轻型电动汽车用VRLA电池充电研究

高海洋，赵志坚（山东圣阳电源股份有限公司，山东 曲阜 273100）

轻型电动汽车用VRLA电池充电研究

高海洋，赵志坚
（山东圣阳电源股份有限公司，山东 曲阜 273100）

文章研究了动力型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：第一，充电效率高，满足实用要求。第二，原理及制造技术成熟，安全性和可靠性好；第三，充电器与整车匹配性好，安装方便，通用性高。

电动汽车用免维护电池（VRLA）；轻型电动汽车；充电

0　引言

近几年随着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VRLA电池的应用力度，并取得较快的发展。VRLA电池在健康环保、安全性方面的优点明显超过富液电池，应用在带有封闭式车门的电动车辆环境中优势尤为明显，其实用性已经被广泛的车辆厂和用户所认同。

但不可忽视的是免维护电池在充电等方面仍存在很多缺陷，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。单就蓄电池充电而言，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欠充、过充，引起蓄电池热失控等发生，进而出现鼓壳、容量衰减等。从免维护电池角度来说，电池使用寿命的长短往往取决于4个因素：充电量是否满足、放电低压保护是否正确、充电器是否稳定、电池自身性能好坏。可见，一款设计优良的充电器尤为重要，其包括两个重要方面：第一，充电效率满足使用要求，既不会欠充也不会过充。此功能要求电池在充满的同时尽可能减缓失水的发生。第二，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。

目前，国内在做充电器验证采用的方法主要有两种：一是实验室检测验证，即充电器分别在常温、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；二是长期稳定性验证，即装车使用，验证稳定性及故障率。

现有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，下面依据实验测试作介绍分析。

1　不同类机型测试

1.1带高压均衡充电的限流恒压式充电机测试

带高压均衡充电的限流恒压式充电机的主要特点：

（1）主充阶段先充电至单体电压达2.45～2.47V （S2、S3）；

（2）主充阶段电流下降过程，继续充至单体电压达到2.63～2.67V（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）该类型充电机充电一般有4个阶段或5个阶段。

带高压均衡充电的限流恒压式充电机的参数和充电曲线特性：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11.6～12V/只时启动修复充电，反之不启动。

图1　常见的高压均衡限流恒压式充电机充电曲线

表1　常见的高压均衡限流恒压式充电机参数设置

以上参数可以看出该类型充电机最高充电电压可达2.63～2.67V/单体。例如，额定电压12V电池，最高电压达到15.78～16.02V/只。

对于免维护电池来说，当充电电压达到2.3～2.35V/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2.4～2.45V/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2.63～2.67V/单体时其失水的发生是持续的（尽管时间只有1～2h），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1～1.5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。

实验证实，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6～8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2　两种充电方式，实验方法对比

表3　两种充电方式，使用过程中电池容量变化记录

图2　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。

1.2无高压均衡的限流恒压式充电机测试

1.2.1无高压均衡的限流恒压式充电机主要特点：

（1）主充阶段最高电压2.45～2.47V（S2、 S3）；（2）充电曲线一般分为3段式或4段式。

1.2.2无高压均衡的限流恒压式充电机曲线、参数设置特性：

图3　无高压均衡的限流恒压式充电机——充电曲线

由以上参数可以看出，该类型充电机的最高电压在2.45～2.467V/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14.7～14.8V/只，与带高压均衡充电的限流恒压式充电机机型相比，去掉了15.78～16.02V/只这个高压阶段。

1.2.3去掉2.63～2.67V/单体的高压阶段后，充电是否可行？

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。

表4　无高压均衡的限流恒压式充电机——参数设置

第一个方面，前面已经提到免维护电池充电达到2.3～2.35V/单体时，充入电量约为80%～85%Ca，继续充电到2.4～2.45V/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1.03～1.07倍，对于新电池来说1.03～1.07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性的，至今仍是富液电池大量采用的充电方法。

图4 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30～32V，相当于电池1.25～1.33V/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，2009～2010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1.25～1.33V/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6～8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，我们就不难理解为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，对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。

1.2.4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。

1.2.4.1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5 优化的三段式限流恒压充电制度——充电曲线

1.2.4.2优化的充电曲线设计原理

（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1.7～1.75V，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。

（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；

U2：2.32～2.35V/单格，免维护电池的浮充电压，维持涓流补电，抑制失水。

（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。

（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。

（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5。

表5　循环寿命实验方法

按照以上方法，电池组有效循环次数在700～750次，测量电池的失水量不超过2.1mg/2VAh/次，以此数据为基准，按照3年使用期计算，电池单体总失水量为19.2%（加酸量2200g/单格），已接近报废极限20%这个数了。

该结果与表3的实验结果也是有对应关系的，这说明在保持免维护电池最长使用寿命期的前提下该充电制度的设计是合理的。

综上所述，优化后的三阶段限流恒压充电器有如下优点：（1）能够完全充电，且有效避免了过充、欠充问题；（2）失水量小，可最大程度延长电池使用寿命；（3）充电时间短，效率高、节能；（4）技术成熟成本低，稳定可靠。

1.3脉冲、负脉冲充电方式的充电机测试

脉冲充电器的主要特点充电是按照一定的频率间歇进行的，通过调整电流峰谷值、占空比时间的方法给电池充电，主要目的是消除极化电压，减少电池析气量，提高电池充电接受能力。

图6　典型的脉冲曲线

该技术在十几年就已出现，但目前还没有在轻型电动车辆上大规模应用，主要原因有以下几点：（1）占空比和电流峰、谷值的选择必须恰到好处，否则就会影响充电效果及充电效率。脉冲充电器使用效果不佳，绝大多数原因与此有关；（2）频率大小需经过严格计算及实验验证，否则会增加功耗；（3）控制相对复杂，可靠性要求更高；（4）成本高于较成熟的限流恒压充电器。

鉴于目前市场使用量不大的情况，这里不再详细论述。

2　结束语

轻型电动车所用的免维护电池充电制度，采用具有时间保护的三阶段限流恒压充电方式，完全可以满足使用要求，效率高且对延长使用寿命有好处；从使用可靠性上，采用三阶段限流恒压充电方式的充电器技术成熟、可靠性高、成本低；与车辆的匹配性方面，不论是开口式还是全封闭式，接口及插接件通用性高，市场好普及。

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（编辑：季晨宸）

A Study on VRLA Battery Charging For Electric Vehicle

Gao Haiyang， Zhao Zhijian
（ Shandong Shengyang Power Co.，LTD， Qufu 273100，China）

This paper mainly studied the influences of different charging modes（charging system）on the performance of the power VRLA battery charger. Through the test， it is found that the different charging systems and the reliability of the battery performance， in particular， the impact on the life of a huge. The study found that the use of the time to protect the limited current constant voltage charging， the battery charging efficiency， good reliability.It is the highest maturity of the charging method. The time protection of the current limiting constant voltage charging method has advantages ： （1） Charging efficiency meets the practical requirements.（2）The principle and manufacturing technology are mature， safe and reliable； （3）The charger and vehicle matching is good， the installation is convenient， and the general purpose is high.

electric vehicle maintenance free battery （VRLA）； light electric vehicle； charge

高海洋（1985-），男，山东曲阜，标准化工程师；研究方向：企业标准化体系管理、企业知识产权管理、阀控密封式铅酸蓄电池研发。