商用車起動用EFB電池的設計

孫言行,鄧 亮,謝曉東,曹云鵬

（陜西凌云蓄電池有限公司,陜西 寶雞 721304）

商用車電池的主要功能是為車輛的起動、點火和照明提供電能[1-2]。近年來,為提高司乘人員的舒適性,商用車逐漸開始在發動機停止工作后采用車載起動用電池為空調、電磁爐、電熱毯等車載電器供電,以降低燃油消耗和運行成本。由于常規的起動用電池主要是按GB/T 5008.1-2013《起動用鉛酸蓄電池第1部分:技術條件和試驗方法》[3]要求來設計的,當增加對駐車空調等電器的供電要求后,長壽命耐振動（B類）電池僅能使用約90 d,實際使用效果不理想。

本文作者在常規富液式起動用免維護電池技術的基礎上,進行增強富液式電池（EFB）設計,以期在保持電池高功率起動性能的前提下,提升循環耐久性能。

1 實驗

1.1 樣品制作

1.1.1 電池容量及外形尺寸的確定

本文作者由市場調研得知,車載空調每天的用電量約為103 Ah。即在開機時,電池以30 A放電0.5 h;駕駛室的溫度達到預定值后,再以16 A放電5.5 h。按50%以內的放電深度（DOD）考慮,待設計電池的額定容量應有220 Ah。

樣品型號暫定為6-QWD-220（1300）,其中QW代表起動用無需維護;為區分常規起動用電池,借用動力電池命名中的“D”;考慮到電池50% DOD放電后的起動要求,將-18℃起動電流（Icc）確定為1 300 A。考慮到安裝過程的通用性,采用常規富液式免維護起動用聚丙烯（PP）電池槽,外形尺寸為長520 mm、寬 260 mm,槽高212mm。

1.1.2 板柵

根據免維護電池的設計經驗,正負極板柵采用PbCaSnAl合金（湖北產）,其中正極為低鈣高錫合金、負極為高鈣低錫合金。考慮到電池的大電流起動性能要求,采用放射狀板柵筋條,以提高導電性能與活性物質利用效率。采用連續沖孔工藝或鑄造工藝制作板柵,均是先將鉛合金在500℃熔化。連續沖孔工藝先澆鑄20mm厚的坯帶,再七級冷軋制成相應厚度鉛帶,最后用沖網機（江蘇產,速度30 m/min）連續沖孔制成板柵;澆鑄工藝用鑄板機（重慶產,速度17片/min）將鉛液澆鑄至板柵模具（溫度160℃）中制成板柵。

1.1.3 鉛粉

采用一級電解鉛（陜西產,99.994%）,用SF-28LS型島津式鉛粉機（宜興產,滾筒溫度180℃）制作鉛粉。氧化度75.0%,視密度3.0 g/cm3。

1.1.4 正極鉛膏

正極鉛膏的活性物質的利用率按45%確定,和膏用51%硫酸溶液（陜西產,AR）的添加量為常規起動用電池的85%,并且添加1.00%的四堿式硫酸鉛（4BS,美國產,PN20型）、0.50%的過硼酸鈉（NaBO3·4H2O,山東產,99.0%）和0.10%的超細聚酯短纖維（山東產,細度0.5丹尼爾,長度3 mm）。

1.1.5 負極鉛膏

負極鉛膏的活性物質利用率設為60%,和膏用硫酸的添加量為常規起動用電池的65%[4]。負極膨脹劑在常規起動用電池的基礎上,再添加0.5%的炭黑（河北產,PBX135型）。

1.1.6 涂板紙

由于連續沖孔板柵制作的極板采用堆摞的方式進行固化,為防止鉛膏的粘連,涂板時在極板表面涂覆玻璃纖維涂板紙（0.2 mm厚,江蘇產）或木漿纖維涂板紙（12.5 g,浙江產）。其中玻纖涂板紙在電池化成過程中不會離散,可長期包裹在極板表面,防止鉛膏脫落。

1.1.7 裝配及化成

將正極板、負極板和聚乙烯（PE）隔板（河北產）,按包封配組、全自動鑄焊、穿壁焊、熱封、端子燒焊和氣密性檢測等工藝進行裝配。采用二次注酸電池化成工藝,即先加入密度為1.1 g/cm3的硫酸,用MC-3000GH-60A-320V型化成電源（江蘇產）,先以12 mA/cm2的電流密度充電5 h,再依次以8mA/cm2、4mA/cm2的電流密度充電6 h;化成結束后,將電解液密度調整為（1.275±0.005）g/cm3（15℃）。

1.2 零部件及電池的測試方法

1.2.1 板柵耐腐蝕性能測試

將板柵以8 mA/cm2的表觀電流密度進行恒流腐蝕,每連續充電168 h為一個周期,每個周期充電結束后,用自制糖堿溶液[5]清洗板柵表面的氧化物,目視觀察板柵的外觀。

1.2.2 電池基本性能測試

參照GB/T 5008.1-2013對B類微水損耗電池的要求,用BTS600電池測試系統（青島產）進行20 h率容量、儲備容量、-18℃低溫起動能力、荷電保持能力、水損耗、充電接受能力和循環耐久Ⅱ等指標的測試。

1.2.3 耐振動性能測試

在（25±2）℃下,將完全充電的電池固定在試驗臺上,用頻率（22±2）Hz、最大加速度58.8 m/s2的簡諧振動參數垂直振動20 h,振動結束4 h內,在（25±2）℃下以 1 IccA的電流放電30 s,端電壓不低于7.20 V。

1.2.4 40℃50% DOD循環耐久能力

參照JB/T 12666-2016《起停用鉛酸蓄電池技術條件》[6]的要求,將完全充電的電池在（40±2）℃的恒溫水浴槽內進行循環:①以5 In（額定20 h率容量的1/20）A的電流放電2 h,若電池端電壓低于10.00 V,實驗終止,否則繼續;②立即以恒壓（15.60±0.05）V、限流5 InA充電5 h。

2 結果與討論

2.1 成型工藝對板柵耐腐蝕性能的影響

對尺寸和材料相同,厚度分別為1.7 mm和1.0 mm,單片質量分別為65 g和48 g的鑄造板柵和連續沖孔板柵進行耐腐蝕性能測試。

鑄造板柵在兩個周期的腐蝕后,出現筋條及邊框斷裂的現象;連續沖孔板柵的腐蝕較均勻,隨著腐蝕的進行,筋條及邊框越來越細,在5個周期的腐蝕后,才出現筋條和邊框斷裂的現象。這是由于鑄造板柵存在晶間裂隙,在恒流腐蝕過程中腐蝕斷裂;而連續沖孔板柵制造時經過了七級冷軋,徹底消除了晶間裂隙,耐腐蝕性能提高。

2.2 涂板紙對正極鉛膏固化的影響

將玻纖涂板紙和木漿纖維涂板紙所制作的正極板在同等條件下固化后,進行殘余鉛含量測試,發現:玻纖涂板紙鉛膏中殘余金屬鉛的含量比木漿纖維涂板紙低1%左右。這可能是由于玻璃纖維透氣性好,在極板固化過程中可增加氧氣向堆摞極板內部擴散的速度,加速了鉛膏氧化。

2.3 電池性能測試結果

2.3.1 電池基本性能測試結果

電池基本性能測試結果見表1。

從表1可知,電池性能均達到了預定要求。以儲備容量計算的電池比能量達到47.7W·h/kg（電池質量為57 kg）;采用連續沖孔、放射狀筋條的板柵,降低了電池的內阻,樣品的-18℃低溫起動電流達到1 300 A以上,超出1 000 A的要求[3];對負極鉛膏中炭黑和硫酸添加量進行優化,電池的充電接受能力達到了4.28倍I0（實際20 h率容量的1/10）,超出2倍的要求[3],為實際使用過程中電池的回充性能、防止負極鉛膏的硫酸鹽化奠定了良好的基礎;電池循環耐久Ⅱ達到8個循環周期,超過相關標準[3]要求的5個周期;電池40℃50% DOD循環耐久能力達到279次,超過了標準[6]要求的120次。以上結果說明,該電池設計和制作工藝對提高循環耐久性能是有效的。

表1 電池基本性能測試結果 Table 1 The testing results of battery basic performance

2.3.2 電池耐振動性能分析

電池經22 Hz、58.8m/s2、20 h的加強振動后,性能正常,說明該結構設計可以滿足商用車在極端路況的使用要求。

2.3.3 電池循環耐久Ⅱ失效模式分析

在循環耐久Ⅱ測試過程中,各循環周期中采用“以5 In放電至10.0 V”檢查得到的放電時間見圖1。

圖1 循環耐久Ⅱ測試時容量檢查的放電時間Fig.1 Discharge time of the capacity check during cycle endurance Ⅱ test

從圖1可知,經過8個周期的循環后,電池容量檢測過程的放電時間仍有2.70 h,超出了2 h的要求[3],說明極板和隔板的性能基本完好,極板的放電能力沒有衰減。此外,在第9個循環周期測試時,電池溫度達到75℃,出現了熱失控,實驗終止。分析可知,循環耐久Ⅱ測試采用了過充電循環模式,即循環過程充入的電量大于放出的電量,前8個循環周期的總充電與總放電容量之差為3 266 Ah。若不考慮板柵的腐蝕和氧循環過程的電量消耗,3 266 Ah的充電量將造成1 097 g的水電解。

解剖失效的電池發現,單格的實際失水量在870 g左右,電池已失水35%,板柵、極板和的隔板外觀狀態正常,電池失效是由于失水所造成的。

2.3.4 電池40℃50% DOD循環耐久能力失效模式分析

在40℃50% DOD循環過程中,各循環放電結束時電池的端電壓如圖2所示。

從圖2可知,在前15次循環過程中,電池的放電電壓持續降低,最低達11.54 V,可能與化成過程中活性物質的轉化效率有關。隨著循環的進行,電池內的活性物質得到充分活化,放電電壓持續上升,在第209次循環時的端電壓達到最高值11.80 V,之后逐步下降,在第270次循環后,又出現了一定的上升,可能是失效前電池內阻增加,內部溫度升高所致。在第280次循環時,電池因放電電壓突然下降至9.50 V而失效。實驗結束解剖發現:電池電解液液面高度仍保持在極板以上,正極板表面鉛膏軟化,板柵內部的細筋條嚴重腐蝕,鉛膏脫落引起短路是電池失效的主要因素。

圖2 40℃50% DOD循環過程放電結束時的端電壓Fig.2 Terminal voltage at the end of discharge at 40℃and 50% DOD cycle process

3 結論

本文作者設計的6-QWD-220（1300）型商用車起動用EFB電池,采用連續沖孔板柵、放射狀板柵筋條、玻璃纖維涂板紙、超細聚酯纖維正極添加劑,以及優化的負極炭黑和鉛膏硫酸添加量等技術,-18℃低溫起動電流達到1 300 A（高于標準要求的1 000 A）、充電接受能力達到4.28倍I0（高于標準要求的2倍）、比能量達到47.7W·h/kg。電池在 40℃50% DOD條件下的循環次數可達到279次（高于標準要求的120次）,說明具備了一定的中等放電深度使用功能。