基于電壓閾值的判斷汽車蓄電池電量的方法*

張小慧 彭云建 田森平 向琪

1 引言

蓄電池是一種可逆的直流電源，它能將化學能和電能互相轉換，在燃油汽車上起重要作用。目前，國內使用的汽車蓄電池以鉛酸蓄電池為主。鉛酸蓄電池的主要功用是在啟動發動機時向起動機及點火系統（汽油發動機）等提供電能。隨著科技的發展，汽車的電器如防盜監控系統、GPS、ABS、倒車雷達、警示燈、音響、冷氣等大幅增加，甚至有冰箱、手提電腦等外接設備。若車主由于疏忽導致某些電器未關閉或是電池老化電力不足，很容易導致汽車無法啟動，特別是對于耗電量大的救護車和警用車來說后果不堪設想。因此，對汽車蓄電池的電量狀況進行監測顯得尤為重要。

現在很多鉛酸蓄電池都是免維護的，即根據電解液比重的變化，改變指示眼的顏色來反映蓄電池電量的狀況，但這種方法時效性、準確性都較低。也可以通過電壓判斷蓄電池電量，但該方法并未考慮到溫度的影響，可靠性不高[1]。也有通過實時測量蓄電池內阻從而推算剩余電量的，但內阻測量過于復雜[2]。隨著電動汽車的發展，各種通過電池荷電狀態（SOC）值精確估測電池電量的方法有了深入研究，但對于帶有發電機的、能夠對蓄電池隨時充電的車輛來說，這些方法需使用中大型的處理器，設備成本較高[3]。

本文所述的電壓監測系統，是將車輛電池供電狀態分成車輛停止和車輛正常啟動兩種模式，通過電壓測量，并考慮溫度影響，以此來判斷電池狀態。

2 溫度對電池狀態判斷的影響

對于基于電壓閾值判斷電池狀態的檢測系統來說，溫度對測量結果的準確性影響較大。文獻[4]研究了溫度對蓄電池放電容量的影響，結果表明：終止電壓一定時，溫度越高，放電容量越大，反之放電容量越低，如圖1所示。

圖1 蓄電池放電容量與溫度的關系曲線

一般情況下，鉛酸蓄電池的容量與溫度的關系可以用如下經驗公式表示：

式中：Ct1為溫度為 t1℃時的容量（Ah），Ct2為溫度為2t℃時的容量（Ah），1t，2t分別為電池的溫度（℃）；k為容量的溫度系數，是指溫度變化1℃時鉛酸蓄電池容量變化的量[5]。由此可見溫度對蓄電池的容量是有影響的。

溫度補償后的車輛電池電壓可由式(2)得到：

其中，V ( t)為溫度補償后的車輛電池電壓，V ' (t)為車輛電池回路電壓。式中ΔT=T(t)-T0，T0為溫度補償函數矩陣參數值的基準溫度；[k1，k2，k3]為溫度補償函數矩陣參數值，不同電池型號對應不同矩陣參數值。

通過對數據深入分析和仿真，可以獲得溫度補償函數矩陣參數值。

3 算法

帶有溫度補償的汽車蓄電池電壓監測流程圖如圖2所示。

圖2 汽車蓄電池電壓監測流程圖

圖2 中所述各式意義如下：

式中， S（Δt）= （V （t0+ Δt）-V （t0）/Δt， t0為計算電壓變動斜率的起始時間；Smin為正常啟動時發電機電壓上升斜率最小值。

其中，t1，t2為設定的n個連續取樣的時間區間。

式(4)～(8)中， V （ t）、A（ t ）為任意取樣時刻經過溫度補償的車輛電池電壓和電流數值；Vav為n個連續取樣的時間區間內經過溫度補償的車輛電池電壓的平均值，用以判斷發電機工作狀況；AEL為汽車正常啟動時的最小電流值；VEL為車輛發電機的正常供電電壓下限值；VHH為汽車正常運行時電池輸出端安全警告電壓上限值。

式(9)～(12)中，V （ t）的意義同前，VRLH、VRLL分別為汽車正常運行時蓄電池輸出端安全警告電壓下限值與過低電壓值；VSLH、VSLL分別為汽車停止時電池輸出端安全警告電壓下限值與過低電壓值。

第一種訊號報警表示發電機電壓異常過高；第二種訊號報警表示發電機電壓異常過低；第三種訊號報警表示蓄電池電壓過低；第四種訊號報警表示蓄電池即將耗盡。在汽車運行時蓄電池電壓過低可能是由于電池老化，發電機效能過低或發電機電壓調節器發生故障無法對電池充電造成的；在汽車靜止時蓄電池電壓過低是由于發電機不再供電，汽車電力由蓄電池供應，蓄電池電力耗損至低電壓造成的。當汽車靜止發出第四種訊號時，切斷繼電器時，同時啟用備用蓄電池對防盜系統供電。當放電倍率較大時（特別是發動機啟動時），電壓可能急速下降，有自恢復效應。故為防止誤報警，在發出第三次和第四次訊號時均需連續取樣多組數據。

4 算法的硬件實現

前述汽車蓄電池電壓監測器連接于車輛電池與啟動機、發電機之間，其硬件框圖如圖3所示。

參數輸入裝置用以輸入溫度補償系數矩陣，繼電器用于控制停車時車輛電池是否繼續供電，屏幕顯示器和語音報警系統用以顯示結果。

圖3 汽車蓄電池電壓監測器硬件框圖

5 結論

考慮到經濟性以及實用性，本文所述的汽車蓄電池電壓監測器主要應用于鉛酸蓄電池電量檢測，并不需要精確測得 SOC的具體值，而是以電壓臨界值與電流變化率為指標，帶以溫度補償修正，當電量過低時發出警報。該監測系統能在汽車動態時判斷發動機能否正常啟動，發電機能否正常工作；在汽車靜態時能夠判斷電池是否正常，若電量過低，能切斷主蓄電池電源供電以保證再次啟動，并用備用蓄電池對防盜系統等供電。目前，此種汽車蓄電池電壓監測器正在研制中。

[1] 魏春旺,余志文.汽車蓄電池電壓監視器[J].汽車電器,1996,6:21-23.

[2] 李匡成,楊亞麗,陳濤,袁文濤.用最小二乘法在線估計蓄電池荷電狀態[J].電源技術,2010,34(10):1056-1059.

[3] 林成濤,王軍平,陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應用[J].電池,2004,34(5):376-378.

[4] 袁立軍,顧益森.論溫度對免維護鉛酸蓄電池的影響[J].船電技術,2001,2:38-39.

[5] 魏曉斌,張磊,張光,謝楠.溫度對閥控式鉛酸蓄電池的影響分析[J].電源技術,2008,32(2):122-123.