車載蓄電池的匹配設(shè)計(jì)方法

李敬斌，李新光

（安徽省江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車載蓄電池的匹配設(shè)計(jì)方法

李敬斌，李新光

（安徽省江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

詳細(xì)闡述汽車起動(dòng)的各個(gè)過程，計(jì)算每個(gè)過程中消耗的蓄電池容量，以起動(dòng)次數(shù)和蓄電池剩余容量來評(píng)價(jià)匹配結(jié)果，使汽車蓄電池的匹配設(shè)計(jì)更具科學(xué)性。

蓄電池；匹配設(shè)計(jì)；容量

蓄電池作為汽車電氣系統(tǒng)中的核心零部件，起著十分重要的作用。在車輛未起動(dòng)時(shí)作為供電電源滿足車輛用電需求，在起動(dòng)過程中負(fù)責(zé)提供較大電流拖動(dòng)起動(dòng)機(jī)工作，在車輛運(yùn)行過程中又作為電容保持整車電壓穩(wěn)定。蓄電池匹配是整車設(shè)計(jì)中非常重要的工作，匹配不當(dāng)會(huì)造成車輛靜置時(shí)間短、容易饋電、起動(dòng)困難等影響，且蓄電池作為化學(xué)產(chǎn)品，其電氣參數(shù)受外界環(huán)境影響較大，匹配過程中需要考慮的因素較多。

1 傳統(tǒng)蓄電池匹配設(shè)計(jì)方法

目前整車廠匹配蓄電池時(shí)，大都采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行理論計(jì)算。

式中：C20——蓄電池額定容量，Ah；P——起動(dòng)機(jī)功率，kW；U——蓄電池額定電壓，V。

式中：K——容量系數(shù)，0.04～0.05；P——起動(dòng)機(jī)功率，kW；η——起動(dòng)機(jī)效率；UH——蓄電池額定電壓，V；Uk——起動(dòng)機(jī)制動(dòng)電壓，V；RL——連線內(nèi)阻，Ω。

現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式范圍很廣，實(shí)際使用只能作為參考。如公式（1）僅僅考慮起動(dòng)機(jī)功率，公式（2）在公式（1）基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，增加了起動(dòng)機(jī)效率、制動(dòng)電壓和連線內(nèi)阻的影響，但仍存在一定偏差，只是相對(duì)范圍縮小了。上述經(jīng)驗(yàn)公式都只是從起動(dòng)過程角度考慮蓄電池的匹配，而沒有考慮外界環(huán)境溫度等因素的影響。當(dāng)相同的起動(dòng)機(jī)匹配不同的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其起動(dòng)電流是變化的，溫度對(duì)起動(dòng)機(jī)和蓄電池的性能會(huì)有影響，因此，單純以起動(dòng)機(jī)功率或其他固定參數(shù)來計(jì)算蓄電池容量是不夠科學(xué)的，與實(shí)際狀態(tài)差距較大。

2 蓄電池匹配設(shè)計(jì)方法優(yōu)化改進(jìn)

本文通過分解汽車起動(dòng)的各個(gè)過程，分析每個(gè)過程中蓄電池的作用，計(jì)算每個(gè)過程中消耗的蓄電池的容量，同時(shí)考慮在不同的溫度與放電電流的作用下對(duì)蓄電池容量的影響。通過蓄電池容量的減法計(jì)算，以起動(dòng)次數(shù)和蓄電池剩余容量來評(píng)價(jià)匹配結(jié)果，最終使汽車蓄電池的匹配更具科學(xué)性和實(shí)用性。

根據(jù)汽車實(shí)際使用情況，將蓄電池匹配整個(gè)過程分為4個(gè)階段：汽車靜置階段、起動(dòng)前準(zhǔn)備階段、起動(dòng)過程瞬間、起動(dòng)間隔階段（圖1），其中起動(dòng)間隔之后會(huì)進(jìn)行下一次起動(dòng)。蓄電池的匹配不僅只滿足車輛一次起動(dòng)，本方法中以起動(dòng)X次后還剩余XX電量為匹配結(jié)果。接下來對(duì)每個(gè)階段中蓄電池容量消耗量的計(jì)算方法進(jìn)行詳述。

圖1 蓄電池的匹配過程

2.1 汽車靜置階段容量消耗C1

汽車靜置過程中蓄電池電量消耗的原因主要有兩方面：一是整車靜態(tài)電流的存在。由于現(xiàn)在汽車大量電子控制器的存在，其在非工作狀態(tài)下也會(huì)有一定的微弱電流，還有車上儀表、行車記錄儀等需要記憶時(shí)間的系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)電流。這類靜態(tài)電流一般為 mA級(jí)，但隨著靜置時(shí)間加長，其耗電量卻是不可忽視的。另一方面是蓄電池本身造成。由于蓄電池本身的化學(xué)特質(zhì)，即使不連接電路，也會(huì)產(chǎn)生自耗電，其耗電量由蓄電池的自放電率決定。綜上所述，在汽車靜置階段蓄電池的耗電量計(jì)算公式如下

式中：I靜——整車靜態(tài)電流， mA；T——靜置時(shí)間，天；C20——蓄電池初始容量；λ——蓄電池日自放電率。

2.2 汽車起動(dòng)前準(zhǔn)備階段容量消耗C2

汽車起動(dòng)前準(zhǔn)備主要是針對(duì)寒冷天氣，為提高汽車的冷起動(dòng)性能，現(xiàn)代汽車尤其是商用車大都配備有發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱和燃油加熱功能，有些會(huì)有液體加熱器。這些用電器的作用是起動(dòng)前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路和油路系統(tǒng)提前預(yù)熱，工作時(shí)間一般由系統(tǒng)本身決定，功率一般比較大，蓄電池消耗也不可忽視。此階段蓄電池的耗電量計(jì)算公式如下

式中：In——用電器的工作電流，A；Tn——用電器的工作時(shí)間，s。

2.3 起動(dòng)過程蓄電池容量消耗C3

汽車起動(dòng)時(shí)蓄電池提供起動(dòng)電源，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。故起動(dòng)過程的電量消耗主要是由起動(dòng)機(jī)工作引起的。其計(jì)算公式為

式中：Ist——起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電流，A；Tst——拖動(dòng)時(shí)間，s。

需要注意的是，蓄電池在放電電流比較大或者環(huán)境溫度比較低時(shí)，其化學(xué)特質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致蓄電池實(shí)際可用容量降低。

由圖2、圖3可以得出，蓄電池在放電電流Ist，環(huán)境溫度為t時(shí)的實(shí)際可用容量百分比Φ。通過以上2個(gè)階段的容量消耗，起動(dòng)前蓄電池的容量為C20-C1-C2。但在起動(dòng)過程中，由于放電電流大以及考慮環(huán)境溫度的影響，蓄電池實(shí)際可用容量為（C20-C1-C2）×Φ。綜上可知，第1次起動(dòng)完成后，蓄電池剩余容量為（C20-C1-C2）×Φ-C3。

圖2 蓄電池容量與放電電流關(guān)系曲線圖

圖3 蓄電池容量與溫度關(guān)系曲線圖

2.4 起動(dòng)間隔階段蓄電池安時(shí)消耗C4

一般在天氣寒冷時(shí)，車輛并不能一次起動(dòng)成功，需要再次起動(dòng)。但是由于蓄電池剛剛經(jīng)過大電流放電，駕駛員一般會(huì)等待一段時(shí)間再進(jìn)行起動(dòng)。等待過程中，車上用電器工作仍會(huì)消耗蓄電池電量。其計(jì)算方法同C2一樣，根據(jù)用電器的工作電流和工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

3 蓄電池匹配流程

首先根據(jù)公式計(jì)算出蓄電池容量的大致范圍，然后從范圍內(nèi)最小容量開始進(jìn)行匹配計(jì)算。

起動(dòng)1次后，蓄電池剩余容量：K1=（C20-C1-C2）×Φ-C3。

起動(dòng)2次后，蓄電池剩余容量：K2=K1-（C4+C3）。

起動(dòng)3次后，蓄電池剩余容量：K3=K2-（C4+C3）。

一般要求蓄電池起動(dòng)匹配需要滿足3次起動(dòng)，故當(dāng)K3小于0時(shí)，則表示所選擇蓄電池不滿足要求，然后選取更大容量的蓄電池再次進(jìn)行匹配，直至K3大于0時(shí)表示滿足匹配要求。

以對(duì)某24 V車型進(jìn)行蓄電池起動(dòng)匹配為例，匹配過程如下。

1）確定最小容量 查得該車型起動(dòng)機(jī)功率為3kW，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算蓄電池容量范圍為50～60 Ah。故從50 Ah蓄電池開始進(jìn)行匹配計(jì)算。

2）計(jì)算C1整車設(shè)計(jì)靜態(tài)電流為30 mA，要求車輛靜置30天后仍能滿足起動(dòng)要求，蓄電池自放電率λ為1‰。根據(jù)C1計(jì)算公式得出C1=24 Ah。

3）計(jì)算C2起動(dòng)準(zhǔn)備階段開啟用電器列表（表1）。由C2計(jì)算公式得出C2=1.95 Ah。

表1 起動(dòng)準(zhǔn)備階段開啟用電器列表數(shù)據(jù)

4）計(jì)算C3汽車使用環(huán)境氣溫在-25 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需要拖動(dòng)電流500 A，拖動(dòng)時(shí)間15 s，由C3計(jì)算公式得C3=2.08 Ah。

通過查蓄電池容量曲線，蓄電池在放電電流500 A，環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，其實(shí)際可用容量降低為原來的21%。故第1次起動(dòng)后，蓄電池剩余可用容量K1=21%（50-24-1.95）-2.08=2.97 Ah。蓄電池剩余可用容量大于0，滿足第1次起動(dòng)要求，繼續(xù)計(jì)算。

5）計(jì)算C4通過同樣計(jì)算方法，列出起動(dòng)間隔期間打開的用電器工作電流和工作時(shí)間。經(jīng)過計(jì)算得出C4=1.2 Ah。

第2次起動(dòng)后，蓄電池剩余可用容量K2=K1-C4-C3=-0.21 Ah。剩余可用容量小于0，說明所選蓄電池不滿足要求，需要選更大容量的蓄電池，故選擇60 Ah蓄電池進(jìn)行計(jì)算。

6）選用60 Ah蓄電池進(jìn)行計(jì)算 K1=5.07 Ah，K2=1.79 Ah，K3=-1.19 Ah，K3小于0，仍然不滿足匹配要求，繼續(xù)選擇更大容量的蓄電池，故選擇70 Ah蓄電池再進(jìn)行計(jì)算。

7）選用70 Ah蓄電池進(jìn)行計(jì)算 K1=7.17 Ah，K2=3.89 Ah，K3=0.61 Ah，K3大于0，滿足起動(dòng)匹配要求。

4 結(jié)束語

蓄電池起動(dòng)匹配更科學(xué)，避免匹配蓄電池容量過小或過大，容量過小容易造成蓄電池饋電、起動(dòng)困難等問題。容量過大會(huì)造成容量浪費(fèi)，增加成本。

［1］ 郝飛，鄧恒.汽車蓄電池系統(tǒng)模型及其驗(yàn)證（一）［J］.輕型汽車技術(shù)，2008（3）：15-19.

［2］ 郝飛，鄧恒.汽車蓄電池系統(tǒng)模型及其驗(yàn)證（二）［J］.輕型汽車技術(shù)，2008（4）：22-25.

［3］ 張明森.汽車的電量平衡計(jì)算［J］.汽車電器，2010（10）：10-16.

［4］ 石志勇，韓勇，王宜海.汽車電平衡匹配設(shè)計(jì)淺析［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2015（4）：28-30.

（編輯 凌 波）

The Analysis of Vehicle Battery Matching Design

LI Jing-bin， LI Xing-guang
（Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.， Hefei 230601， China）

This paper demonstrates vehicle starting processes， and the power consumption of each process. Vehicle start times and battery residual capacity are used to evaluate matching results， which makes the matching design of automobile battery more scientific.

battery；matching design；capacity

U463.633

A

1003-8639（2017）04-0021-03

2016-11-10 ；

2016-11-24

李敬斌（1985-），男，工程師，主要從事汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；李新光（1987-），男，工程師，主要從事汽車電器件設(shè)計(jì)工作。