車用鉛酸蓄電池通氣孔漏液探究

周耀華，劉萬里，莫丙達(dá)，陳建明

廣汽本田汽車有限公司技術(shù)部，廣東廣州 510700

0 引言

鉛酸蓄電池作為低壓供電系統(tǒng)的核心部件，一旦發(fā)生漏液，輕則造成電池短路縮短使用壽命，用電負(fù)載無法正常使用；重則腐蝕鄰近零部件及線束，產(chǎn)生安全隱患。因此本文重點(diǎn)探究蓄電池漏液的發(fā)生機(jī)制及相關(guān)影響因素，并提出針對性的改善措施。研究結(jié)果對提高蓄電池使用壽命、保證車輛電氣系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。

1 蓄電池漏液原因及對策

鉛酸蓄電池在工作過程中，將不可避免發(fā)生附加多余反應(yīng)，而電解水則是最主要的副反應(yīng)之一，其反應(yīng)過程[1-2]:

H2O→2H2↑+O2↑

(1)

電解水過程將產(chǎn)生大量氣體，造成電池內(nèi)壓增大。同時(shí)，氣體附著在極板表面，造成電解液面上升，氣液分離路徑將縮短，電解液酸霧在內(nèi)壓作用下將向大氣釋放[3]。酸霧排出過多將造成漏液問題。因此本文認(rèn)為可使電解液面大幅上升、氣液分離路徑變短的所有相關(guān)因素，均為導(dǎo)致漏液的誘因。

漏液可分為通氣孔漏液和密封連接漏液。密封連接漏液主要是生產(chǎn)制造問題導(dǎo)致[4],但對于通氣孔漏液問題的研究文獻(xiàn)較少，因此本文重點(diǎn)對通氣孔漏液問題產(chǎn)生的原因及對策開展相關(guān)的探究。

整車使用工況是多種因素的復(fù)合作用，結(jié)合車輛的使用特性與電池的使用環(huán)境推斷，導(dǎo)致通氣孔漏液的因素主要有：啟動(dòng)時(shí)的荷電狀態(tài)(SOC)、環(huán)境溫度、車身振動(dòng)、充放電邏輯、氣液分離結(jié)構(gòu)，本文將從這5個(gè)方面因素進(jìn)行確認(rèn)。

1.1 啟動(dòng)時(shí)荷電狀態(tài)的影響

由于車輛暗電流影響或熄火后仍使用用電負(fù)載，蓄電池荷電狀態(tài)會(huì)降低。

本次試驗(yàn)將對蓄電池在不同初始SOC下的液位上升情況進(jìn)行確認(rèn)。測試條件：先在60 ℃環(huán)境下放置12 h后，以恒定14.5 V(最大50 A)的電壓進(jìn)行充電，充電時(shí)長為2 h。

不同SOC下液位測試結(jié)果見表1。由表可知，初始SOC為25%時(shí)，充電過程電解液溫度上升了3 ℃，液位上升了12 mm；當(dāng)初始SOC為75%時(shí)，整個(gè)過程溫度沒有發(fā)生變化，液位只上升了10 mm。由此可知，啟動(dòng)時(shí)的蓄電池初始SOC越低(電量越小)，越容易導(dǎo)致液位上升。

表1 不同SOC下液位測試結(jié)果

在SOC較低時(shí)，為防止蓄電池虧電， ECU必須要求發(fā)電機(jī)向蓄電池大電流快速充電，導(dǎo)致電解水反應(yīng)較為劇烈。因此，為減少SOC對蓄電池漏液的影響，可通過設(shè)計(jì)方面降低暗電流，以及盡量避免熄火后使用用電負(fù)載，特別是加改裝的負(fù)載等。

1.2 環(huán)境溫度的影響

各車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)布局差異較大，使得蓄電池的工作環(huán)境各不相同。一般情況下，傳統(tǒng)燃油車熱車跑行后機(jī)艙內(nèi)溫度為40～100 ℃。

本次試驗(yàn)將探究不同環(huán)境溫度對液位的影響。測試條件：選擇初始SOC為50%的電池，分別放置在40、60和80 ℃的環(huán)境下適應(yīng)12 h后，以恒定14.5 V(最大50 A)的電壓進(jìn)行充電，充電時(shí)長為2 h。

通過測試可知，隨著工作環(huán)境溫度從40 ℃上升到80 ℃，蓄電池液位上升就越大。不同環(huán)境溫度下液位測試結(jié)果見表2。

表2 不同環(huán)境溫度下液位測試結(jié)果

綜上分析可知，正確合理設(shè)計(jì)蓄電池的擺放位置和機(jī)艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)的總體布局，可直接降低蓄電池工作溫度，減輕漏液風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 車身振動(dòng)的影響

鉛酸蓄電池通過托架與車身剛性連接，并跟隨車身運(yùn)動(dòng)。車輛在行駛過程中，不可避免產(chǎn)生各種振動(dòng)。此時(shí)電解液將跟隨發(fā)生涌動(dòng)，特別是經(jīng)過惡劣路面、急加減速或大幅度轉(zhuǎn)彎側(cè)傾時(shí)涌動(dòng)更明顯。電解液涌動(dòng)震蕩將附著在通氣孔附近，最終在內(nèi)壓作用下發(fā)生泄漏。因此可通過改善整車底盤濾振效果從而避免電池發(fā)生漏液，當(dāng)然這種改善需要結(jié)合成本綜合考慮。

1.4 充放電邏輯的影響

根據(jù)電解水反應(yīng)方程式可知，電流越大，電解反應(yīng)越劇烈，氣體產(chǎn)生速率越快，液位升高越顯著。蓄電池充放電電流的控制，實(shí)質(zhì)是發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的控制。發(fā)電機(jī)典型工作狀態(tài)主要有持續(xù)小電流發(fā)電和間歇性發(fā)電兩種，如圖1和圖2所示。

圖1 持續(xù)小電流發(fā)電狀態(tài)

圖2 間歇性發(fā)電狀態(tài)

表3列出了持續(xù)小電流發(fā)電和間歇性發(fā)電兩種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際工況均為這兩種工況的組合。

表3 兩種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)

為了比較這兩種典型工況對漏液的影響，本文選取了狀態(tài)一致的鉛酸蓄電池分別進(jìn)行了兩組對比試驗(yàn)。充電試驗(yàn)條件差異對比如圖3所示，其他測試條件一致，其中SOC為90%，環(huán)境溫度為60 ℃，試驗(yàn)時(shí)長為2 h。

圖3 充電試驗(yàn)條件差異對比

發(fā)電機(jī)不同工作狀態(tài)對液位的影響如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)不同工作狀態(tài)對液位的影響

對于持續(xù)小電流發(fā)電狀態(tài)，用電負(fù)載電源由發(fā)電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定供給，蓄電池處于不工作狀態(tài)，因此充放電電流較小。此時(shí)電解水反應(yīng)較為平緩，氣體產(chǎn)生量不大，液位上升不明顯。

對于充放電交替進(jìn)行的模式，在發(fā)電機(jī)不工作時(shí)，用電負(fù)載電源由蓄電池供給。蓄電池持續(xù)消耗電量，放電電流大，容易虧電。為避免虧電發(fā)生，需要快速、間歇性地恢復(fù)電量，因此充電電流較大。電解水反應(yīng)劇烈，氣體產(chǎn)量增大，液位上升明顯。

因此，應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化充放電控制邏輯，以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、用電負(fù)載耗電量、電池性能要求以及成本之間的平衡。

1.5 氣液分離結(jié)構(gòu)的影響

氣液分離結(jié)構(gòu)蓄電池主要有液口栓結(jié)構(gòu)和雙蓋結(jié)構(gòu)兩種，如圖5和圖6所示。

圖5 液口栓結(jié)構(gòu)蓄電池

圖6 雙蓋結(jié)構(gòu)蓄電池

采用液口栓結(jié)構(gòu)的蓄電池，氣液分離結(jié)構(gòu)設(shè)置在栓體內(nèi)部，通氣孔設(shè)在栓體頂端，結(jié)構(gòu)簡單、便宜且容易維護(hù)，氣液分離能力受液位高度和栓體自身長度影響。而采用雙蓋結(jié)構(gòu)的蓄電池，氣液分離結(jié)構(gòu)設(shè)在雙蓋內(nèi)部，氣體通過較長且迂回復(fù)雜的流道后，從蓋體兩側(cè)通氣孔排出。該結(jié)構(gòu)氣液分離能力不受液位變化影響，但成本較高。

為驗(yàn)證這兩種結(jié)構(gòu)對漏液的影響，試驗(yàn)采用2個(gè)不同液口栓長度的蓄電池和1個(gè)采用雙蓋結(jié)構(gòu)的蓄電池進(jìn)行測試。測試條件采用圖3b的模式進(jìn)行。不同氣液分離結(jié)構(gòu)對漏液的影響結(jié)果見表4，測試后電池內(nèi)部情況如圖7所示。

表4 不同氣液分離結(jié)構(gòu)對漏液的影響結(jié)果

圖7 測試后電池內(nèi)部情況

采用較短的液口栓更能防止漏液發(fā)生。這是因?yàn)樗w越長，其下端與液面距離越短。隨著工作過程液位上升，液口栓底部被浸沒，氣液分離能力下降。酸霧中的液體無法完全分離，在內(nèi)壓作用下，從通氣孔排出，造成漏液。

對于雙蓋結(jié)構(gòu)的蓄電池，氣液分離采用迂回式復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不受液位變化影響，酸霧中的液體有效分離并回流到殼體內(nèi)，因此防漏液能力較好。

2 結(jié)束語

車用鉛酸蓄電池漏液問題，不僅影響電池使用性能，還會(huì)造成低壓供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致汽車部分功能與配置無法正常工作。本文基于充放電測試，驗(yàn)證了蓄電池通氣孔漏液與啟動(dòng)時(shí)SOC、環(huán)境溫度、車身振動(dòng)、充放電邏輯、氣液分離結(jié)構(gòu)有關(guān)，并提出了針對性的改善措施。當(dāng)然，實(shí)車工況為多要素的組合作用，因此要綜合考慮。

為提高安全性和可靠性，除了必須提高蓄電池的加工工藝外，還需結(jié)合車輛的使用特性與電池的使用環(huán)境綜合判斷。