电动汽车用VRLA电池充电研究---赵志坚.docx

电动汽车用VRLA电池充电研究Research of Electric Vehicle VRLA Battery Charging 赵志坚 马建平 王涛（山东圣阳电源股份有限公司，山东 曲阜，273100）（SHAN DONG SACRED SUN POWER SOURCES CO., LTD,SHAN DONG QUFU，273100）摘要：本文主要研究了动力型VRLA电池充电器采用不同充电方式（充电制度），及可靠性对电池性能的影响。通过测试发现不同的充电制度及可靠性对电池的性能，特别是寿命方面影响巨大。研究发现，采用带有时间保护的限流恒压充电方式，电池充电效率高，设备可靠性好，是成熟度最高的充电方法。带有时间保护的限流恒压充电方法的优点：（1）充电效率高，满足实用要求。（2）原理及制造技术成熟，安全性和可靠性好；(3)充电器与整车匹配性好，安装方便，通用性高。关键词：电动汽车用免维护电池（VRLA）、轻型电动汽车、充电Abstract: this text mainly studies the motive VRLA battery charger with different charging(charging system), and reliability impact on battery performance. Through the testing we found that different charging system and reliability have great impact on battery performance, especially the battery life. The study found that, with duration protection of current limiting & constant voltage charging mode, the battery charging efficiency is high, the reliability of the equipment is good, is the highest maturity of charging method.The advantages with duration protection of current limiting & constant voltage charging mode, (1) high charging efficiency, meeting the practical requirements. (2) principle and manufacturing technology is mature, good safety and reliability; (3) the charger and vehicle matching, convenient installation, high versatilityKey words: electric vehicle maintenance free battery (VRLA), light electric vehicle, charging1 前言近几年国内轻型电动车市场逐渐发展成熟，原来使用富液电池的乘用车、观光车、清洁车已经加大转向实用VRLA电池的力度，并且发展较快。VRLA电池在健康环保、安全性方面的优点明显超过富液电池，特别是对于带有封闭式车门的车辆，已经被车辆厂和广大用户所接受。但是，免维护电池在充电方面仍存在很多问题，例如电池鼓壳、容量提前衰减、充电器易损坏，故障率高等问题。免维护电池属于贫液电池，电解液呈吸附状态存在于电池内部，其加液量是严格控制的，且使用过程禁止补水，成品电池电解液“资源”有限，加上长期使用存在失水的问题，一但失水量超过限值将导致电池容量衰减甚至发生热失控。 经实验证实免维护电池失水量达到加液量的5%就可监测到容量下降的趋势，超过10%电池已接近报废。一款设计优良的充电器，应该包括两个重要方面：（1）充电效率满足使用要求，既不会欠充也不会过充。此功能要求在充满的同时尽可能减缓失水的发生。（2）稳定可靠，故障率低。免维护电池对充电器的电压、电流（转换电流）、温度补偿等参数的设置、精度有一定要求。不论是电压偏离还是偏流或是时间保护失灵均会导致电池损坏或充鼓。从免维护电池角度来说，电池使用寿命的长短取决于三个因素：（1）充电量是否满足；（2）放电低压保护是否正确；（3）充电器是否稳定（4）电池自身性能好坏。其中（1）（3）条都与充电器有关。自2009年以来，圣阳公司一直在做充电器长期的验证工作，所采用的验证方法主要有两种：（1）实验室检测验证：充电器分别在常温、低温-10、高温45三种环境下进行充电，对电压、电流、温度补偿参数及曲线进行确认。其中低温和高温下的主要目的是验证充电器的可靠性及温度补偿；（2）长期稳定性验证：即装车使用，验证稳定性及故障率，这包括车辆使用过程中颠簸造成的影响。充电器装车后在使用过程中，定期检查、返回实验室测试，记录首次发生故障的时间，得出结论。这里所指的故障不仅是充电器本身，还包括电池因充电原因导致的故障，包含电池外观、容量、充电发热程度的变化等。常温测试 图1 充电器实验室验证图片高、低温测试多年的实验，涉及的充电方法及充电器主要有带时间保护的限流恒压充电器、脉冲充电器。其中限流恒压充电器按最高电压分为高压、低压两种，按制造工艺分为密封、非密封。脉冲充电器虽原理先进但市场普及率并不高，仅作简单介绍。2 所测试的第一类机型：带高压均衡充电的限流恒压式充电机2.1带高压均衡充电的限流恒压式充电机的主要特点（详见图2和表1）：（1）主充阶段先充电至单体电压达2.452.47V（S2、S3）；（2）主充阶段电流下降过程，继续充至单体电压达到2.632.67V（S4），这点也是和其它无高压均衡阶段的限流恒压式充电机的主要区别之处；（3）该类型充电机一般有4个阶段或5个阶段。2.2该类型充电机的参数和充电曲线特性如图2和表1所示。图2 常见的高压均衡限流恒压式充电机充电曲线充电初期带有小电流修复功能。该功能启动与否取决于电池组电压，当电池电压低于11.612V/只时启动修复充电，反之不启动。表1常见的高压均衡限流恒压式充电机参数设置阶段参数设置说明V1-电池发生过放后的低压状态V21.96V预充电压V32.4V主充一阶段电压V42.45V主充二阶段电压V52.632.67V高压均衡充电电压V62.32.35V浮充电压（涓流充电）I10.020.05C预充电流I20.150.2 C主充一阶段电流I30.10.12 C主充二阶段电流I40.010.02C高压均衡充电电流S14h预充最大时间S2S2+ S38h主充时间，超出后转入下一阶段S3S412h高压均衡时间S54h最大浮充时间，到达后关机注： 1、C是蓄电池的额定容量，以下相同； 2、0.02C是电流值，单位为安（A），以下相同。以上参数可以看出该类型充电机最高充电电压可达2.632.67V/单体。例如，额定电压12V电池，最高电压达到15.7816.02V/只。对于免维护电池来说，当充电电压达到2.32.35V/单体时，充入电量约为80%85%Ca（Ca电池放电容量）,此时正极已经开始析氧，当继续充至2.42.45V/单体时，充入电量约为95%98%Ca，此时负极开始析氢，并且正极析出的氧气已不能全部在负极上重新复合成水，当充电进入该区域时，电池即开始失水。当充电至2.632.67V/单体时其失水的发生是持续的（尽管时间只有12h），且失水量在单位时间内高于之前的主充阶段。这种较高的充电电压，除考虑到完全充电和去硫化作用外，对电池没有好处，特别是对使用1年以上的电池鼓壳风险大大增加。事实上，多年统计发现鼓壳多是发生在使用期11.5年以上的电池，对于1年期内的电池几乎感觉不到这种影响。我们曾经做过的实验，使用同规格，相同容量的两组电池，分别采用电压2.45V/单体和2.67V/单体进行充电，,结果当电池容量下降到60%C时，使用寿命可最大相差68个月。其中，充电电压较高的一组电池，在使用2.5年后电池外壳已经开始鼓胀，36个月时鼓壳程度明显加大，最终在38个月时无法正常放电。测试过程记录如下表所示： 表2 两种充电方式，实验方法对比测试单位车辆编号车辆配置电池使用要求充电要求济南XX物流公司1#48V/4kw，低压保护5.25V/只3-EV-200每次装载相同重量的货物，每天行驶相同的路程1、充电器采用限流0.15C，最高电压2.45V； 2、每次充至转灯后，再充2小时； 3、夏季充电在阴凉处，打开电池箱；冬季在仓库室内充电。2#3-EV-2001、充电器采用限流0.150.2C，最高电压2.472.7V； 2、每次充至转灯后，再充2小时； 3、夏季充电在阴凉处，打开电池箱；冬季在仓库室内充电。表3 两种充电方式，使用过程中电池容量变化记录电池组月数06121518212427303336381#容量 Ah219.6225 212 210 202 189 174.6 164.5 158.1 151.5 142.7 134 C%100%102.5%96.5%95.6%91.8%86.1%79.5%74.9%72.0%69.0%65.0%61.0%2#容量 Ah219.6229 214 207 194 182 167158.1 138.3 128.5 117.7 C%100.0%104.3%97.4%94.3%88.3%82.9%76.0%72.0%63.0%58.5%53.6%说明：2#电池组在2.5年后出现鼓壳现象，36个月后鼓壳明显，38个月无法使用。图3 两种充电方式，电池容量变化趋势图上述实验仅仅验证了电压对寿命的影响，事实上，经对市场上发生故障的充电器及电池的分析，充电电流及转折点偏离、时间保护设置控制失衡、温度补偿不准确也同样会造成充电器、电池的损坏，而且这几个因素是并列的，并无主次之分。3 所测试的第二类机型：无高压均衡的限流恒压式充电机3.1无高压均衡的限流恒压式充电机主要特点（详见图2和表1）：（1）主充阶段最高电压2.452.47V（S2、S3）；（2）充电曲线一般分为3段式或4段式。3.2无高压均衡的限流恒压式充电机曲线、参数设置特性如下：图4无高压均衡的限流恒压式充电机充电曲线表4无高压均衡的限流恒压式充电机参数设置阶段参数设置说明V1-V21.96V预充电压V32.4V主充一阶段电压V42.45V主充二阶段电压V52.32.35V浮充电压（涓流充电）I10.020.05C预充电流I20.150.2 C主充一阶段电流I30.10.12 C主充二阶段电流I40.010.02C浮充电流S14h预充最大时间S2S2+ S310h主充时间，超出后转入下一阶段S3S44h最大浮充时间，到达后关机由以上参数可以看出，该类型充电机的最高电压在2.452.467V/单体，明显低于第一类机型。对于额定电压12V的电池，最高电压是14.714.8V/只，与第一类机型相比，去掉了15.7816.02V/只这个高压阶段。3.2去掉2.632.67V/单体的高压阶段后，充电是否可行？去掉高压阶段，会不会对电池造成负面影响？要搞清楚这个问题，我们可以从两个方面来研究分析：第一方面，免维护电池是否需要高压均衡；第二方面，高压充电曲线的来源。第一个方面，前面已经提到免维护电池充电达到2.32.35V/单体时，充入电量约为80%85%Ca,继续充电到2.42.45V/单体时，充入电量约为95%98%Ca，剩余部分电量在浮充阶段完成。经实验室测试统计，该方式总充入电量是放出容量的1.031.07倍(充/放比)，对于新电池来说1.031.07倍已经足够，后期随使用时间的延长，该数值是呈逐渐增大的趋势，所以完全满足电池充电要求。第二个方面，首先看一下下面这个富液式电池的充电曲线，这个曲线到今天仍然是具有代表行的，至今仍是富液电池大量采用的充电方法。 图5 富液式电池充电曲线由以上曲线图形分析富液电池的充电特点：（1）充电初期带有预充电阶段，这是因为使用富液电池的车辆其保护电压设置普遍很低。例如48V车辆，系统低压保护最低在3032V，相当于电池1.251.33V/单体，富液电池的使用状态使其经常处于过放电状态，极板硫酸盐含量较多，初期充电如采用大电流会使电池电压瞬间升高而达到极化状态，充电接受能力下降、电池发热严重、析气失水，充电效率降低甚至损害电池。因此，开始必须用小电流慢充才能充进电去，以利于促进活性物质的转化。(2)充电后期所带的高压均衡，本质也是用高电压过充的方法去硫化，不仅如此，富液电池析氢电位比免维护低，如充电电压过低很难将电池100%完全充满电。从以上分析不难看出，这种充电方式对富液电池来说是有针对性设计的。2008年之前，市场上的电动车基本上都是使用富液电池，很少使用免维护电池，20092010年开始逐步切换使用免维护电池，也就是在这个时间段期间，市场上反馈了大量免维护电池被鼓壳的信息，经深入调查分析不难发现，一个原因是原来使用富液电池的车辆低压保护设置并没随着改用免维护电池而改变，对于免维护电池来说1.251.33V/单格的保护电压太低了，过放电直接造成了极板硫酸盐化；第二原因是，充电仍然使用富液电池的充电器，致使电池长期存在过充电问题，这种情况下一般68个月就会出现鼓壳报废。还有就是极板活性物质松动脱落，内部枝晶短路造成电池报废。对上述衍变过程分析之后，我们就不难理解问什么早期的免维护电池充电机存在高压充电的问题。当“高压均衡”的弊端被“去硫化”“激活电池”的好处掩盖后，这种充电制度竟被延续下来了。对于免维护电池来说，长期的过充和过放都是致命的伤害，免维护电池不是每次充电都需要高压均衡来维护，频繁的高压均衡反而害大于利。现今，主机厂对低压保护也有了深刻认识，低压保护参数也进行了严格规定，极少出现低压保护设置错误的问题。在这种形势下对于不同品牌的电池，至少要根据电池的具体情况来区分对待，不能一概而论，不同厂家的合金体系、铅膏配方、添加剂、电液密度各有差异，如一味提高充电电压是得不偿失的，不仅损害电池而且增加充电功耗。3.3优化的三段式限流恒压充电制度免维护电池因充电原因造成的失效有以下几个方面：（1）过充电造成正极合金腐蚀或活性物质脱落、短路；（2）欠充电造成硫酸盐化；（3）充电失水量大，造成容量早衰；（4）充电发生热失控，导致电池外壳鼓胀、报废。通过对以上充电问题的分析，结合免维护电池的特点，着重考量以下五个关键控制点：（1）充电电压最高电压的确定；（2）充电电流初始及主充电流选择；（3）转换电流转灯电流；（4）时间保护当电压、电流转换控制失灵时，保护电池；（5）温度补偿防止欠充、过充。经过不断改进及验证，对限流恒压充电制度进行了优化，最终形成如下充电方法。3.3.1优化的三段式限流恒压充电制度（曲线、参数设置、温度补偿） 图6 优化的三段式限流恒压充电制度充电曲线 表5优化的三段式限流恒压充电制度参数设置阶段电流 (A)电压（V）时间（h）转换条件温度补偿T1恒流充电恒流I1=0.15C（A）充电至U1=2.450.005V/单格7h充电至电压达到U1；或者充电时间达到7h。有T2恒压，限流充电限流，I2=0.10C（A）恒压U1=2.450.005V/单格2h恒压限流充电，电流逐渐下降至I3=0.02C（A）；或者时间达到2h。有T3浮充充电限流I3=0.02C（A）。电流最低至0A恒压U2=2.322.35V/单格4h充电时间达到4h。无T4停机说明电压均为单体电压；转换条件：达到其中任何一条即转入下一阶段；充电机带有温度补偿功能，温度传感头应放在电池组的中间位置。图7优化的三段式限流恒压充电制度温度补偿3.3.2优化的充电曲线设计原理3.3.2.1各阶段的设置 设置为3个阶段，简单紧凑。去掉预充电阶段、高压均衡阶段，目前低速车市场已经逐渐成熟，明确要求低压保护设置1.71.75V,正常情况下不存在过放电问题，在此前提下，去除预充和高压均衡阶段，有利于提高充电效率。3.3.2.2电压的设置（根据免维护电池分解水的电压、充入电量比率设定）U1：2.45V/单格，这是整个充电过程的最高电压，免维护电池在该电压下能 够充满电且过程失水量较少； U2：2.322.35V/单格，免维护电池的浮充电压，维持涓流补电，抑制失水。3.3.2.3电流的设置（根据极化、时间、充入电量比率设定） I1：0.15C（A），主充电流，与T1时间相对应，累计充入87%92%电量； I2：0.1C（A），主充电流，数值小于I1的目的是利于去极化； I3：0.02C（A），转灯电流，该值设置大了会提前结束主充阶段，容易充不满电，设置小了会增加充电器的控制难度且容易使电池发生热失控。测试发现，电流降至0.02C时充电量约95%98%电量。3.3.2.4保护时间的设置 T1：7h，主充时间，与I1对应； T2：2h，主充降电流时间，与I2、I3对应，经实验验证电流从0.1C降至切换点0.02C的时间最大不会超过1.5h，因此设置2h作为保护时间，留有余量； T3：4h，浮充时间，将该时间计算在内，充电总时间不超过13h，效率较高。实际上用户大多数在夜间充电，一般不会超过13h，与实际使用情况相符。3.3.2.5温度补偿系数的设置 按照3mV/单格/对免维护电池进行补偿，防止夏季过充及冬季欠充。为验证以上充电制度，在实验室使用10只圣阳3-EV-200电池组成60V系统，进行充放电寿命验证，具体实验方法见表6。表6 循环寿命实验方法项目电流 A时间 h容量放电0.5C1.6h80%C充电按照以上3.3优化的三阶段充电容量检查充、放循环，每进行50次