復(fù)合電源低溫起動(dòng)應(yīng)用研究

牛建民，薛 海，劉學(xué)霖，王 鵬，徐保榮

(1.北京特種車輛研究所，北京 100072;2.凱邁嘉華 (洛陽(yáng))新能源有限公司，洛陽(yáng) 471000)

作為重型車輛起動(dòng)用的儲(chǔ)能部件是其車輛電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響著整車性能的正常發(fā)揮，事實(shí)上僅僅依靠蓄電池作為單一的重型車輛起動(dòng)電源，很難滿足嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件下車輛頻繁起動(dòng)、快速充放電及大功率能量輸出等特殊場(chǎng)合的需求.

為提高重型車輛在嚴(yán)寒低溫條件下的起動(dòng)性能，車上大都安裝有鉛酸蓄電池紅外加溫裝置，然而存在2個(gè)明顯缺陷:1)當(dāng)環(huán)境溫度低于一定溫度時(shí)加溫系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)鉛酸蓄電池殼體進(jìn)行加溫，而加溫過(guò)程要消耗一定的電量，使鉛酸蓄電池端電壓出現(xiàn)明顯的降低;2)在-30～-40℃的嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件下，由于環(huán)境溫度低、散熱快，導(dǎo)致鉛酸蓄電池紅外加溫裝置的加溫效果并不十分明顯，使蓄電池的低溫性能沒(méi)有得到有效改善，造成了既耗電又起動(dòng)不著車輛的窘態(tài).因此，迫切需要研究旨在彌補(bǔ)鉛酸蓄電池性能不足的新型電源.

我們將具有高功率特性的超級(jí)電容器與高能量密度的鉛酸蓄電池組成復(fù)合電源，有效地解決了車輛嚴(yán)寒低溫起動(dòng)難的老問(wèn)題，并大幅度地提高了電源儲(chǔ)能元件的使用壽命周期.

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 鉛酸蓄電池技術(shù)缺陷

車輛用鉛酸蓄電池的電性能受嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件的影響較大，一般鉛酸蓄電池電解液溫度每降低1℃，電解液的比電阻要增加11倍，容量下降1%～2%，電解液粘度加倍，使得電解液很難滲入到極板內(nèi)層，從而導(dǎo)致鉛酸蓄電池電化學(xué)反應(yīng)速度放慢，充電接受能力變差，實(shí)際輸出容量減小;由于低溫環(huán)境條件下車輛的潤(rùn)滑油粘度明顯增大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩隨之增大，導(dǎo)致車輛電起動(dòng)時(shí)需要的起動(dòng)電流也增大，而鉛酸蓄電池在嚴(yán)寒低溫條件下的瞬間大電流放電能力受環(huán)境條件制約而不能充分發(fā)揮，導(dǎo)致車輛起動(dòng)困難.

1.2 超級(jí)電容器技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)功率密度高.功率密度一般可達(dá)300～5 000 W/kg，相當(dāng)于蓄電池的10倍.

2)瞬間大電流放電能力強(qiáng).瞬間能夠提供2 000 A左右的大電流，輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高，過(guò)程損失小，大電流能量循環(huán)效率不低于90%.

3)內(nèi)阻小.超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻遠(yuǎn)小于電容的ESR，在高速充放電情況下具有很強(qiáng)的功率儲(chǔ)存能力.

4)充放電響應(yīng)速度快.充電時(shí)間在10 s～10 min范圍內(nèi)就能達(dá)到其額定容量的95%以上，充放電路簡(jiǎn)單、安全，使用免于維護(hù).

5)壽命長(zhǎng).超級(jí)電容器充放電壽命可達(dá)107次，沒(méi)有“記憶效應(yīng)”.

6)使用溫度范圍寬.可以在-40～+65℃環(huán)境條件下全天候使用.

7)無(wú)污染.超級(jí)電容器的密封結(jié)構(gòu)使其電解質(zhì)不會(huì)泄露在空氣中，原材料的生產(chǎn)及拆解過(guò)程中也無(wú)污染，是一種理想的綠色環(huán)保電源.

2 試驗(yàn)方案

按照實(shí)際使用情況，試驗(yàn)研究方案按以下3種方案進(jìn)行:方案1)先用鉛酸蓄電池對(duì)車輛加熱器供電加熱，再用鉛酸蓄電池單獨(dú)起動(dòng)車輛;方案2)先用鉛酸蓄電池對(duì)車輛加熱器供電加熱，再用超級(jí)電容器模塊單獨(dú)起動(dòng)車輛;方案3)先用鉛酸蓄電池與超級(jí)電容器模塊并聯(lián)組成的復(fù)合電源對(duì)車輛加熱器供電加熱，再用復(fù)合電源起動(dòng)車輛，詳見(jiàn)圖1.

圖1 試驗(yàn)方案框圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 鉛酸蓄電池單獨(dú)起動(dòng)車輛試驗(yàn)情況

3.1.1 試驗(yàn)條件及測(cè)試方法

在環(huán)境溫度為-24～-40.3℃的露天條件下，將2塊75%的額定容量 (額定容量為110 Ah)、24 V的閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池，隨車輛冷凍36 h，然后進(jìn)行車輛起動(dòng)試驗(yàn) (發(fā)動(dòng)機(jī)功率為396 kW，起動(dòng)電機(jī)功率為11 kW)，起動(dòng)車輛時(shí)環(huán)境溫度為-38～-40.3℃.

首先，接通蓄電池供電加熱開(kāi)關(guān)，對(duì)車輛加溫裝置進(jìn)行供電加溫，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫由-34℃加溫到72.3℃時(shí)停止加熱.

然后進(jìn)行3次起動(dòng)，前2次進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)空馬達(dá)起動(dòng)，不供油，起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)間2～3 s，第3次供油按正常方式起動(dòng).

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用75%額定容量鉛酸蓄電池起動(dòng)車輛，在經(jīng)過(guò)11 min供電加熱后，消耗電量5.005 Ah，經(jīng)過(guò)2次不供油空馬達(dá)起動(dòng)和1次供油起動(dòng)后，未能成功起動(dòng)車輛，起動(dòng)沖擊電流為1 338.3 A，起動(dòng)沖擊電壓為16.22 V，起動(dòng)過(guò)程中的最大功率為21.71 kW.鉛酸蓄電池單獨(dú)起動(dòng)車輛時(shí)的電流電壓測(cè)試曲線見(jiàn)圖2.

圖2 蓄電池單獨(dú)起動(dòng)車輛電流電壓測(cè)試曲線

從測(cè)試曲線可以看出:起動(dòng)過(guò)程中蓄電池端電壓由23.7 V變?yōu)?6.22 V，蓄電池端電壓降低幅值已低于技術(shù)要求，起動(dòng)性能變差，不能正常起動(dòng)車輛.事實(shí)表明，僅靠鉛酸蓄電池單獨(dú)供電來(lái)滿足嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件下的車輛起動(dòng)要求，尚存在明顯缺陷.

3.2 超級(jí)電容器單獨(dú)起動(dòng)車輛試驗(yàn)情況

3.2.1 試驗(yàn)條件及測(cè)試方法

在環(huán)境溫度為-24～-40.0℃的露天條件下，將27 V超級(jí)電容器模塊和75%額定容量的110 Ah、24 V閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池隨車輛進(jìn)行露天冷凍36 h，然后進(jìn)行車輛起動(dòng)試驗(yàn) (發(fā)動(dòng)機(jī)功率396 kW，起動(dòng)電機(jī)功率為11 kW).起動(dòng)車輛時(shí)的環(huán)境溫度為-38.7～-40.0℃.

為了進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，我們將試驗(yàn)電路和試驗(yàn)方法進(jìn)行了調(diào)整，即用75%額定容量為110 Ah、24 V的閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池對(duì)車輛加溫裝置(與3.1型號(hào)不同)進(jìn)行供電加溫.蓄電池加溫電路見(jiàn)圖3.

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度由-32℃加溫到71.5℃時(shí)停止加熱，然后改變電路連接方式，即用超級(jí)電容器模塊單獨(dú)向車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電.超級(jí)電容器模塊單獨(dú)起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)電路見(jiàn)圖4.

圖3 蓄電池加溫電路

圖4 超級(jí)電容單獨(dú)起動(dòng)電路

直接供油起動(dòng)車輛，起動(dòng)拖動(dòng)時(shí)間為2～3 s.當(dāng)起動(dòng)成功后立即熄火，30 s后按要求再進(jìn)行2次供油起動(dòng).

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

車輛起動(dòng)前，超級(jí)電容器模塊靜態(tài)電壓為27.70 V，起動(dòng)沖擊電流為1 575 A，起動(dòng)沖擊電壓為23.2 V.車輛起動(dòng)成功后立即熄火，測(cè)量超級(jí)電容器模塊的恢復(fù)電壓為23.37 V.之后按規(guī)范又進(jìn)行了2次供油起動(dòng)，均能順利起動(dòng).與用鉛酸蓄電池單獨(dú)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的效果相比，起動(dòng)瞬間多釋放電流236.7 A，起動(dòng)沖擊電壓卻比鉛酸蓄電池單獨(dú)起動(dòng)時(shí)高出6.98 V，起動(dòng)過(guò)程最大功率為36.54 kW，比鉛酸蓄電池單獨(dú)起動(dòng)車輛時(shí)的輸出功率大14.83 kW.當(dāng)車輛起動(dòng)成功后，若將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在怠速狀態(tài)下不對(duì)超級(jí)電溶器模塊進(jìn)行補(bǔ)充充電，則會(huì)影響到連續(xù)起動(dòng)車輛的次數(shù).只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在充電轉(zhuǎn)速以上時(shí)，超級(jí)電容器模塊單獨(dú)起動(dòng)車輛的次數(shù)才會(huì)大幅增加;而當(dāng)車輛長(zhǎng)期放置不使用時(shí)，則會(huì)因超級(jí)電容器模塊自放電造成電壓下降，影響車輛起動(dòng).超級(jí)電容器模塊單獨(dú)起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的電流電壓測(cè)試曲線見(jiàn)圖5.

圖5 超級(jí)電容器單獨(dú)起動(dòng)車輛電流電壓測(cè)量曲線

測(cè)試結(jié)果表明，超級(jí)電容器模塊具備彌補(bǔ)蓄電池低溫放電能力差、起動(dòng)沖擊電壓低及提供峰值負(fù)載脈沖功率的應(yīng)用能力.

3.3 超級(jí)電容器與蓄電池組成復(fù)合電源起動(dòng)車輛試驗(yàn)情況

3.3.1 試驗(yàn)條件及測(cè)試方法

在環(huán)境溫度為-26～-41.6℃的露天條件下，將1塊27 V電容器模塊和1塊75%額定容量為110 Ah、24 V的閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池隨車露天冷凍36 h，然后進(jìn)行起動(dòng)車輛試驗(yàn) (發(fā)動(dòng)機(jī)功率396 kW，起動(dòng)電機(jī)功率為11 kW).起動(dòng)車輛時(shí)的環(huán)境溫度為-39.2～-41.6℃.

試驗(yàn)前，用專用充電器對(duì)超級(jí)電容器模塊進(jìn)行充電，充電時(shí)間為1 min，充電終止電壓為26.90 V.將充好電的超級(jí)電容器模塊與1塊75%容量的24 V、110 Ah的閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池并聯(lián)連接，并聯(lián)后端電壓為26.10 V.試驗(yàn)電路接線圖見(jiàn)圖6.

圖6 試驗(yàn)電路接線圖

接通蓄電池供電加熱開(kāi)關(guān)，對(duì)車輛加溫裝置(與3.2同型號(hào))進(jìn)行供電加溫，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度由-34℃加溫到72.5℃.

共進(jìn)行了5次起動(dòng)試驗(yàn).前2次只進(jìn)行空馬達(dá)不供油起動(dòng)，起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)間為2～3 s，從第3次開(kāi)始正常供油起動(dòng).超級(jí)電容器模塊與蓄電池組成的復(fù)合電源連續(xù)5次起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的電流電壓測(cè)試曲線見(jiàn)圖7.

圖7 復(fù)合電源連續(xù)5次起動(dòng)車輛電流電壓測(cè)試曲線

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用超級(jí)電容器與1塊75%額定容量的鉛酸蓄電池組成的復(fù)合電源起動(dòng)車輛，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)1 h的供電加熱后，復(fù)合電源的端電壓由23.52 V降至23.40 V，消耗容量12 Ah.

起動(dòng)車輛前，鉛酸蓄電池容量為70.5 Ah，測(cè)量起動(dòng)沖擊電流為1 427 A，其中超級(jí)電容器模塊提供電流1 056 A，鉛酸蓄電池僅提供電流371 A.起動(dòng)沖擊電壓為18.7 V，一次成功起動(dòng)車輛.與鉛酸蓄電池單獨(dú)起動(dòng)車輛相比，起動(dòng)電流大88.7 A，起動(dòng)沖擊電壓高2.48 V，沖擊功率為26.68 kW，增大了4.97 kW;當(dāng)起動(dòng)成功后使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在充電轉(zhuǎn)速以上時(shí)，充電時(shí)間2 min左右，當(dāng)熄火后可以再次成功起動(dòng)車輛;由于超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻遠(yuǎn)低于鉛酸蓄電池的內(nèi)阻，從而有效地阻止了鉛酸蓄電池內(nèi)阻的上升，降低了蓄電池的極化現(xiàn)象和大電流放電對(duì)蓄電池的沖擊影響，同時(shí)使起動(dòng)沖擊電壓得到較大提升，從而形成了對(duì)鉛酸蓄電池的良好保護(hù)作用，延長(zhǎng)了鉛酸蓄電池的使用壽命和起動(dòng)車輛的工作可靠性.

4 結(jié)論

通過(guò)3種試驗(yàn)方案的測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與比較，可以得出如下結(jié)論:1)僅使用鉛酸蓄電池進(jìn)行低溫起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，起動(dòng)沖擊電壓一般低于技術(shù)要求，起動(dòng)成功次數(shù)十分有限;2)單獨(dú)使用超級(jí)電容器模塊進(jìn)行低溫起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的次數(shù)會(huì)明顯提高，起動(dòng)沖擊電壓在23.2 V左右，車輛起動(dòng)后若將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在怠速不充電的狀態(tài)下，則會(huì)影響到下次起動(dòng)車輛的成功率;3)利用復(fù)合電源進(jìn)行低溫起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的成功次數(shù)幾乎不受限制，工作可靠性大幅度地提高.由于超級(jí)電容器模塊的高功率特性，提高了起動(dòng)沖擊電壓，所以延長(zhǎng)了鉛酸蓄電池的使用壽命;同時(shí)也找到了解決嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件下車輛起動(dòng)難的新途徑.復(fù)合電源技術(shù)的首次應(yīng)用，對(duì)車輛嚴(yán)寒低溫起動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，具有重要的參考價(jià)值.

[1]翟楠松，張東來(lái)，徐殿國(guó)，等.超級(jí)電容國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].儀器儀表學(xué)報(bào)增刊，2007，28(8):1-4.