基于工況仿真的啟停功能AGM鉛酸電池性能研究

陳積先，讓 松，覃北階，張華樹，孟 輝，王 丹

（國家汽車質量監督檢驗中心［襄陽］，襄陽441004）

基于工況仿真的啟停功能AGM鉛酸電池性能研究

陳積先，讓 松，覃北階，張華樹，孟 輝，王 丹

（國家汽車質量監督檢驗中心［襄陽］，襄陽441004）

本文簡要介紹了汽車自動啟停系統、AGM鉛酸電池，搭建了一種模擬工況平臺對AGM電池進行仿真、評價，并對實際的AGM電池的頻繁充放電性能、充電接受能力、壽命等重要性能進行仿真測試。

自動啟停STT；AGM電池；充電接受能力；壽命；工況仿真

陳積先

西安理工大學機械系畢業，現任國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）燈光電器室室主任，高級工程師，已發表論文10余篇。

1　前言

自動啟停系統（Start&Stop）簡稱STT，啟停是指可在汽車怠速時停止發動機運行的系統，例如在等交通信號燈時可減少排放量，提高燃油效率，只需踩手動檔汽車的離合器或者自動擋汽車的加速器就能使發動機再次啟動。在需要動力的情況下，如果汽車開始移動，可能需要制動壓力。啟停功能布局有效的降低油耗3%～5%，令車輛更加節能環保，停車時候關閉發動機還可有效的降低噪聲和振動，帶來更好的駕乘感受。故動機自動啟停的概念會是一種趨勢，更加實用。

當車輛在市區行駛時，由于擁擠的交通，車輛很難一直保持行駛狀態。在車輛停止時，發動機仍然工作，這就導致了不必要的燃油消耗和尾氣排放。車輛停放越多，停車的時間越長，被浪費掉的能量就越多。發動機自動啟停功能會在車輛停止行駛的階段關閉發動機，比如當車輛等待紅綠燈、堵車的時候。當需要繼續駕駛時發動機再次自動啟動。經過計算，在一次停車過程內，只要發動機停轉的時間超過4 s，就會開始比普通發動機怠速運轉的車輛更加節能環保。綜合測試比較，開啟自動啟停功能的車輛，能使油耗及二氧化碳排放降低3%到5%。隨著燃油價格的攀升，高二氧化碳排放稅的提高，再加上政府對減少汽車排放量的要求，我們需要采用各種措施來提高效率，降低排放。

頻繁啟動并不會對發動機造成多大磨損。發動機內部主要靠油膜潤滑，鑒于自動啟停的時間都很短，被機油泵打上去的機油不會都流回去，零件上還是保留了很多機油，在啟動而且是熱啟動那么點轉速和時間里沒什么影響，傳統上對發動機磨損大的是冷啟動和高溫。冷啟動以目前的機油技術，只要能用好些的機油其對磨損的影響應該是低于高溫帶來的損傷。

如果沒有采用正確的蓄電池技術，啟停功能根本無法正常運行，也就無法實現降低成本以及達到降低油耗從而減少排放的目的。這樣還會縮短蓄電池的使用壽命。采用自動啟停技術的車輛需要采用專門的蓄電池。采用錯誤的電池不僅會影響功能的實現，還會大大縮短電池本身的使用壽命。實驗表明，傳統的注水式鉛酸電如果用在啟停車輛上的話，一周后電池的容量就會減少7～16%。啟停系統對蓄電池的要求如下：

（1）發動機啟動時，由于需要點火，并且需要給啟動電動機供電，車載蓄電池必須可以進行大電流放電性能；

（2）由于啟停系統頻繁重啟發動機，蓄電池支持頻繁地大電流放電；

（3）混合動力系統為車輪提供動力時，蓄電池需要提供能量支持；

（4）能滿足車內音響、照明等電氣設備的需要；

（5）車載充電機給蓄電池充電時，蓄電池要具備很強的充電接受性能；

（6）具有長壽命，至少使用壽命在兩年以上。

目前在應用于帶啟停功能的汽車上的電池一般為AGM蓄電池。那么什么是啟動用AGM蓄電池呢？啟動用AGM電池是鉛酸電源新技術，它滿足了微混動力車輛對蓄電池能量增長的要求。啟動用AGM蓄電池是一個閥控鉛酸 （VRLA）電池，電解液都吸附在玻璃絲棉隔板（AGM）中。啟動用AGM蓄電池集中了工業用VRLA電池和啟動用富液蓄電池的優點為一體。AGM蓄電池壽命是傳統富液電池的三倍；優良的冷啟動能力；同樣的空間可提供更高的能量；電池倒置及破裂無電解液溢出的風險。

2　工況仿真平臺的建立

在不斷的測試基礎上，搭建了如下的仿真平臺，即采用如表1、表2、表3的工況，對AGM電池在啟停過程中遇到的各種環境進行仿真。

以下是模擬實車仿真工況：

表1　行車不開啟電負載過程

表2　行車開啟電負載過程

表3　模擬駐車供電

其中表1、表2、表3中的工況為一個完整循環。

3　仿真結果

本文選取的二只AGM蓄電池進行工況仿真。為進一步驗證二只電池的一致性，將二只電池串聯起來進行仿真（圖1，模擬常溫（25 ℃）實車工況充放電試驗-行車不開啟電負載過程第1和第80個循環；圖2，模擬常溫實車工況充放電試驗-行車開啟電負載過程第1和第40個循環；圖3，模擬常溫駐車供電；圖4，10 A充電3 h；圖5，模擬低溫（-41℃）實車工況充放電試驗-行車不開啟電負載過程第1和第80個循環；圖6，模擬低溫實車工況充放電試驗-行車開啟電負載過程第1和第40個循環；圖7，模擬低溫駐車供電；圖8，是10 A充電3 h；圖9，模擬高溫（50 ℃）實車工況充放電試驗-行車不開啟電負載過程第1和第80個循環；圖10，模擬高溫實車工況充放電試驗-行車開啟電負載過程第1和第40個循環；圖11，模擬高溫駐車供電（25 ℃）；圖12，10 A充電3 h）。

由圖中可以看出，在常溫（25 ℃）工況中，經受表1、表2、表3的循環3次，在試驗過程中，在大功率7.14 kW放電時，電池電壓瞬間降低，直到降低至21.775 V，此時電流達到-300 A。

低溫（-41 ℃）工況中，經受表1、表2、表3的循環1次，在大功率放電條件下，電池電壓驟降直至接近0 V，此時電壓達到設備的保護值300 A。但電池仍能完成整個工況。試驗結束后，蓄電池仍能正常工作。

高溫（50 ℃）工況中，經受表1、表2、表3的循環1次，在大功率放電條件下，電池電壓瞬間降低，直到降低至21.715 V，此時電流達到設備的限值-300 A，故此時已恒流300 A放電。

4　AGM蓄電池的進一步探究

為什么AGM蓄電池擁有更好性能特點？

（1）AGM比同樣尺寸的富液電池具有相對高的冷啟動性能

因為富液電池在壽命過程中水耗非常大，富液電池在極板上方必須有電解液的存儲空間。所以，在富液電池中，不是所有的空間都可以用于極板，從而導致極板高度的降低。

AGM電池由于內部氧重組，壽命過程中水損耗極小， 因此，不需要在極板上方留下空間，從而可以提高極板高度，由于極板表面積加大，相對同樣尺寸和極板數的富液電池就有更高的冷啟動性能。

（2）AGM比同樣尺寸的富液電池具有較長的壽命

極板表面和隔板基厚必須給酸提供空間；隔板表面的板筋保證了極板和隔板之間的自由空間和距離；由于電化學反應和振動，活性物質在電池壽命中會脫落?；钚晕镔|脫落是導致電池老化的一個主要原因。實際應用中會發生酸分層，產生濃度差，加大自放電，影響電池性能。AGM 電池，硫酸吸附在纖維中，因此，極板表面不需要自由區域。AGM隔板直接并均勻地擠壓在極板活性物質上，同時保證活性物質緊固在纖維墊中間；酸在玻璃纖維隔板中的毛細作用，會在一定程度上克服濃酸的重力作用，減輕酸分層。

5　結論

綜上所述，以上工況涵蓋了車載蓄電池頻繁進行大電流放電性能、正常供電性能、充電接受能力（充電接受能力：在規定的充電電壓、電流條件下，單位時間內電池所接受的充入量。即達到馬斯理論的理想狀態，由此得到的電流曲線即為馬斯理想充電曲線，此時電流滿足以下公式：

式中：Io為最大初始電流； α為電流衰減指數，又稱為充電接受率 ）等重要性能。在各個溫度下均能完成仿真測試，說明該AGM電池能滿足啟停功能的需求。反之，利用該工況，亦可驗證AGM電池的性能。

［1］程新群.玻璃纖維絲套管在蓄電池中的耐酸性和長期性［J］.化學電源，1983，8.

［2］朱冬，王曉華，韓友國. AGM電池荷電狀態與開路電壓研究［J］.機械工程與自動化，第1期.

［3］籍風榮，汪偉.蓄電池檢測方法研究［J］.在.移動電源與車輛.2004，1.

［4］許成山，鄧世建.蓄電池的測試、使用與維護［A］：第十六屆全國煤炭自動化學術年會、中國煤炭學會自動化專業委員會學術會議論文集［C］：2006年.

［5］張彥琴，周大森，程濤.水平鉛酸電池放電特性的研究［J］：電池；2006，02.

專家推薦

楊曉松：

本文深入淺出的介紹了汽車啟停功能的概念，利用了比較趨近實車行駛的工況，成功的對選取的某AGM電池進行仿真分析。該仿真工況可以作為評價AGM電池重要性能的依據，對帶啟停功能的汽車，合理選用電池具有一定的指導意義。

Research the Performance of AGM Lead-acid Battery Used on Start & Stop System Based on Simulation Condition

CHEN Ji-xian， RANG Song， QIN Bei-jie， ZHANG Hua-shu， MENG Hui，WANG Dan
（National Automobile Quality Supervision and Test Center［Xiangyang］，Xiangyang 441004， China）

This paper introduced the automatic start & stops system， AGM lead-acid battery briefly. And build the evaluation of a simulated condition platform for simulation of AGM battery. Selected two AGM batteries to simulation for the performance of frequent charge & discharge， the Charge acceptance， and life or other important performance.

Start & Stop System； AGM lead-acid battery； charge acceptance； life； simulation condition

U463.633

A

1005-2550（2015）03-0027-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.006

2015-02-05