蓄電池對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響

任全水，吳寧，洪方明，袁爽，沈源，王瑞平,2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315800)

我國(guó)是汽車(chē)生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，車(chē)輛給人們的生活帶來(lái)便利，但不斷增加的車(chē)輛尾氣排放也給我們的健康和環(huán)境帶來(lái)諸多不利影響[1]。起動(dòng)過(guò)程汽車(chē)污染物產(chǎn)生較多，作為評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能已經(jīng)成為目前汽車(chē)行業(yè)重要關(guān)注和研究的內(nèi)容。由于電力起動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作輕便、起動(dòng)迅速、重復(fù)起動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2]。蓄電池是汽車(chē)電力起動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能起著至關(guān)重要的影響。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)

起動(dòng)機(jī)和蓄電池是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)最基本的部件，起動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，蓄電池是起動(dòng)機(jī)的能量來(lái)源[3]。

起動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換如圖1所示，蓄電池中的電能通過(guò)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，克服發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行起動(dòng)，汽車(chē)得以正常行駛[4]。

圖1 起動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換

2 蓄電池系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，鉛酸蓄電池在產(chǎn)品應(yīng)用及理論研究等方面得到了全面的發(fā)展。由于其具有成本低廉、安全性高、再回收方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從中長(zhǎng)期考慮，由于成本優(yōu)勢(shì)鉛酸蓄電池仍將在電池行業(yè)占據(jù)重要地位[5-6]。

按照用途鉛酸蓄電池可以分為很多種，在汽車(chē)行業(yè)多為起動(dòng)照明(starting lighting and ignition，SLI)電池，主要為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、照明及點(diǎn)火(主要為汽油機(jī)和氣體機(jī))提供能量，同時(shí)也為車(chē)輛用電設(shè)備提供電能。其主要性能參數(shù)有靜止電動(dòng)勢(shì)、電池內(nèi)阻和電池容量等[7]。

1.1 靜止電動(dòng)勢(shì)

靜止電動(dòng)勢(shì)是指鉛酸蓄電池在不充電也不放電時(shí)，單格電池正極和負(fù)極之間的開(kāi)路電壓，由正、負(fù)極板與電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，其大小由蓄電池電解液的相對(duì)密度和溫度決定。工程上靜止電動(dòng)勢(shì)EJ常用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示：

EJ=0.85+γ25℃，

(1)

式中:EJ為蓄電池靜止電動(dòng)勢(shì)，V；γ25℃為25 ℃時(shí)蓄電池電解液的相對(duì)密度,g/cm3。

1.2 電池內(nèi)阻

鉛酸蓄電池內(nèi)阻的大小代表了蓄電池負(fù)載能力的強(qiáng)弱，主要由極板、電解液、隔板以及極柱等組件的電阻組成。在蓄電池完全充電的情況下，極板電阻很小，但是隨著蓄電池不斷放電，極板表面覆蓋的硫酸鉛隨之增多，極板電阻將隨著變大。蓄電池電解液的電阻主要受電解液的溫度和相對(duì)密度影響，低溫度時(shí)電解液的粘度增大，電解液中的離子受到的阻力增大，擴(kuò)散能力下降，導(dǎo)致電阻增大。而電解液的相對(duì)密度也會(huì)影響離子的擴(kuò)散能力，過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致電阻增大。蓄電池隔板電阻的大小主要由隔板的材料、厚度以及多孔性決定[8]。

1.3 電池容量

鉛酸蓄電池的容量代表著電池對(duì)外供電能力的大小，是衡量電池性能的主要性能指標(biāo)之一。它表示在一定條件下(放電率、溫度、終止電壓等)蓄電池放出的電量，由下式表達(dá)[9]：

C=Iftf,

(2)

式中:C為蓄電池的容量，A·h；If為放電電流(恒流) ，A；tf為放電時(shí)間，h。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)

為考核蓄電池及起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)測(cè)試。

3.1 試驗(yàn)條件

選用某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行多次發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)條件

3.2 試驗(yàn)步驟

1) 試驗(yàn)前使用專(zhuān)用的放電設(shè)備得到不同的蓄電池充電狀態(tài)。

圖2 4610 AUTO LINK電池測(cè)量?jī)x

2) 通過(guò)電池測(cè)量?jī)x測(cè)量蓄電池的主要性能參數(shù)，為了方便快捷地測(cè)試蓄電池的狀態(tài)，選用4610 AUTO LINK電池測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示，測(cè)量?jī)x能夠在試驗(yàn)前快速的得到鉛酸蓄電池的狀態(tài)參數(shù)，包括電壓、容量、內(nèi)阻、充電狀態(tài)等參數(shù)。

3)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中使用INCA軟件與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU保持通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次起動(dòng)試驗(yàn)中，進(jìn)氣歧管溫度和水溫保持一致。

4) 分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)用的INCA數(shù)據(jù)分析軟件(measure data analyzer)對(duì)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到起動(dòng)轉(zhuǎn)速、起動(dòng)最低電壓和起動(dòng)時(shí)間等數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)分析

結(jié)合每次試驗(yàn)前測(cè)得的蓄電池性能參數(shù)，對(duì)每次起動(dòng)試驗(yàn)得到的起動(dòng)轉(zhuǎn)速、起動(dòng)最低電壓和起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到鉛酸蓄電池充電率與內(nèi)阻的關(guān)系以及鉛酸蓄電池充電率與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖3、圖4所示。

圖3 蓄電池充電率與蓄電池內(nèi)阻關(guān)系 圖4 蓄電池充電率與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速關(guān)系

由圖3可知，鉛酸蓄電池的內(nèi)阻隨著蓄電池充電率的降低而升高，主要是因?yàn)樾铍姵爻潆娐试礁撸采w在極板表面的PbSO4減少，板極電阻會(huì)隨之減小，從而蓄電池內(nèi)阻變小，但是充電率低于40%時(shí)，其內(nèi)阻快速上升。

由圖4可知，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速和蓄電池充電率沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

蓄電池充電率與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間關(guān)系如圖5所示，蓄電池充電率與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)最低電壓關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖5 蓄電池充電率與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間關(guān)系 圖6 蓄電池充電率與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)最低電壓關(guān)系

由圖5可知，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間和蓄電池充電率沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖6可知，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)最低電壓和蓄電池充電率沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 結(jié)論

1)鉛酸蓄電池的內(nèi)阻隨著蓄電池充電率的降低而升高，特別是充電率低于40%時(shí)，其內(nèi)阻快速上升。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速、起動(dòng)時(shí)間、起動(dòng)最低電壓和蓄電池充電率沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

因此在汽車(chē)使用過(guò)程中，蓄電池的充電率保持在40%以上，可以為汽車(chē)提供最佳的電量供應(yīng)。由于無(wú)法從起動(dòng)時(shí)間等主觀感受上判斷蓄電池充電率的大小，所以汽車(chē)長(zhǎng)期不使用時(shí)，建議定期起動(dòng)為蓄電池充電，避免因蓄電池電量不足造成無(wú)法起動(dòng)等問(wèn)題。