下使用，也可以选择冷起动电流稍微高些的蓄电池。另外，在尺寸、电压、容量相当的情况下，虽然冷起动电流大的电池的起动能力较强，但是并不能说明电池综合性能就好，一味地追求冷起动电流难免会损害电池的其它性能。

表1 发动机排量和所需蓄电池的冷起动电流大致对应关系

2 冷起动电流的主要影响因素

蓄电池在规定条件下（包括放电电流、放电终止电压等）放出的电量多少称为蓄电池容量。一般蓄电池的容量越大，活性物质含量越多，冷起动电流也相应越大。所以，对起动能力要求高的车辆要选择大容量蓄电池。对于容量相同的蓄电池，影响冷起动电流的主要因素主要有：

2.1 放电面积

放电面积是指正、负极板的总反应面积。放电面积越大，放电电流越大，冷起动电流就越大。

2.2 内阻

蓄电池的内阻包括电极材料、隔板、电解液、板栅与活性物质的电阻。蓄电池内阻越小，冷起动电流越大。

2.3 极板的孔隙率

极板的孔隙率表示极板中微孔的体积在极板总体积中的占比。极板孔隙率越高，相当于活性物质放电面积越大，越有利于冷起动电流的提高。

2.4 负极铅膏配方

一般来说，在负极配方中适当增加硫酸钡、木素磺酸盐、腐殖酸的添加量，会使蓄电池具有更好的大电流放电性能，即冷起动电流较大。

3 提高冷起动电流的途径及负面影响

3.1 增大放电面积

放电面积是影响冷起动电流大小的关键因素。极板面积越大，极板片数越多，蓄电池的冷起动电流越高。对于容量相同的蓄电池，蓄电池槽和极群的尺寸是基本一致的（见图2）。增大放电面积，往往意味着减薄极板，增加极板数量，或者适当加高极板，但是这会带来以下几方面的负面影响。

图2 极群结构示意图

3.1.1 减薄极板

（1）减薄板栅，则板栅的耐腐蚀能力下降，导致电池寿命缩短。细筋条更容易腐蚀断裂，所以工业电池的长寿命要有厚的板栅作保证。图3 为板栅腐蚀导致机械支撑作用消失后极板腐烂的照片。

图3 极板腐烂照片

（2）减薄极板，则铅膏的保护作用减弱，H2SO4更容易侵蚀到板栅，加快板栅的腐蚀失效。

（3）薄极板化成时，由于硫酸电解液比较容易渗入，极板中没有中性或弱碱性环境，使得更容易生成 β-PbO2，而起骨架结构的 α-PbO2的含量少[4]，导致活性物质结构更容易崩塌，损害电池的寿命[5]。

（4）极板变薄意味着骨架结构和能量结构的区分减弱，活性物质内外同时发生“溶解—沉淀”反应，导致结构的稳定性和可逆性降低，循环寿命缩短[6]。

3.1.2 增加极板数量

极板数量增多，隔板数量相应地增多，因此就需要减薄隔板，而减薄隔板意味着存在更多的短路风险（特别是对于 AGM 隔板）。

3.1.3 加高极板

适当加高极板，可能加重电解液分层，增大上下极板电位差，导致电池自放电现象加重[7]。富液电池升级换代为 AGM 起停电池可以通过加高极板，来提高冷起动电流，如图4所示。

图4 富液电池升级为 AGM 电池加高极板示意图

总之，如果没有升级换代，单纯增大放电面积往往意味着缩短寿命，并可能带来荷电保持能力、耐高温侵蚀能力、耐振动性能的下降以及极板易弯曲变形等现象。

3.2 减小蓄电池内阻

减小蓄电池内阻，可相应提升蓄电池的冷起动电流[8-9]。这不难理解，电压一定，电阻减小，放电电流就会增大。若要减小蓄电池内阻，就需要考虑减小电极材料、隔板、电解液的内阻。

3.2.1 减小电极材料的内阻

提升电极材料（板栅、汇流排、极柱等）的用量，从而提高电子导电能力，减小蓄电池的内阻，但是性能提升空间不大。

3.2.2 减小隔板的内阻

蓄电池隔板电阻的大小主要由隔板的材料、厚度以及多孔性来决定[10]。减薄隔板或提高隔板的孔率，从而提升离子的导电能力，可以减小电池的内阻，但是由此导致的渗透等短路风险也相应增大。图5所示为 PE 隔板和 AGM 隔板的渗透短路现象。

图5 PE 隔板和 AGM 隔板的渗透短路

3.2.3 减小电解液的内阻

电解液的相对密度影响离子的扩散能力，所以电解液的密度过高或者过低都会导致其电阻增大。如图6所示，理论上，常温下密度为 1.23 g/cm3的硫酸电解液的电阻最小[6]。调整电解液的密度，使电解液的电阻处于较小值可一定程度增大冷起动电流，但是设计时不能只考虑起动性能，还要兼顾容量、充电接受、循环寿命等。车用蓄电池选用密度1.270～1.290 g/cm3硫酸电解液，可获得较佳的电池参数[11]。硫酸电解液作为反应物，若初始密度过低，一旦处于不满电的状态就会影响起动性能，但若电解液密度过高，就会导致板栅腐蚀加快，电池寿命缩短，析氢析氧电流增大，水损耗增加[12]。

图6 H2SO4 溶液的电阻率随密度和温度的变化曲线[6]

3.2.4 提高使用温度

一定程度提高蓄电池使用温度可提高离子的传输速率，降低电解液粘度，使电解液中的离子扩散能力提高，进而降低电池内阻[13]。但这得由具体使用环境来决定，不易从设计上做出改变，而且温度过高还会增加水耗，加快板栅腐蚀和活性物质泥化。

3.3 提高极板的孔隙率

孔隙率高意味着活性物质的比表面积增大，也相当于放电面积增加，活性物质利用率提升，所以有利于冷起动电流的提高。提高极板孔隙率的方法有以下几个方面。

3.3.1 提高和膏加酸量

和膏加酸量提高，化成后生成的 β-PbO2更多，电池具有更高的初容量和冷起动电流[6]，但衰减很快，不利于冷起动电流的保持和长寿命。

3.3.2 提高和膏“酸+水”总量

提高和膏“酸+水”总量，固化后的生极板就相对疏松，化成后依然保持高孔率，有利于初期的冷起动电流，但同样面临衰减快、寿命短的问题。

3.3.3 引入正极添加剂

和膏时加入一些正极添加剂（如硫酸钠、炭材料等）来提高孔隙率[14]，可使蓄电池的放电性能显著提高。但是，若为追求高冷起动电流而增加添加剂含量，导致极板的孔隙率过高，活性物质的结构就会相对疏松，更容易软化或崩塌脱落，缩短电池的使用寿命，如图7所示。

图7 正极板形貌

3.4 调整负极板配方

适量提高负极板中腐殖酸、木素膨胀剂等的添加量，对低温放电冷起动电流有些好处[15]。因为腐殖酸和木素吸附在 Pb 和 PbSO4上，阻止致密的PbSO4上钝化层的生成，使内部的活性物质充分参与反应，所以电池的放电能力会增强[16]。但是，有机添加剂还会阻碍 PbSO4的溶解，导致充电接受能力降低。另外，如果为了提升冷起动电流而过量加入膨胀剂，则会导致负极板异常膨胀，给蓄电池的使用带来一系列负面影响。