车用铅酸蓄电池通气孔漏液探究

周耀华，刘万里，莫丙达，陈建明

广汽本田汽车有限公司技术部，广东广州 510700

0 引言

铅酸蓄电池作为低压供电系统的核心部件，一旦发生漏液，轻则造成电池短路缩短使用寿命，用电负载无法正常使用；重则腐蚀邻近零部件及线束，产生安全隐患。因此本文重点探究蓄电池漏液的发生机制及相关影响因素，并提出针对性的改善措施。研究结果对提高蓄电池使用寿命、保证车辆电气系统工作的稳定性具有重要的指导意义。

1 蓄电池漏液原因及对策

铅酸蓄电池在工作过程中，将不可避免发生附加多余反应，而电解水则是最主要的副反应之一，其反应过程[1-2]:

H2O→2H2↑+O2↑

(1)

电解水过程将产生大量气体，造成电池内压增大。同时，气体附着在极板表面，造成电解液面上升，气液分离路径将缩短，电解液酸雾在内压作用下将向大气释放[3]。酸雾排出过多将造成漏液问题。因此本文认为可使电解液面大幅上升、气液分离路径变短的所有相关因素，均为导致漏液的诱因。

漏液可分为通气孔漏液和密封连接漏液。密封连接漏液主要是生产制造问题导致[4],但对于通气孔漏液问题的研究文献较少，因此本文重点对通气孔漏液问题产生的原因及对策开展相关的探究。

整车使用工况是多种因素的复合作用，结合车辆的使用特性与电池的使用环境推断，导致通气孔漏液的因素主要有：启动时的荷电状态(SOC)、环境温度、车身振动、充放电逻辑、气液分离结构，本文将从这5个方面因素进行确认。

1.1 启动时荷电状态的影响

由于车辆暗电流影响或熄火后仍使用用电负载，蓄电池荷电状态会降低。

本次试验将对蓄电池在不同初始SOC下的液位上升情况进行确认。测试条件：先在60 ℃环境下放置12 h后，以恒定14.5 V(最大50 A)的电压进行充电，充电时长为2 h。

不同SOC下液位测试结果见表1。由表可知，初始SOC为25%时，充电过程电解液温度上升了3 ℃，液位上升了12 mm；当初始SOC为75%时，整个过程温度没有发生变化，液位只上升了10 mm。由此可知，启动时的蓄电池初始SOC越低(电量越小)，越容易导致液位上升。

表1 不同SOC下液位测试结果

在SOC较低时，为防止蓄电池亏电， ECU必须要求发电机向蓄电池大电流快速充电，导致电解水反应较为剧烈。因此，为减少SOC对蓄电池漏液的影响，可通过设计方面降低暗电流，以及尽量避免熄火后使用用电负载，特别是加改装的负载等。

1.2 环境温度的影响

各车型发动机舱内冷却系统布局差异较大，使得蓄电池的工作环境各不相同。一般情况下，传统燃油车热车跑行后机舱内温度为40～100 ℃。

本次试验将探究不同环境温度对液位的影响。测试条件：选择初始SOC为50%的电池，分别放置在40、60和80 ℃的环境下适应12 h后，以恒定14.5 V(最大50 A)的电压进行充电，充电时长为2 h。

通过测试可知，随着工作环境温度从40 ℃上升到80 ℃，蓄电池液位上升就越大。不同环境温度下液位测试结果见表2。

表2 不同环境温度下液位测试结果

综上分析可知，正确合理设计蓄电池的摆放位置和机舱内冷却系统的总体布局，可直接降低蓄电池工作温度，减轻漏液风险。

1.3 车身振动的影响

铅酸蓄电池通过托架与车身刚性连接，并跟随车身运动。车辆在行驶过程中，不可避免产生各种振动。此时电解液将跟随发生涌动，特别是经过恶劣路面、急加减速或大幅度转弯侧倾时涌动更明显。电解液涌动震荡将附着在通气孔附近，最终在内压作用下发生泄漏。因此可通过改善整车底盘滤振效果从而避免电池发生漏液，当然这种改善需要结合成本综合考虑。

1.4 充放电逻辑的影响

根据电解水反应方程式可知，电流越大，电解反应越剧烈，气体产生速率越快，液位升高越显著。蓄电池充放电电流的控制，实质是发电机工作状态的控制。发电机典型工作状态主要有持续小电流发电和间歇性发电两种，如图1和图2所示。

图1 持续小电流发电状态

图2 间歇性发电状态

表3列出了持续小电流发电和间歇性发电两种工作状态的优缺点，实际工况均为这两种工况的组合。

表3 两种工作状态的优缺点

为了比较这两种典型工况对漏液的影响，本文选取了状态一致的铅酸蓄电池分别进行了两组对比试验。充电试验条件差异对比如图3所示，其他测试条件一致，其中SOC为90%，环境温度为60 ℃，试验时长为2 h。

图3 充电试验条件差异对比

发电机不同工作状态对液位的影响如图4所示。

图4 发电机不同工作状态对液位的影响

对于持续小电流发电状态，用电负载电源由发电机持续稳定供给，蓄电池处于不工作状态，因此充放电电流较小。此时电解水反应较为平缓，气体产生量不大，液位上升不明显。

对于充放电交替进行的模式，在发电机不工作时，用电负载电源由蓄电池供给。蓄电池持续消耗电量，放电电流大，容易亏电。为避免亏电发生，需要快速、间歇性地恢复电量，因此充电电流较大。电解水反应剧烈，气体产量增大，液位上升明显。

因此，应适当优化充放电控制逻辑，以达到发动机输出功率、用电负载耗电量、电池性能要求以及成本之间的平衡。

1.5 气液分离结构的影响

气液分离结构蓄电池主要有液口栓结构和双盖结构两种，如图5和图6所示。

图5 液口栓结构蓄电池

图6 双盖结构蓄电池

采用液口栓结构的蓄电池，气液分离结构设置在栓体内部，通气孔设在栓体顶端，结构简单、便宜且容易维护，气液分离能力受液位高度和栓体自身长度影响。而采用双盖结构的蓄电池，气液分离结构设在双盖内部，气体通过较长且迂回复杂的流道后，从盖体两侧通气孔排出。该结构气液分离能力不受液位变化影响，但成本较高。

为验证这两种结构对漏液的影响，试验采用2个不同液口栓长度的蓄电池和1个采用双盖结构的蓄电池进行测试。测试条件采用图3b的模式进行。不同气液分离结构对漏液的影响结果见表4，测试后电池内部情况如图7所示。

表4 不同气液分离结构对漏液的影响结果

图7 测试后电池内部情况

采用较短的液口栓更能防止漏液发生。这是因为栓体越长，其下端与液面距离越短。随着工作过程液位上升，液口栓底部被浸没，气液分离能力下降。酸雾中的液体无法完全分离，在内压作用下，从通气孔排出，造成漏液。

对于双盖结构的蓄电池，气液分离采用迂回式复杂结构，不受液位变化影响，酸雾中的液体有效分离并回流到壳体内，因此防漏液能力较好。

2 结束语

车用铅酸蓄电池漏液问题，不仅影响电池使用性能，还会造成低压供电系统的不稳定，最终导致汽车部分功能与配置无法正常工作。本文基于充放电测试，验证了蓄电池通气孔漏液与启动时SOC、环境温度、车身振动、充放电逻辑、气液分离结构有关，并提出了针对性的改善措施。当然，实车工况为多要素的组合作用，因此要综合考虑。

为提高安全性和可靠性，除了必须提高蓄电池的加工工艺外，还需结合车辆的使用特性与电池的使用环境综合判断。