高性能蓄電池研究與應(yīng)用

王宜海

高性能蓄電池研究與應(yīng)用

王宜海

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

對(duì)蓄電池在低溫下的供電能力影響因素進(jìn)行分析，改進(jìn)蓄電池的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證，提高同等容量下的蓄電池性能，達(dá)到輕量化和降成本的目的，節(jié)能降耗。

蓄電池；極板；容量；低溫起動(dòng)電流

前言

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，車載功能越來(lái)越多功率也是逐步提升，導(dǎo)致對(duì)汽車電源系統(tǒng)的性能有著更高要求，目前普通情況下蓄電池現(xiàn)有的性能已經(jīng)可以滿足車輛越來(lái)越高的使用要求，但在-29℃、-41℃等低溫環(huán)境下使用，仍然有一定技術(shù)挑戰(zhàn)。因在低溫環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩，起動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻都會(huì)增大，故起動(dòng)的環(huán)境溫度越低，整車起動(dòng)也越困難，所需要蓄電池提供的起動(dòng)電流也越大，電源起動(dòng)系統(tǒng)故障率也越高。并且普通蓄電池在低溫環(huán)境下衰減比較嚴(yán)重，大概為CCA(-41℃）=0.6CCA(-18℃）， CCA(-29℃）=0.8CCA(-18℃），研究高性能蓄電池可以彌補(bǔ)普通蓄電池在低溫環(huán)境下衰減嚴(yán)重的缺點(diǎn)。

為了準(zhǔn)確的匹配設(shè)計(jì)起動(dòng)性能和溫度的關(guān)系，滿足客戶正常使用要求，需要對(duì)車輛電源系統(tǒng)在低溫環(huán)境下做進(jìn)一步的性能提升。

1 高性能蓄電池理論分析

1.1 蓄電池充放電原理

蓄電池的主要作用是為起動(dòng)機(jī)提供足夠的起動(dòng)電流，以保證整車能夠正常起動(dòng)，其次，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后，蓄電池還起到平衡整車電器負(fù)載的作用，其在整車電源系統(tǒng)中具備的電氣關(guān)系如下圖所示：

圖1 蓄電池電氣關(guān)系圖

正極反應(yīng)：PbO２＋HSO4－＋3H+＋2e PbSO4＋2H２O

負(fù)極反應(yīng)：Pb＋HSO4－－2e PbSO4＋H+

放電：H2SO4濃度下降，正極上的PbSO4增加，內(nèi)阻增大，電解液密度下降。

充電：電解液密度增加，內(nèi)阻減小，電池電壓升高，充電后期由于水的電解，將有大量氣泡產(chǎn)生。

1. 2 溫度對(duì)蓄電池性能的影響

溫度對(duì)于鉛酸蓄電池有些非常嚴(yán)重的影響：a、溫度過低鉛酸蓄電池極化大，電池充電放電能力隨著問題降低而降低；b、蓄電池容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減少；c、蓄電池溫度越低，電池內(nèi)阻越大，所能提供的起動(dòng)電流越??；d、蓄電池容量低導(dǎo)致密度低，在極低溫度情況下蓄電池內(nèi)部容易結(jié)冰。蓄電池在不同溫度下開路電壓與容量變化如下圖所示。

圖2 不同溫度下開路電壓SOC變化曲線圖

1.3 高性能蓄電池理論計(jì)算

1.3.1 高性能蓄電池容量計(jì)算

極板3.5mm以下厚度的起動(dòng)型涂膏式蓄電池容量計(jì)算公式：

式中 C——極板容量（A·h）

b——極板寬度（cm）

h——極板高度（cm）

δ——極板厚度（cm）

單位用mm時(shí)，公式中的常數(shù)為4.87×10-4。

1.3.2 板柵設(shè)計(jì)參數(shù)

任何用途的鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)都必須在正、負(fù)極活性物質(zhì)、電解液、板柵體積或質(zhì)量之間作出分配和平衡。由于正極板柵有氧化腐蝕問題存在，因此設(shè)計(jì)正極板柵時(shí)要考慮：比質(zhì)量、比體積比質(zhì)量是指板柵、活性物質(zhì)每安時(shí)所需要的質(zhì)量；比體積是指每安時(shí)所需電解液的體積。

各蓄電池供應(yīng)商對(duì)汽車型鉛酸蓄電池使用的板柵的比質(zhì)量如表1：

表1 蓄電池板柵的比質(zhì)量

活性物質(zhì)質(zhì)量與板柵質(zhì)量的比例，作為設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2。

表2 活性物質(zhì)與板柵質(zhì)量比

板柵的作用是固定鉛膏，其本身并不產(chǎn)生電流，發(fā)展趨勢(shì)是減輕其在電池中所占的比例，而仍保持電池容量和壽命性能，電池質(zhì)量則輕。

1.3.3 高性能蓄電池結(jié)構(gòu)、參數(shù)

高性能蓄電池結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 高性能蓄電池結(jié)構(gòu)圖

高性能蓄電池參數(shù)如表3所示：

表3 高性能蓄電池參數(shù)表

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

寒帶試驗(yàn)驗(yàn)證：為了驗(yàn)證高性能蓄電池低溫起動(dòng)性能能否滿足整車在寒帶地區(qū)的低溫起動(dòng)需求，在2017年冬季搭載高性能蓄電池的某輕型車到東北黑河地區(qū)做寒帶起動(dòng)性能標(biāo)定，結(jié)果如圖5，一只高性能蓄電池起動(dòng)時(shí)間和最低電壓均優(yōu)于2只并聯(lián)的普通電池。

圖4 高性能蓄電池冷起動(dòng)性能

3 應(yīng)用效果

開發(fā)100Ah高性能蓄電池，用1只100Ah高性能蓄電池替換2只普通的80Ah蓄電池，重量降低26公斤，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的，并降低成本，節(jié)能增效。因節(jié)能增效效果顯著，高性能蓄電池研究項(xiàng)目被授予安徽省重大合理化建議和技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目。

4 結(jié)束語(yǔ)

高性能蓄電池已經(jīng)成功通過-25℃環(huán)境倉(cāng)驗(yàn)證和黑河寒帶整車?yán)淦饎?dòng)驗(yàn)證，車輛冷起動(dòng)性能合格，同等性能的前提下，蓄電池降重≥10%，同等容量的前提下CCA提升≥20%，是蓄電池優(yōu)化的方向。

[1] 孔爭(zhēng).鉛酸蓄電池放電容量特性分析.通信電源技術(shù),2017,(34): 108-110.

[2] 李國(guó)強(qiáng).鉛酸蓄電池研究的國(guó)內(nèi)外研究綜述.山東工業(yè)技術(shù),2017, (24):53-54.

[3] 孔偉偉.汽車蓄電池管理方法的研究.汽車工程,2015,(37):33-36.

Research and Application of High Performance Battery

Wang Yihai

（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The factors affecting the power supply ability of the battery at low temperature are analyzed, the structure of the battery is improved, and the performance of the battery at the same capacity is improved after calculation and test, so as to achieve the purpose of lightening and reducing costs, saving energy and reducing consumption.

Battery;Polar plate;Capacity;CCA

U463.63+6

A

1671-7988(2019)13-171-03

U463.63+6

A

1671-7988(2019)13-171-03

王宜海（1973.3-），男，電器設(shè)計(jì)專家，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，從事汽車電氣系統(tǒng)研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.056