易 琨，唐 路，程 娟，嚴 康，胡承建

(神龍汽車有限公司 技術中心，武漢 430056)

隨著汽車混合動力技術和怠速啟停功能[1-2]的廣泛應用，對車載起動型蓄電池的性能提出了更高的要求，目前市場流行的12 V汽車怠速啟停功能蓄電池有富液加強型鉛酸蓄電池(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 )，加上富通富液免維護鉛酸蓄電池(flooded battery，FB，無怠速啟停功能)。

由于這3種蓄電池的結構、功能及作用原理不同，導致這3種蓄電池的充電維護工藝(即充電過程中復雜的控制參數——恒壓限流值、恒流限壓值、階段充電時長、階段間轉換條件、報警診斷策略等)也不盡相同，其中EFB和AGM的充電通常采用多階段智能充電技術[3]。一家售后網點或者售后維修服務站，為了滿足多種蓄電池的充電需求，通常要為這3種蓄電池配備2～3種專用充電設備，導致維修成本的增加。

本文以多階段模糊自適應PID控制全智能充電技術為背景，闡述了一套適合這3種電池的充電工藝，并將這套充電工藝集成在一臺全智能微機控制的充電設備里，通過進入不同人機操作界面對蓄電池進行充電維護，實現了維修成本的節(jié)約。

1 AGM、EFB、FB蓄電池充電特點和要求概述

1.1 AGM蓄電池的充電特點和要求概述

AGM蓄電池是一種閥控鉛酸蓄電池(valve regulated lead-acid battery，VRLA)，具有怠速啟停功能。AGM蓄電池與普通富液蓄電池相比，由于結構原理上采用了貧液設計、吸附式玻璃纖維棉隔板[4]吸附電解液防止層化、極板和隔板緊裝配等設計方案，導致AGM蓄電池對充電工藝和充電機的要求與普通富液蓄電池有很大不同。

傳統(tǒng)老式富液鉛酸蓄電池(FB)的充電選用一般整流電源即可，而AGM電池必須使用專用的充電設備進行多階段智能充電。充電過程不能過充電，對充電電壓要求有很高的電壓控制精度，否則會引起蓄電池過充或充電飽和度不足。普通充電機的輸出電壓常為16～18 V，而且不能智能控制限壓和采用智能多階段多充電方法充電。用普通充電機對AGM蓄電池充電極易損壞蓄電池。由于AGM鉛蓄電池采用了貧液式緊裝配設計，隔板中必須保持10%的孔隙不準電解液進入，因而電池內部的導熱性差，熱容量小。充電時正極產生的氧到達負極和負極鉛反應時會產生熱量，如不及時導走，則會使蓄電池內部溫度升高。如若充電后期(平充恒壓限流或者浮充階段)沒有及時降低充電電壓，則充電電流就會加大，導致析氧速度增大，又反過來使蓄電池溫度升高。如此惡性循環(huán)下去，就會引起熱失控現象[5]。所以，在充電后期控制最大電壓不得高于14.8 V。充電全過程要盡可能減少熱量的產生，防止發(fā)生熱失控導致蓄電池受損。

1.2 EFB富液加強型鉛酸蓄電池的充電特點和要求概述

EFB蓄電池是一種富液加強型鉛酸蓄電池。EFB蓄電池定位是介于普通富液蓄電池(FB)與AGM蓄電池之間的一種產品，也具有怠速起停功能。在傳統(tǒng)富液蓄電池技術的基礎上，EFB蓄電池采用了較厚的隔板和聚酯絨物，通過調整活性物質(高密度活性材料)以及電解液配方，從而提高電解液深循環(huán)性能，因而能適應怠速起停功能的要求。

EFB蓄電池為了應對發(fā)動機的怠速啟停功能采用了放電性能優(yōu)異的結構設計。為了滿足汽車初次啟動、怠速后的再起動、怠速中的電源供應的使用需要，EFB蓄電池始終處于嚴酷的使用環(huán)境下，而長時間市區(qū)內行駛或者頻繁起停易導致EFB蓄電池電壓下降而虧電。與普通富液蓄電池(FB)相比也就比較容易過放電，而過放電會引起蓄電池深虧電并出現硫化現象，同時由于極板間的間隙相比普通富液電池(FB)變小，所以更容易引起極板間的內部晶體穿透短路，導致蓄電池失效，所以必須定期補充電。

EFB蓄電池在怠速啟停狀態(tài)下的充放電量與傳統(tǒng)富液電池相比有了大幅度的增加，結果導致頻繁地使用中間充電狀態(tài)的部分充電狀態(tài)(partial state of charge，以下簡稱PSOC)。在這種狀態(tài)下繼續(xù)使用時，電解液將出現層化。所謂的層化含義是指:通過充電由極板排出高濃度的硫酸沉積在單格的下部，使單格的上下部位出現電解液濃度的差異。同時EFB蓄電池與普通富液蓄電池(FB)相比，EFB蓄電池極板的格子細小、數量多、極板間隙小，不利于電解液混合，在EFB蓄電池深放電后、充電后期相比普通富液(FB)蓄電池更易發(fā)生電解液層化現象。

EFB蓄電池的充電工藝需要準確的蓄電池開路電壓(open circuit voltage，OCV)數據，即開路電壓與荷電態(tài)(state of charge，SOC)直接相關[6]。由于EFB電池的電解液存在酸分層現象，酸密度存在濃度梯度，開路電壓不準確，利用開路電壓OCV預測荷電態(tài)SOC的預測性差，即依據發(fā)生酸層分層的開路電壓數據估算荷電態(tài)SOC，存在高估蓄電池性能的風險。為此，EFB蓄電池的充電工藝需要采取抑制酸分層的措施，防止開路電壓OCV與荷電態(tài)的不匹配，以及充電可接受能力的下降和活性物質過度硫酸鹽化，導致電池早期失效。

1.3 FB蓄電池的充電特點和要求概述

FB蓄電池是一種普通富液鉛酸蓄電池，結構特點不再冗述。由于都是富液電池，FB蓄電池與EFB蓄電池的充電要求大致相同。普通富液蓄電池(FB)相比EFB蓄電池極板數量少且間隙較大，便于電解液混合，由于設計的工作環(huán)境不是怠速頻繁起停狀態(tài)，也就不會發(fā)生PSOC，其結果是電解液層化的幾率較EFB相對小些，但也不能完全避免層化。FB蓄電池在深虧電缺少補充電維護的情況下，也易發(fā)生硫化及結晶短路失效。在大多數淺虧電情況，普通充電機(整流電源)的定電壓充電方法可以對FB蓄電池進行充電維護(單一充電方法、非智能多階段充電方法)。但是對于深虧電出現硫化現象時，普通充電機的單一定電壓恒壓充電方法卻無能為力。為了解決FB蓄電池深虧電硫化后很難恢復蓄電池額定容量現象，同樣FB蓄電池也必須采取多階段多充電方法的智能充電，并且充電工藝也有抑制酸層分層的措施。

2 AGM、EFB、FB蓄電池充電工藝設計

2.1 概述

本充電技術方案適用于AGM、EFB、FB 3種汽車用12 V起動用鉛酸蓄電池的充電要求。按照本充電技術方案設計的全智能充電機設計了3個液晶操作界面，可以按鍵選擇AGM、EFB、FB三種蓄電池后進入相應的充電工藝程序進行充電操作。充電步驟分為模式自動識別、軟啟動、預診斷、激活、分析、快速充電、短路診斷、平充、診斷、修復(FB、EFB蓄電池特有)、浮充共11個充電階段。大部分充電階段，充電機內部的跟蹤比較電路和微機程序都能對充電電路電壓、充電電流進行實時跟蹤監(jiān)測，并實時計算累計充電機總輸出功率和即時功率(反映蓄電池的充電已接受容量值)，將結果交給后臺程序進行判斷后，調用下一步驟充電階段程序繼續(xù)運行直至充滿或者充電途中報警提示更換蓄電池并暫停充電。

1)模式自動識別

利用全智能充電機的內部高精度A/D轉換比較器對蓄電池OCV開路電壓進行判斷。根據比較判斷的結果調用和使用不同開路電壓OCV區(qū)間下的充電工藝和報警程序。如果蓄電池電壓<3 V，報警提示故障蓄電池，并提示更換。

2)軟啟動

對蓄電池OCV開路電壓為3～11.5 V區(qū)間的深虧電并懷疑有硫化現象的蓄電池進行試充電，時長1 h，采用分階段小電流恒流限壓方式充電，保證充電電流符合馬斯定律,小于并等于蓄電池充電可接受電流,避免充電電流過大發(fā)生極板發(fā)熱歪曲變形[7-9]。

保證1 h內向蓄電池輸出3.5A·h容量(功率)。充電電流1A、2A、大于或等于3.5A梯形分階段逐步升高，保證每階段向蓄電池充進相同容量(3.5/3 A·h)。

本階段根據不同的充電電流，充電電壓自動升高，充電電流、充電電壓、充進的容量的關系符合模糊自適應PID控制算法。

3)預診斷

本階段將進一步提高充電電壓(充電機輸出電壓)與蓄電池OCV開路電壓的電壓差，預計充電電流會在30 s內上升且大于等于3.5 A，此狀態(tài)為蓄電池正常狀態(tài)。如果提高充電電壓(充電機輸出電壓)后，30 s內充電電流大于等于3.5A，充電機DSP芯片判斷蓄電池狀態(tài)正常，則充電轉入激活(階段4))繼續(xù)充電，如果充電電流小于3.5 A，充電機電腦芯片判斷蓄電池狀態(tài)不正常，軟啟動不成功，則再轉入軟啟動(階段2))進行為期30 min的第2輪軟啟動。

如進入第2輪軟啟動后，則保證第2輪軟啟動向蓄電池輸出1.75 A·h容量(功率)。

充電電流按從進入預診斷初期電流到3.5 A梯形分階段逐步升高，保證每階段向蓄電池輸出1.75/3 A·h容量(功率)。

第2輪軟啟動階段根據不同的充電電流，充電電壓自動升高，充電電流、充電電壓、輸出的容量的關系同樣符合模糊自適應PID控制算法。

在第2輪軟啟動結束后，繼續(xù)提升充電電壓(充電機輸出電壓)與蓄電池的OCV開路電壓差，充電機DSP芯片對充電電路中充電電流是否大于等于3.5 A，進行再判斷30 s。充電電流大于等于3.5 A，判斷蓄電池狀態(tài)正常，則充電轉激活(階段4))繼續(xù)充電，如果充電電流小于3.5 A則判斷蓄電池故障，并報警提示更換。

4)激活

本階段對經過預診斷階段判斷為功能正常的蓄電池進行恢復性充電，消除硫化現象，激活蓄電池正?；瘜W反應功能，儲存一部分化學能。采用恒流限壓方式充電，充電電流比軟啟動階段末期充電電流提高1倍(達到7 A)。本階段采取保證充電時長策略，充電電壓限壓值：AGM為15 V，EFB、FB為16.5 V。本階段充電過程均不超過該值。

充電電壓(充電機輸出電壓)隨充電過程逐步升高，由微機程序控制。

本階段充電電流符合馬斯定律，小于并接近等于此階段蓄電池充電可接受電流，避免充電電流過大發(fā)生極板發(fā)熱歪曲變形[7-9]。本階段充電的恒流值、限壓值、充電時長(針對各個產品型號和每個蓄電池初始OCV開路電壓區(qū)間的具體充電時長)符合表1中規(guī)定，并保證不低于表1中規(guī)定的充電時長。經過本階段的充電激活后，消除了大部分硫化現象，為下階段的分析、快速充電做準備。表1中的每種蓄電池不同初始開路電壓OCV區(qū)間的本階段具體充電時長都在實踐和實驗中驗證過。

考慮到11.6 V<蓄電池初始OCV開路電壓<12 V時(對應的蓄電池生產廠提供的蓄電池參考SOC狀態(tài)在0～30%區(qū)間)，此區(qū)間虧電程度較深，故對所有初始初始OCV開路電壓>11.6 V的蓄電池(EFB、FB、AGM)先進行7 A恒流30 min功能恢復性充電后轉入分析(階段5))。

本階段充電電流、充電輸出電壓及充電機輸出容量(功率)關系符合模糊自適應PID控制算法。

5)分析

本階段對經過激活階段(階段4))的蓄電池進行分析診斷，預計經過激活階段后蓄電池電壓會升高。

本階段將充電機停機30 s，充電輸出電壓降為0，對接入充電機電路的蓄電池開路電壓OCV值進行判斷，如果高于預設值(見表1),則轉入下一階段充電，如果低于預設值，則判斷蓄電池故障，報警提示更換。

6)快速充電

本階段對經過分析(階段5))判斷功能正常的電池，進行快速補電，采取大電流分階段恒流限壓充電方法(充電電流小于等于15 A、一般分為2～3個分階段恒流階段——根據蓄電池狀態(tài)通過控制算法調整充電階段數和參數、充電電流控制在15 A、12 A左右、10 A左右)，已經考慮了低于并接近于蓄電池可以接受充電電流。

在本階段充電末期，如果充電機內部電壓跟蹤檢測電路檢測到充電機輸出電壓等于限壓值且在10 s內不再變化時(見表1，14.4 V:AGM蓄電池,16 V:FB、EFB蓄電池)，將自動轉入平充(階段8))。同時經過本充電階段后，蓄電池的容量接近額定值的80%。本階段控制充電最長時長4 h。對于初始開路電壓OCV<11.6 V的蓄電池，如果在4 h內沒有完成本階段則轉入短路診斷階段77。

本階段充電電流、充電電壓及充電輸出容量(功率)關系符合模糊自適應PID控制算法。

7)短路診斷

本階段僅對初始開路電壓OCV<11.6 V的沒有完成快速充電(階段6))且充電時長已達4 h的蓄電池進行短路診斷，具體策略如下：

3 V<蓄電池初始OCV開路電壓<9 V時，充電機輸出電壓等于限壓值且在10 s內仍變化時，則快速充電(階段6))沒有完成，如果計算出的充電機累計輸出功率在82～92 A·h區(qū)間時，充電電流仍然保持在15 A，則判斷蓄電池故障，報警提示更換。如果充電電流小于15 A則強制進入平充(階段8))。

9.1 V<蓄電池初始OCV開路電壓<11.5 V時，充電機輸出電壓等于限壓值且在10 s內仍變化時，則快速充電(階段6))沒有完成，如果計算出的充電機累計輸出功率在72～78 A·h時，充電電流仍然保持在15 A，則判斷蓄電池故障，報警提示更換。如果充電電流小于15 A則強制進入平充(階段8))。

8)平充

本階段采用恒壓限流充電方法，限制最大充電電流小于15 A，充電電流曲線符合馬斯對數曲線下降[7-9]。充電電流控制在小于蓄電池最大充電可接受的電流，實現最小氣體析出率。充電電流、充電電壓關系通過微機控制算法進行控制。

注意：在快速充電(階段6))和平充階段(階段8))，AGM蓄電池控制限壓14.4 V比EFB、FB蓄電池都低，是為了避免熱失控現象。

9)診斷

在平充階段8)末期，如果充電機內部充電電流監(jiān)測電路檢測到充電電流小于3 A，則自動進入本階段。

本階段先后采用2種判斷蓄電池故障的策略：

充電機停止電壓輸出，對接入充電回路的蓄電池開路電壓OCV進行60 s的判斷，如果蓄電池OCV電壓小于12.6 V，則判斷為蓄電池故障，報警提示更換。

如果此時蓄電池電壓大于12.6 V，則用充電機內部DSP芯片計算和存儲的實時累計充電機輸出電功率(反映已充入蓄電池的容量)進行判斷。判斷時長30 s，如果大于等于預設值判為正常狀態(tài)，對于AGM蓄電池轉入浮充(階段11))，對于EFB、FB蓄電池轉入修復(階段10))，繼續(xù)充電。如果小于等于預設值，則判為蓄電池故障，報警提示更換。對于3～9 V蓄電池初始開路電壓OCV值區(qū)間，預設值可以設為50 A·h；對于9.1～11.6 V蓄電池初始開路電壓OCV值區(qū)間，預設值可以設為40 A·h。對于>11.6 V蓄電池初始開路電壓OCV值區(qū)間，只對開路電壓判斷，不對充電機輸出電功率進行判斷。

10)修復

本階段是EFB、FB蓄電池的獨有的充電階段，將對富液蓄電池經深放電后和快速充電(階段6))及平充(階段8))后發(fā)生的電解液層化現象進行修復，解決富液蓄電池開路電壓OCV與荷電態(tài)SOC的不匹配問題，采用恒流限壓和恒壓限流的充電策略。對經診斷(階段9))判斷狀態(tài)正常的蓄電池，第1步先將恒流充電電流降低到10 A，限壓提高到16.8 V，當充電電路電壓達到16.8 V時，恒壓在16.8 V，恒壓10 min，充電電流將慢慢降低到9 A左右。下一步將自動轉入浮充(階段11))，本階段充電電流、充電電壓及充電輸出功率(容量)關系符合模糊自適應PID控制算法。

對FB蓄電池，本階段充電時長小于30 min且自適應調整充電時長，對EFB蓄電池本階段充電時長小于60 min且自適應調整充電時長，采用控制后半段恒壓16.8 V的恒壓充電時長10 min，而不控制前半段恒流10 A充電時長的策略。經過本階段后，富液蓄電池經充電后的容量接近額定容量的95%。

注意：目前市場上大多數的充電機(針對普通富液FB蓄電池充電)都采用定電壓恒壓充電方法(最高限壓的方法)。使用定電壓恒壓充電方法，由于電解液層化現象，雖然電解液的比重沒有上升但是蓄電池開路電壓OCV上升了，導致充電電流降低，直至轉入浮充或停機，無法給蓄電池充滿電量。

而本階段使用較高恒流電流(10 A)充電，稍微過充，在充電后期通過由極板產生的少量氣泡來攪拌電解液，幫助電解液充分混合，消除電解液層化影響，確保電極板的全體進行化學反應，有效地去除硫酸鉛結晶。

11)浮充

本階段對經過診斷階段9)判斷狀態(tài)正常的AGM蓄電池和經過修復(階段10))的EFB、FB蓄電池進行最后5%左右容量的充電，直至充至100%電量。

本階段采用恒壓小脈沖電流充電方式來消除極化現象[9-11]，充電脈沖周期30～50 ms，占空比50%，充電電流0～1 A(一般從700 mA開始逐級遞減為0),充電電流幅值滿足馬斯指數曲線衰減，直至最終為0，然后不停機監(jiān)測蓄電池是否自放電，如蓄電池自放電后電壓下降，隨時進行同樣方式的恒壓小脈沖補電。

2.2 充電電路的充電電流、電壓隨時間變化的對應關系

圖1舉例說明了EFB、FB蓄電池初始開路電壓OCV值區(qū)間在3～11.5 V時，充電電路的充電電流、電壓隨時間變化的對應關系。

各階段充電方式：模式自動識別(無)；軟啟動(多階段小電流恒流)；預診斷(小電流恒流)；激活(小電流恒流限壓)；分析(無)；快速充電(大電流多階段恒流限壓)；短路診斷(無)；平充(恒壓限流)；診斷(無)；修復(較高電流恒流限壓+恒壓限流)；浮充(小脈沖電流恒壓限流)。

各充電階段的限流、限壓等充電控制參數符合某歐系跨國汽車集團的蓄電池技術標準[12]和國內3家主要蓄電池生產廠的產品技術標準和充電經驗值[13]，如識別出11.6 V作為大多數常用鉛酸蓄電池SOC值為0%的對應初始OCV值。

注意：圖1未考慮預診斷、分析、短路診斷、診斷等階段報警提示蓄電池故障需更換的情況，也未考慮預診斷階段首次判斷不通過后進行第2次軟啟動的情形。AGM蓄電池充電電路的充電電流、電壓時間隨時間變化的對應關系情況與圖1大致類似(AGM少了修復階段)，且AGM蓄電池充電電路的充電電流、電壓隨時間變化的對應關系圖中診斷(階段9))以前的各充電階段的限壓值不同。

圖1 EFB、FB蓄電池充電電路的充電電流、電壓隨時間變化的對應關系

2.3 不同的蓄電池初始開路電壓OCV值區(qū)間下的各充電階段的充電控制參數及報警診斷策略

表1說明了不同的蓄電池初始開路電壓OCV值區(qū)間下，對AGM、EFB、FB蓄電池，各充電階段的充電控制參數及報警診斷策略。

注：① 如表1中為充電階段過程演變的空格，代表此階段不執(zhí)行；② 充電時長空格內填入“/”，代表在該蓄電池初始開路電壓OCV值區(qū)間下的充電時長為0；③ AGM、EFB、FB蓄電池執(zhí)行完快速充電(階段6))后，一般能充至蓄電池容量SOC的80%；④ 對FB、EFB蓄電池獨有的修復階段(階段10))，設計之初曾考慮放在平充階段前，經過試驗驗證放在浮充階段前反而充電容量恢復率(飽和度)效果更好(經過比較提高了5%)；⑤ 表1中的列條目，最后一列是充電總時長，如果是一個范圍區(qū)間，比如6～10 h，一般取下限值都可達到，對于嚴重硫化電池，才需要充電到上限最大值。

3 試驗驗證

在本文闡述的適用于12 V EFB、FB、AGM蓄電池的充電工藝設計定型后，組織了對該技術方案的試驗驗證，試驗方法及過程如下：充電功能驗證，將3只無質量問題蓄電池在室溫25 ℃環(huán)境下先測量20 h容量，20 h容量檢測后，再繼續(xù)放電直至將蓄電池電壓調整至5 V，用基于該套充電工藝的充電樣機對其進行充電，待充滿電后再在室溫25 ℃環(huán)境下測量其20 h容量；診斷功能驗證，用基于該套充電工藝的充電樣機對3只故障電池進行充電，記錄充電報警結果。試驗結果數據如表2所示。

表2 適用于EFB、FB、AGM的充電工藝的試驗驗證數據

試驗結果分析：表2表明了該套充電工藝對AGM和EFB蓄電池充電容量恢復率(飽和度)效果最好(93%以上)，FB蓄電池其次(88%左右)，但這與FB蓄電池充電可接受能力及深放電循環(huán)性能較AGM、EFB蓄電池差有關。

4 結論

本文闡述充電技術方案適用于國內大多數常用的12 V汽車起動用鉛酸蓄電池(適用容量區(qū)間50～100 A·h)，對于深虧電的蓄電池能基本消除蓄電池的硫化現象及恢復容量，也能避免充電過程中熱失控、極化、層化現象的發(fā)生，對于大部分故障問題蓄電池也能識別判斷(短路、熱失控、老化壽命終止等故障)，具有適用面廣、控制算法先進、診斷報警方法準確、充電效率高、充電電壓控制精度高、充電時間適中等特點。