大型客車蓄電池的選型和匹配設(shè)計

【摘? 要】系統(tǒng)介紹某大型客車蓄電池的選型和匹配設(shè)計方法，根據(jù)動力配置和蓄電池性能參數(shù)，對蓄電池實際有效容量進行計算和分析，為最終選型提供可靠依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】蓄電池;有效容量;計算;分析

中圖分類號：U463.633? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0040-03

【Abstract】This paper systematically introduces the method of battery selection and matching design for a large bus. According to the power configuration and battery performance parameters，the actual effective capacity of the battery is calculated and analyzed.It provides a reliable basis for the final selection.

【Key words】battery;effective capacity;calculate;analysis

作者簡介

蔣新奉（1981—），男，工程師，研究方向為車輛電器系統(tǒng)匹配設(shè)計。

、

蓄電池作為車輛唯一的儲能設(shè)備，是汽車供電系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)在發(fā)動機未起動前為用電設(shè)備提供電能需求，收到起動指令后，在5～8s內(nèi)連續(xù)向起動機提供強大電流。

1? 設(shè)計目標(biāo)

整車采用電壓24V直流電系統(tǒng)，根據(jù)動力配置參數(shù)，確定蓄電池配置的最優(yōu)方案。要求滿足國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，符合廠內(nèi)實際生產(chǎn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，無過度成本浪費、無饋電和起動困難等缺陷，適用于全國大部分省市區(qū)域。

2? 蓄電池額定容量的選擇和計算分析

鉛酸蓄電池技術(shù)成熟、成本低廉、耐低溫性能突出，是目前大型客車配置的首選，本小節(jié)以普通型鉛酸蓄電池的參數(shù)計算。

2.1? 蓄電池額定容量范圍計算

根據(jù)起動機額定功率和經(jīng)驗系數(shù)計算蓄電池的容量范圍，計算公式：

Q = μ × P / U（1）

式中：Q——蓄電池額定容量（20h），Ah;μ——經(jīng)驗系數(shù)（大客車μ取值600～800）[1];P——起動機額定功率，kW;U——起動機額定工作電壓，V。

本案例工作電壓為24V，起動機為發(fā)動機附件，參數(shù)顯示額定功率為6kW，根據(jù)公式（1）計算得出蓄電池額定容量值：Q=150～200Ah。

2.2? 蓄電池消耗容量的分析

公式（1）得出的結(jié)果只是范圍值，如果僅憑這個依據(jù)來選擇蓄電池的額定容量，有可能會存在起動困難或成本浪費等問題。

在實際運用中，車輛起動的瞬間，蓄電池基本上不是滿電狀態(tài)，期間因為外界環(huán)境溫度、車輛使用用途和蓄電池本身性能等因素的影響，蓄電池實際的有效容量往往小于額定容量，所以上述結(jié)果還需優(yōu)化。為了方便計算，需要引入幾個概念：蓄電池實時溫度有效容量、自放電消耗容量、靜置期用電設(shè)備消耗容量和起動時消耗容量，詳細(xì)介紹如下。

2.2.1 蓄電池實時溫度有效容量的分析

鉛酸蓄電池放電是一個化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，環(huán)境溫度不同，直接影響其有效容量。在低溫環(huán)境實車使用過程中，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)蓄電池未達(dá)到滿額定容量卻顯示無法再繼續(xù)充電的情況，導(dǎo)致蓄電池?zé)o法達(dá)到滿電狀態(tài)。《GB/T 5008.1—2005起動用鉛酸蓄電池技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，額定容量試驗溫度為25℃±2℃[2]，但中國大部分地區(qū)冬季實際平均溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于25℃，以中國中南部地區(qū)湖南省為例，長沙市2021年最冷月（1月）平均溫度在4℃以上，日平均氣溫低于0℃有4.8天（本案例設(shè)定工作環(huán)境溫度為0℃）。從蓄電池容量與溫度關(guān)系曲線圖，如圖1所示，蓄電池在溫度為0℃時，蓄電池實際有效容量為額定容量的73.2%，此時蓄電池的實際有效容量計算公式：

C1=C20×λΔt（2）

式中：C1——蓄電池實際有效容量，Ah;C20——蓄電池額定容量，Ah;λΔt——t時環(huán)境溫度蓄電池容量比（0℃時，λΔt=73.2%）。

2.2.2 自放電消耗容量

因為蓄電池本身化學(xué)特質(zhì)，即使不連接電路，也會產(chǎn)生自耗電，其耗電量大小由蓄電池的自放電率決定，不同廠家不同產(chǎn)品差異較大。本案例設(shè)定的靜置期時長為30天，蓄電池廠商提供參數(shù)顯示，普通型蓄電池貯存30天實際有效容量大于額定容量的85%，計算公式為：

C2=C20×（1-85%）（3）

式中：C2——蓄電池自放電消耗容量;C20——蓄電池額定容量。

2.2.3? 靜置期用電設(shè)備消耗容量

車輛靜置期內(nèi)用電設(shè)備消耗容量主要為用電設(shè)備的記憶電流消耗和必須開啟的用電設(shè)備的電流消耗，與車輛具體配置的用電設(shè)備息息相關(guān)。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，同等配置的車輛靜置期消耗電流維持在100mA左右，計算公式為：

C3=I×24×T/1000（4）

式中：C3——靜置期用電設(shè)備消耗容量，Ah;I——靜置期消耗電流（計算時I取值100mA），mA;T——靜置時間（計算時T取值30天），天。

2.2.4? 起動時的消耗容量

起動時的消耗容量主要包含兩部分，一是起動前為保證起動安全提前運行的用電設(shè)備消耗，二是起動機起動發(fā)動機所消耗的電能。起動前需開啟的用電設(shè)備及電流參數(shù)，如表1所示。

起動前用電設(shè)備消耗電容計算公式為：

C4=（I1T1+I2T2+…+InTn）/3600（5）

式中：C4——起動前用電設(shè)備消耗容量，Ah;In——用電設(shè)備工作電流，A;Tn——用電設(shè)備工作時間，s。

起動機消耗電容的計算公式為：

C5=Ist×Tst/3600（6）

式中：C5——起動機消耗容量;Ist——起動機工作電流，A;Tst——起動機運行時間，s。根據(jù)動力配置提供參數(shù)：發(fā)動機空擋時冷起動電流為450A，單次起動機工作時間為5～10s（計算時Ist取值450A，Tst取值10s）。

2.2.5 蓄電池額定容量的計算分析

查詢《GB/T 5008.2—2013起動用鉛酸電池產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸、標(biāo)記》[3]所知，蓄電池額定容量在150～200Ah之間。從150Ah開始計算，按照上述公式計算得出：C1=150×73.2%=109.8Ah，C2=150×（1-85%）=22.5Ah，C3=100×24×30/1000=72Ah，C4=（3.1×120+4.5×90+10.8×90+87.45×120+20×120）/3600≈4.07Ah，C5=450×10/3600=1.25Ah。

蓄電池大電流放電不能單純以蓄電池額定容量來計算，因為短時間內(nèi)輸出電流量過大，蓄電池?zé)o法在短時間內(nèi)輸出全部的儲存電能，蓄電池額定容量越小，設(shè)定輸出電流越大，蓄電池能持續(xù)工作的時間就越短。按照《GB/T 12535—1990汽車起動性能試驗方法》的規(guī)定，汽車?yán)錂C起動試驗允許連續(xù)進行3次，若發(fā)動機未能自行運轉(zhuǎn)，則判定起動失敗，起動失敗間隔2min允許第2次起動[4]。通常的操作是關(guān)掉車輛電源，讓車輛靜置2min后再開啟電源，重復(fù)第1次起動操作程序，而這期間蓄電池持續(xù)化學(xué)反應(yīng)對消耗的容量進行快速補充，所以大電流持續(xù)放電對蓄電池?fù)p耗容量比只計算第1次起動，不需計入第2、3次起動容量消耗。查詢蓄電池大電流放電容量曲線圖，如圖2所示，蓄電池在0℃時以450A電流持續(xù)放電10s，額定容量為150Ah、180Ah、195Ah的蓄電池剩余有效容量分別降為滿電容量的23%、41%、42.6%，所以額定容量為150Ah的蓄電池第1次起動后，蓄電池剩余容量：Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=1.33Ah;第2次起動后，蓄電池剩余容量：Q2=Q1-C4-C5=-3.99Ah;第3次起動后，蓄電池剩余容量：Q3=Q2-C4-C5=-9.31Ah。

Q2值小于0，說明該蓄電池容量不足以滿足第2、3次起動要求，增大蓄電池額定容量依次計算，蓄電池額定容量為180Ah的計算結(jié)果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=10.51Ah、Q2=5.19Ah、Q3=-0.13Ah;蓄電池額定容量為195Ah的計算結(jié)果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×42.6%-C5=14.68Ah、Q2=9.36Ah、Q3=4.04Ah。

蓄電池額定容量為195Ah時，計算得出Q3>0，說明該蓄電池容量滿足我們的設(shè)計需求。

3? 蓄電池選型的優(yōu)化設(shè)計

由上文2.2.5小節(jié)可以看出，靜置期用電設(shè)備消耗電流的大小以及蓄電池本身的性能參數(shù)對最終的計算結(jié)果影響較大，因此可以從下面兩個方面進行優(yōu)化。

3.1? 電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

大型客車因為配置的用電設(shè)備種類繁多，車輛靜置期內(nèi)100mA的消耗電流看起來不大，但是30天的合計卻是一個不小的消耗。為了滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)實時上傳，如發(fā)動機ECU、行車記錄儀、GBOS（智慧客車運營系統(tǒng)）等用電設(shè)備的電源必須直接連接蓄電池。但是有一些設(shè)備在車輛靜置期內(nèi)實際上并不需要傳輸數(shù)據(jù)，產(chǎn)品廠家也要求提供蓄電池電源，如AEBS（自動緊急制動系統(tǒng)）、ECAS（電子控制的空氣懸架系統(tǒng)）、緩速器等。為了減少不必要的能耗，除了記憶和國標(biāo)必須要求的，在其他用電設(shè)備和蓄電池之間安裝手動電源開關(guān)，方便在長時間的靜默期內(nèi)切斷與蓄電池的連接。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，相同配置的車輛在安裝手動電源開關(guān)后，靜默電流可降低至35～50mA左右（計算時，靜置消耗電流取值50mA）。安裝手動電源開關(guān)后，再次計算，C3=50×24×30/1000=36Ah。蓄電池額定容量為150Ah時，C1=109.8Ah，C2=22.5Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=9.61Ah，Q2=4.29Ah，Q3=-1.03Ah;蓄電池額定容量為180Ah時的計算結(jié)果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=25.27Ah，Q2=19.95Ah，Q3=14.63Ah。

安裝手動電源開關(guān)后，蓄電池額定容量為180Ah時，Q3>0，該蓄電池容量滿足設(shè)計需求。

3.2? 蓄電池結(jié)構(gòu)類型選擇的優(yōu)化分析

眾所周知，不同結(jié)構(gòu)類型的蓄電池對環(huán)境的適應(yīng)力也相差懸殊，主要表現(xiàn)在蓄電池自放電和蓄電池實時溫度有效容量兩方面。目前國內(nèi)市場上，免維護型的蓄電池在這方面的數(shù)據(jù)表現(xiàn)很不錯。查詢免維護型蓄電池容量與溫度關(guān)系曲線圖和自放電曲線圖，如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4中可以看出，免維護型蓄電池0℃時環(huán)境溫度蓄電池容量比λΔt=81.9%，30天貯存后實際有效電容量為額定容量的92%。

按照不加裝手動電源開關(guān)和免維護型蓄電池的組合方式計算，額定容量為150Ah時，C1=150×81.9%=122.85Ah，C2=150×（1-92%）=12Ah，C3=72Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=6.75Ah，Q2=1.43Ah，Q3=-3.89Ah;蓄電池額定容量為180Ah時的計算結(jié)果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=22.26Ah，Q2=16.94Ah，Q3=11.62Ah。不加裝手動電源總開關(guān)時，免維護型蓄電池額定容量為180Ah時，Q3>0，滿足設(shè)計需求。

按照加裝手動電源開關(guān)和免維護型蓄電池的組合方式計算，額定容量為150Ah時，C1=122.85Ah，C2=12Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=27.77Ah，Q2=22.45Ah，Q3=17.13Ah。加裝手動電源總開關(guān)時，免維護型蓄電池額定容量為150Ah時，Q3>0，滿足設(shè)計需求。

3.3? 成本核算優(yōu)化分析

經(jīng)過一系列的計算可知有4個備選方案滿足設(shè)計要求。方案1普通型195Ah蓄電池;方案2手動電源開關(guān)和普通型180Ah蓄電池組合;方案3免維護型180Ah蓄電池;方案4手動電源開關(guān)和免維護型150Ah蓄電池組合。從采購提供的價格對比表（表2）很明顯看出：加裝手動電源開關(guān)和免維護型150Ah蓄電池的組合方案（方案4）成本最低，是最優(yōu)選方案。

4? 高寒地區(qū)蓄電池的選型設(shè)計

上文3.3小節(jié)確定了工作環(huán)境溫度在0℃時蓄電池類型及額定容量的大小，但是在中國北方和一些高寒山區(qū)，冬季最冷月日平均溫度通常低于0℃，所以還需為這些特殊區(qū)域的配置進行核算（設(shè)定-18℃為工作環(huán)境溫度）。

按照加裝手動電源總開關(guān)和免維護型蓄電池組合的最優(yōu)配置方式，查看圖3，-18℃時環(huán)境溫度蓄電池容量比λΔt=60%。查詢-18℃時蓄電池大電流放電容量曲線圖，如圖5所示，蓄電池在-18℃時以450A電流持續(xù)放電10s，額定容量為150Ah、180Ah的蓄電池實際可用容量分別降為額定容量的16%、29%。根據(jù)公式計算，額定容量為150Ah時，C1=150×60%=90Ah，C2=12Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×16%-C5=4.82Ah，Q2=-0.5Ah，Q3=-5.83Ah;額定容量為180Ah時，C1=180×60%=108Ah，C2=14.4Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出：Q1=（C1-C2-C3-C4）×29%-C5=14.27Ah，Q2=8.95Ah，Q3=3.63Ah。

在-18℃的工作環(huán)境溫度下，安裝手動電源開關(guān)后，蓄電池額定容量為180Ah時，Q3>0，該蓄電池容量可以滿足要求。

5? 總結(jié)

根據(jù)計算結(jié)果，該車輛蓄電池的最終配置方案為：安裝手動電源開關(guān)，在國內(nèi)大部分地區(qū)（環(huán)境溫度大于0℃），配置額定容量為150Ah的免維護型蓄電池;部分高寒山區(qū)（環(huán)境溫度小于0℃），配置額定容量為180Ah免維護型蓄電池。

新開發(fā)的車輛按照上述設(shè)計方法配置蓄電池，在可靠性試驗、起動試驗、加載加速耐久試驗中，蓄電池工作正常、運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)起動困難和饋電現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，本文描述的蓄電池選型和匹配設(shè)計的方法有效可行，可應(yīng)用于大型客車蓄電池的設(shè)計和優(yōu)化核算。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王婷萍. 汽車電氣系統(tǒng)的電源和負(fù)載匹配設(shè)計[J]. 汽車電器，2020（6）：47-49.

[2] GB/T 5008.1—2013，起動用鉛酸蓄電池第1部分：技術(shù)條件和試驗方法[S].

[3] GB/T 5008.2—2013，起動用鉛酸蓄電池第2部分：產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸、標(biāo)記[S].

[4] GB/T 12535—2021，汽車起動性能試驗方法[S].

（編輯? 凌? 波）