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(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心［襄陽］，襄陽441004）

本文簡(jiǎn)要介紹了汽車自動(dòng)啟停系統(tǒng)、AGM鉛酸電池，搭建了一種模擬工況平臺(tái)對(duì)AGM電池進(jìn)行仿真、評(píng)價(jià)，并對(duì)實(shí)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(jìn)行仿真測(cè)試。

自動(dòng)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(xué)機(jī)械系畢業(yè)，現(xiàn)任國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽）燈光電器室室主任，高級(jí)工程師，已發(fā)表論文10余篇。

1　前言

自動(dòng)啟停系統(tǒng)（Start&Stop）簡(jiǎn)稱STT，啟停是指可在汽車怠速時(shí)停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的系統(tǒng)，例如在等交通信號(hào)燈時(shí)可減少排放量，提高燃油效率，只需踩手動(dòng)檔汽車的離合器或者自動(dòng)擋汽車的加速器就能使發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)。在需要?jiǎng)恿Φ那闆r下，如果汽車開始移動(dòng)，可能需要制動(dòng)壓力。啟停功能布局有效的降低油耗3%～5%，令車輛更加節(jié)能環(huán)保，停車時(shí)候關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)還可有效的降低噪聲和振動(dòng)，帶來更好的駕乘感受。故動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟停的概念會(huì)是一種趨勢(shì)，更加實(shí)用。

當(dāng)車輛在市區(qū)行駛時(shí)，由于擁擠的交通，車輛很難一直保持行駛狀態(tài)。在車輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然工作，這就導(dǎo)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(shí)間越長(zhǎng)，被浪費(fèi)掉的能量就越多。發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟停功能會(huì)在車輛停止行駛的階段關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，比如當(dāng)車輛等待紅綠燈、堵車的時(shí)候。當(dāng)需要繼續(xù)駕駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)再次自動(dòng)啟動(dòng)。經(jīng)過計(jì)算，在一次停車過程內(nèi)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)間超過4 s，就會(huì)開始比普通發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的車輛更加節(jié)能環(huán)保。綜合測(cè)試比較，開啟自動(dòng)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(jià)格的攀升，高二氧化碳排放稅的提高，再加上政府對(duì)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(dòng)并不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成多大磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部主要靠油膜潤(rùn)滑，鑒于自動(dòng)啟停的時(shí)間都很短，被機(jī)油泵打上去的機(jī)油不會(huì)都流回去，零件上還是保留了很多機(jī)油，在啟動(dòng)而且是熱啟動(dòng)那么點(diǎn)轉(zhuǎn)速和時(shí)間里沒什么影響，傳統(tǒng)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損大的是冷啟動(dòng)和高溫。冷啟動(dòng)以目前的機(jī)油技術(shù)，只要能用好些的機(jī)油其對(duì)磨損的影響應(yīng)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(shù)，啟停功能根本無法正常運(yùn)行，也就無法實(shí)現(xiàn)降低成本以及達(dá)到降低油耗從而減少排放的目的。這樣還會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。采用自動(dòng)啟停技術(shù)的車輛需要采用專門的蓄電池。采用錯(cuò)誤的電池不僅會(huì)影響功能的實(shí)現(xiàn)，還會(huì)大大縮短電池本身的使用壽命。實(shí)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)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(huì)減少7～16%。啟停系統(tǒng)對(duì)蓄電池的要求如下：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于需要點(diǎn)火，并且需要給啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電，車載蓄電池必須可以進(jìn)行大電流放電性能；

（2）由于啟停系統(tǒng)頻繁重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池支持頻繁地大電流放電；

（3）混合動(dòng)力系統(tǒng)為車輪提供動(dòng)力時(shí)，蓄電池需要提供能量支持；

（4）能滿足車內(nèi)音響、照明等電氣設(shè)備的需要；

（5）車載充電機(jī)給蓄電池充電時(shí)，蓄電池要具備很強(qiáng)的充電接受性能；

（6）具有長(zhǎng)壽命，至少使用壽命在兩年以上。

目前在應(yīng)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(dòng)用AGM蓄電池呢？啟動(dòng)用AGM電池是鉛酸電源新技術(shù)，它滿足了微混動(dòng)力車輛對(duì)蓄電池能量增長(zhǎng)的要求。啟動(dòng)用AGM蓄電池是一個(gè)閥控鉛酸 （VRLA）電池，電解液都吸附在玻璃絲棉隔板（AGM）中。啟動(dòng)用AGM蓄電池集中了工業(yè)用VRLA電池和啟動(dòng)用富液蓄電池的優(yōu)點(diǎn)為一體。AGM蓄電池壽命是傳統(tǒng)富液電池的三倍；優(yōu)良的冷啟動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。

2　工況仿真平臺(tái)的建立

在不斷的測(cè)試基礎(chǔ)上，搭建了如下的仿真平臺(tái)，即采用如表1、表2、表3的工況，對(duì)AGM電池在啟停過程中遇到的各種環(huán)境進(jìn)行仿真。

以下是模擬實(shí)車仿真工況：

表1　行車不開啟電負(fù)載過程

表2　行車開啟電負(fù)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(gè)完整循環(huán)。

3　仿真結(jié)果

本文選取的二只AGM蓄電池進(jìn)行工況仿真。為進(jìn)一步驗(yàn)證二只電池的一致性，將二只電池串聯(lián)起來進(jìn)行仿真（圖1，模擬常溫（25 ℃）實(shí)車工況充放電試驗(yàn)-行車不開啟電負(fù)載過程第1和第80個(gè)循環(huán)；圖2，模擬常溫實(shí)車工況充放電試驗(yàn)-行車開啟電負(fù)載過程第1和第40個(gè)循環(huán)；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(shí)車工況充放電試驗(yàn)-行車不開啟電負(fù)載過程第1和第80個(gè)循環(huán)；圖6，模擬低溫實(shí)車工況充放電試驗(yàn)-行車開啟電負(fù)載過程第1和第40個(gè)循環(huán)；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(shí)車工況充放電試驗(yàn)-行車不開啟電負(fù)載過程第1和第80個(gè)循環(huán)；圖10，模擬高溫實(shí)車工況充放電試驗(yàn)-行車開啟電負(fù)載過程第1和第40個(gè)循環(huán)；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(jīng)受表1、表2、表3的循環(huán)3次，在試驗(yàn)過程中，在大功率7.14 kW放電時(shí)，電池電壓瞬間降低，直到降低至21.775 V，此時(shí)電流達(dá)到-300 A。

低溫（-41 ℃）工況中，經(jīng)受表1、表2、表3的循環(huán)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(shí)電壓達(dá)到設(shè)備的保護(hù)值300 A。但電池仍能完成整個(gè)工況。試驗(yàn)結(jié)束后，蓄電池仍能正常工作。

高溫（50 ℃）工況中，經(jīng)受表1、表2、表3的循環(huán)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(shí)電流達(dá)到設(shè)備的限值-300 A，故此時(shí)已恒流300 A放電。

4　AGM蓄電池的進(jìn)一步探究

為什么AGM蓄電池?fù)碛懈眯阅芴攸c(diǎn)？

（1）AGM比同樣尺寸的富液電池具有相對(duì)高的冷啟動(dòng)性能

因?yàn)楦灰弘姵卦趬勖^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(chǔ)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(dǎo)致極板高度的降低。

AGM電池由于內(nèi)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(duì)同樣尺寸和極板數(shù)的富液電池就有更高的冷啟動(dòng)性能。

（2）AGM比同樣尺寸的富液電池具有較長(zhǎng)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(xué)反應(yīng)和振動(dòng)，活性物質(zhì)在電池壽命中會(huì)脫落?；钚晕镔|(zhì)脫落是導(dǎo)致電池老化的一個(gè)主要原因。實(shí)際應(yīng)用中會(huì)發(fā)生酸分層，產(chǎn)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(qū)域。AGM隔板直接并均勻地?cái)D壓在極板活性物質(zhì)上，同時(shí)保證活性物質(zhì)緊固在纖維墊中間；酸在玻璃纖維隔板中的毛細(xì)作用，會(huì)在一定程度上克服濃酸的重力作用，減輕酸分層。

5　結(jié)論

綜上所述，以上工況涵蓋了車載蓄電池頻繁進(jìn)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(guī)定的充電電壓、電流條件下，單位時(shí)間內(nèi)電池所接受的充入量。即達(dá)到馬斯理論的理想狀態(tài)，由此得到的電流曲線即為馬斯理想充電曲線，此時(shí)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(shù)，又稱為充電接受率 ）等重要性能。在各個(gè)溫度下均能完成仿真測(cè)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(yàn)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(zhǎng)期性［J］.化學(xué)電源，1983，8.

［2］朱冬，王曉華，韓友國(guó). AGM電池荷電狀態(tài)與開路電壓研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，第1期.

［3］籍風(fēng)榮，汪偉.蓄電池檢測(cè)方法研究［J］.在.移動(dòng)電源與車輛.2004，1.

［4］許成山，鄧世建.蓄電池的測(cè)試、使用與維護(hù)［A］：第十六屆全國(guó)煤炭自動(dòng)化學(xué)術(shù)年會(huì)、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)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(shí)車行駛的工況，成功的對(duì)選取的某AGM電池進(jìn)行仿真分析。該仿真工況可以作為評(píng)價(jià)AGM電池重要性能的依據(jù)，對(duì)帶啟停功能的汽車，合理選用電池具有一定的指導(dǎo)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