EFB、AGM蓄電池在混合動力汽車上的應用對比分析

易 琨

(神龍汽車有限公司技術中心， 武漢 430056)

EFB、AGM蓄電池在混合動力汽車上的應用對比分析

易 琨

(神龍汽車有限公司技術中心， 武漢 430056)

EFB蓄電池與AGM蓄電池是目前大規模應用在混合動力車型上的兩種具有怠速啟停功能和能量回收功能的鉛酸蓄電池，由于EFB蓄電池與AGM蓄電池結構形式不同，導致其應用環境和性能特性均有所不同。以12 V汽車用怠速啟停功能蓄電池為背景，對AGM蓄電池和EFB蓄電池在混合動力汽車上應用時的應用環境、性能和成本進行了對比分析。指出在混合動力汽車起動用怠速啟停蓄電池的選型設計中，要結合工作環境、成本、車型功能定位的綜合性評價，選用不同的經濟而又合理的設計形式。

EFB；AGM；怠速啟停功能；應用

隨著怠速啟停技術[1-2]和能量回收技術在混合動力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)上的廣泛應用，對車載起動型蓄電池的性能也提出了更高的要求[3-4]：蓄電池需要經常大電流狀態下放電，可以頻繁啟動發動機，而且發動機熄火后，蓄電池供給所有的用電器電力。與傳統的起動用鉛酸蓄電池相比，各個階段的充放電量均有增加；同時，要求蓄電池應具有較高的耐久性能以及更長的深放電及淺放電循環壽命。蓄電池必須大部分時間工作在部分荷電狀態(partial state of charge，PSOC)；為提高燃油效率和降低排放，必須在減速和剎車制動時利用產生的再生制動能量充電，要求在0～10 s的短時間內提高蓄電池的充電接受能力。

富液加強型蓄電池(enhanced flooded battery，EFB)和貧液閥控吸附式玻璃纖維棉隔板鉛酸蓄電池[1](absorbed glass mat，AGM)作為具有怠速啟停功能的起動型蓄電池，在混合動力汽車上都得到了廣泛應用。

本文對應用在混合動力汽車上的具有怠速啟停功能的兩種起動型蓄電池進行了對比研究。

1 EFB與AGM蓄電池概述

1) 貧液閥控吸附式玻璃纖維棉隔板鉛酸蓄電池(AGM)

AGM蓄電池，全稱為貧液閥控吸附式玻璃纖維棉隔板鉛酸蓄電池，是一種貧液電池，也是一種閥控蓄電池(valve regulated lead-acid battery,VRLAB)。它采用吸附式玻璃纖維棉(absorbed glass mat,AGM)作隔板[5-7]，電解液吸附在極板和隔板中。采取貧電液設計，電池內無流動的電解液，電池既可以立放工作，也可以臥放工作。在與EFB蓄電池同容量的情況下，有更好的低溫大電流放電性能、深放電循環壽命、充電接受能力、耐振性。

汽車用AGM蓄電池按結構類型可分為AGM平板蓄電池和AGM卷繞式蓄電池。本文提到的AGM蓄電池均為AGM平板蓄電池。

2) 富液加強型蓄電池(EFB)

EFB蓄電池是一種富液加強型鉛酸蓄電池，其“加強”主要體現在以下幾個方面：

板柵：增大極板面積；加密板柵網格，降低內阻，提高利用率；采用中極耳板柵結構，降低內阻；應用多元Pb-Ca-Sn合金，提高板柵耐腐蝕性及循環性能；采用厚鉛帶結構，提高板柵耐腐蝕性能，增加極板強度，延緩極板長高速率。

隔板：采用低內阻隔板。

配方：采用特殊低溫冷起動配方；應用新型負極添加劑，減少極板不可逆的硫酸鉛鹽化現象，提高接受能力，同時保持較低的水損耗，提高電池使用壽命。

本文第2節將以12 V蓄電池為例，對AGM蓄電池和EFB蓄電池進行應用、性能和成本等方面的對比分析與研究。

2 EFB與AGM蓄電池的對比研究

2.1AGM/EFB蓄電池結構、性能對比研究概述

EFB蓄電池內除去極板、隔膜及其他部件的剩余空隙內完全注滿電解液，電化學反應過程中電解液處于富余狀態。電化學反應生命周期中，電化學反應消耗的水非常多，在極板上部的空間內必須有電解液的存儲空間，所以不是所有的空間可用于極板布置，需要設計時下移極板位置[5,8]。

EFB蓄電池是一種富液蓄電池，極板表面與隔板空隙需要給電解液留出空間。隔板的造型保證了極板與隔板之間的必要空間和距離，但是由于長期的電化學反應(包括振動)，極板上的活性物質在電化學反應生命周期中會脫落。活性物質脫落會產生電化學老化。伴隨電解液的慢慢層化，導致電解液濃度差極化，引起自放電現象加劇。出現電解液層化時，極板下部的硫酸密度大，所以充電接受能力會下降，也導致負極板下部形成硫酸鹽化。這種狀態使充放電反應集中在極板的上部，同時也加速了正極板上部的活性物質劣化，使得蓄電池生命周期縮短，相關性能劣化。

AGM蓄電池是一種閥控蓄電池，采用玻璃纖維隔板。玻璃纖維隔板的高孔隙空隙率使隔板能夠吸附充足的電解液，同時極板內部和表面也吸附了部分電解液，AGM蓄電池融合了閥控蓄電池和EFB蓄電池的長處。AGM蓄電池的玻璃纖維隔板隔膜有10%的孔隙沒有浸潤電解液[9-11]，其作用是為孔隙為正極反應析出的氧運向負極留出通道[9-10]，這是一種貧液式設計。工作過程中，一方面，氧通過AGM隔膜上的孔隙在電池內部重組，正極析出的氧在負極重新化合，電化學反應中消耗很少的水，由于極板上部不會留出空間，所以可提升極板高度，這樣極板表面參與電化學反應的能力增強，比較同樣尺寸規格和極板數量的EFB富液蓄電池而言，冷起動性就得到了提升[5,8]。

另一方面，極板與AGM隔膜間采用緊配合裝配，AGM隔板均勻地被按壓且緊靠在極板中間，電解液灌注且填充、浸潤AGM隔板纖維，極板表面沒有多余空隙。由于采用了貧液式緊裝配[5,8]，AGM隔板直接并均勻地緊貼在極板活性物質上，使極板充分接觸電解液，保證了活性物質固定在玻璃纖維墊中間，防止了活性物質的脫落；電解液在隔板玻璃纖維中的毛細現象克服了重力影響，能在很大程度上避免蓄電池“電解液分層”[5,8]。

與EFB蓄電池相比，AGM鉛酸蓄電池在整個電化學反應生命周期內具有更高的電容量穩定性，電化學反應生命周期更長。低溫冷起動性能更可靠。

2.2AGM/EFB蓄電池尺寸、性能對比分析

表1為某蓄電池生產廠提供的AGM/EFB尺寸參數對比。

從表1可以看出：在同一產品標準和試驗標準下，同一尺寸規格的電池，一般AGM具有較高的CCA值。但是板式AGM電池由于采用貧液式設計，電池的容量受到酸量的制約，活性物質利用率不及富液電池(含EFB)。而且由于板式AGM電池采用薄極板設計，相比傳統的閥控電池活性物質利用率得到很大提升，但相比富液EFB電池仍偏低。

分析結論：同等鉛耗下，AGM電池的容量比富液EFB電池低；同等容量下，AGM電池比普通EFB電池重，成本也較高。

表1 尺寸參數對比(德國DIN標準下系列型號尺寸)

2.3AGM/EFB蓄電池基本性特能的對比分析

由于AGM蓄電池采用了密封狀態下閥控的貧液緊裝配設計形式，隔板中有10%的纖維孔隙沒有被電解液浸潤，因而電池腔內的熱傳導性能差。充電末期，正極產生的氧到達負極和負極板鉛化合的反應是放熱反應，如不及時散熱，會使電池腔體溫度上升；此時若沒有及時減小充電電壓，則充電電流短時間就會聚增，析氧速度加快，又會引起正反饋作用促使腔體溫度增高。如此惡性反復，就會引起熱失控現象[11]。

表2為AGM、EFB蓄電池各種特性對比。從對表2的分析可以得到結論：對于同一尺寸規格型號的鉛酸蓄電池，AGM蓄電池更易發生熱失控，所以充電末期限壓較EFB蓄電池低，而EFB蓄電池充電末期限壓較高且易發生電解液層化現象。綜合比較，AGM具有更好的CCA、17.5% DOD、50% DOD、水損耗特性。

表2 AGM/EFB蓄電池各種特性對比

2.4AGM/EFB蓄電池的VDA標準要求和微混合動力車用蓄電池標準要求的對比分析

對比部分產品型式試項目的VDA(Verband Der Automobilindustrie,德國汽車工業協會)標準要求[12-13]，可以得到以下分析結論：對于同一尺寸規格和容量的產品，標準對AGM蓄電池的試驗項目更多、要求更豐富；在EFB蓄電池與AGM蓄電池共有試驗項目下，對AGM蓄電池要求更高、更嚴格。這說明在同樣的應用環境下，AGM蓄電池比EFB蓄電池性能優異。

文獻[4]也進行了相似對比分析研究：以大眾電氣SLI電池標準(12 V)及福特微混合動力車用蓄電池標準為例，從50%放電深度循環壽命(40 ℃)、17.5%放電深度循環壽命(27 ℃)、水損耗(60 ℃)、啟停壽命數等方面，分析了微混合動力技術對AGM蓄電池和EFB蓄電池的性能要求差異，指出微混合動力技術對AGM蓄電池要求更高。

2.5AGM&EFB蓄電池的工作環境溫度及充電方法的對比分析

1) AGM的工作環境溫度及充電方法

① 工作環境溫度：-35 ℃～65 ℃

② 充電方法

恒壓充電：14.8 V 恒壓狀態下限0.25C20(A)；充電結束時間判定：充電末期當電流值小于0.5 A后，保持1 h；

恒流充電：用恒流 0.1C20(A)，充電時間根椐電池充電初始電壓值確定，最終電池充電完成后開路電壓要求大于13.0 V。

2) EFB的工作環境溫度及充電方法

① 工作環境溫度：-35 ℃～80 ℃

② 充電方法

恒壓充電：16.0 V恒壓狀態下限0.25C20A，當充電電流減少至接近零值，連續2～3 h不變為止；

恒流充電：用恒流0.05C20A充電至蓄電池端電壓為14.4 V，再繼續充電2～3 h左右；

分析結論：AGM由于容易發生熱失控導致工作環境溫度范圍較窄，充電末期控制限壓值較EFB低。

2.6AGM/EFB蓄電池在同容量和尺寸規格下的生產成本對比分析(以70 Ah為例)

1) 鉛成本：EFB蓄電池鉛耗少；AGM蓄電池鉛耗較EFB蓄電池高5%～10%。

2) 隔板成本：EFB蓄電池為PE隔板；AGM蓄電池為吸附式玻璃纖維棉隔板，成本較PE隔板高50%～80%。

3) 殼蓋閥成本：EFB蓄電池為進口殼蓋閥，PP塑料；AGM蓄電池為進口殼蓋閥，特殊PP料，專利結構，成本高100%～130%。

4) 極板加工成本：EFB蓄電池為進口殼蓋閥，PP塑料；AGM蓄電池為進口殼蓋閥，特殊PP料，專利結構，成本高100%～130%。

5) 組裝成本：EFB蓄電池為拉網板柵；AGM蓄電池為重力澆鑄板柵，成本高50%～70%

6) 后處理及包裝成本：EFB蓄電池為全自動化進口后處理線；AGM蓄電池為全自動化進口后處理線，包裝線，成本高5%～15%。

綜合評定結論：綜合分析材料及生產工藝的差別，AGM蓄電池工藝更復雜，AGM蓄電池生產成本比EFB高約20%～50%。

2.7AGM/EFB蓄電池在混合動力汽車怠速啟停、能量回收方面的應用對比分析

混合動力汽車怠速啟停、能量回收的控制策略[14-16]均要求在蓄電池狀態的準確估算條件下進行控制判斷，涉及荷電狀態SOC、功能狀態SOF、健康狀態SOH(包括蓄電池能提供的最低啟動電壓)；SOC-State of Charge、SOF-State of Function 、SOH-State of Health[14-16]。在行駛過程中，大多數混合動力汽車上的電池管理系統(battery manegement system,BMS)會對蓄電池電量傳感器的蓄電池狀態的估算值條件[14-16]進行控制策略判斷。蓄電池狀態的估算不準確會導致控制策略失敗。

文獻[17]闡述了混合動力汽車車輛上裝有的BMS(電池管理系統)需要準確的開路電壓(open circuit voltage，OCV)值來計算和預測SOC和SOH。怠速啟停蓄電池在怠速啟停及能量回收狀態下的充放電量與傳統富液電池相比有了大幅度的增加，會產生部分荷電狀態(PSOC)。EFB蓄電池的電解液在這種狀態下會發生層化，由于電解液有濃度差，OCV值不準確，依據OCV值估算蓄電池狀態的效果差，因此EFB適用于沒有智能充電管理的帶啟停功能的車型，但此時AGM電池卻不受限制。

文獻[17]還認為，EFB蓄電池應用于能量回收率低的低要求啟停功能的車型，AGM電池適用于能量回收功能率高的高要求的先進啟停功能的車型。

2.8AGM/EFB蓄電池的江森技術對比分析觀點

文獻[17]引述了以傳統富液起動型蓄電池為基準，對江森EFB蓄電池與AGM蓄電池在能量回收、冷起動能力、正負極板柵、循環耐久性、充電接受能力等方面進行對比分析，陳述了江森的技術觀點：EFB蓄電池是定位在普通富液起動蓄電池(FB)與AGM蓄電池之間的一種過渡產品。

3 結束語

從上述論述與對比分析可以看出：對于同一尺寸規格型號的鉛酸蓄電池，在相同容量規格的情況下，AGM蓄電池比EFB蓄電池性能更優異，但是AGM蓄電池較EFB蓄電池成本更高，適用工作環境溫度范圍較EFB蓄電池窄，且AGM蓄電池容易發生熱失控，因此限制了AGM蓄電池的應用環境。在混合動力汽車上應用時，EFB蓄電池適用于沒有智能充電管理的帶啟停功能的車型；AGM適用于帶智能充電管理的帶啟停功能的先進車型。對于能量回收，AGM蓄電池較EFB蓄電池功能優異，且更為節油。所以，AGM蓄電池將是未來混合動力汽車啟停系統的發展主流。但按照江森的技術觀點，EFB蓄電池是定位于普通富液起動電池(FB)與AGM蓄電池之間的一種產品，具有經濟性。

因此，在混合動力汽車起動用怠速啟停蓄電池的選型設計中，要結合工作環境、成本、車型功能定位的綜合性評價選用經濟又合理的設計形式。

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(責任編輯陳 艷)

ComparisonandAnalysisofApplicationinHybridElectricVehicleofEFBandAGMBattery

YI Kun

(R&D Center of Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co., Ltd.， Wuhan 430056， China)

EFB and AGM are two kinds of battery lead-acid battery with idle start stop function and energy recovery function, which have been large-scale applied in the hybrid electric vehicles. Because of different structures, it results that their application environment and characteristics of performance are different. Based on 12 V automobile battery of idle start and stop function, the application environment and performance & cost of AGM and EFB batteries in the hybrid electric vehicles were compared and analyzed. According to comprehensive evaluation of the working environment, cost and functional orientation of the Hybrid Electric Vehicles, it is pointed out that different economic and reasonable form of design is selected in the design of the starting battery of the idle start and stop function.

EFB; AGM; stop and start function; application

2017-06-21

易琨(1976—)，男，湖北武漢人，碩士，高級工程師，主要從事試驗分析與測試工作，E-mail：1164808794@qq.com。

易琨.EFB、AGM蓄電池在混合動力汽車上的應用對比分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(10):50-55.

formatYI Kun.Comparison and Analysis of Application in Hybrid Electric Vehicle of EFB and AGM Battery[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):50-55.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.008

TM912.1;U463.633

A

1674-8425(2017)10-0050-06