啟動(dòng)型蓄電池選型的研究與分析

王博，徐振環(huán)，高越，張中卿

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

啟動(dòng)型蓄電池選型的研究與分析

王博，徐振環(huán)，高越，張中卿

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

啟動(dòng)型蓄電池作為汽車最基本的零部件，設(shè)計(jì)者在車輛開(kāi)發(fā)初期就應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行評(píng)估和分析。文章從空載性能，啟動(dòng)能力，蓄電池使用壽命及車型配置，極端的工作條件等各角度進(jìn)行了分析，這對(duì)車輛啟動(dòng)型蓄電池的選型提供了可靠的依據(jù)。

空載性能；靜態(tài)電流；SOC；CCA

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-27-03

1 研究背景及意義

在汽車的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，啟動(dòng)型蓄電池選型至關(guān)重要，如果容量選擇過(guò)大，會(huì)增加汽車的開(kāi)發(fā)成本，增加車輛重量，浪費(fèi)布置空間；如果容量選擇過(guò)小，又會(huì)影響汽車的靜態(tài)存放時(shí)間，啟動(dòng)能力等性能。

2 啟動(dòng)型蓄電池工作原理

汽車電氣系統(tǒng)的啟動(dòng)型蓄電池的任務(wù)之一是以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)電能（在汽車行駛時(shí)則由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能），以使在停車狀態(tài)能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，所以稱之為啟動(dòng)型蓄電池（以下簡(jiǎn)稱為蓄電池）。蓄電池和發(fā)電機(jī)必須相互協(xié)調(diào)。一方面蓄電池能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)，也即發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)提供啟動(dòng)發(fā)電機(jī)所需的大電流；另一方面，必須在一定的時(shí)間內(nèi)，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和停機(jī)狀態(tài)時(shí)能給汽車電氣系統(tǒng)的一些重要器件（儀器裝置等）部分地或全部地供給電能。蓄電池的另一個(gè)任務(wù)是平抑電氣系統(tǒng)內(nèi)的峰值電壓，保護(hù)一些對(duì)電壓敏感的電子器件。

3 從空載性能角度分析

在車輛停放的時(shí)候，車輛是處于睡眠狀態(tài)，但仍然有一些控制器是要帶電工作的，例如BCM(Body Control Module),當(dāng)檢測(cè)到遙控鑰匙有解鎖車輛按鍵被按下時(shí)，需要執(zhí)行對(duì)車輛解鎖的動(dòng)作；例如PEPS(Passive Entry and Passive Start)，當(dāng)檢測(cè)到司機(jī)門微動(dòng)開(kāi)關(guān)被按下時(shí)，如果檢測(cè)到遙控鑰匙合法，那么PEPS將發(fā)送解鎖指令給BCM，BCM執(zhí)行對(duì)車輛的解鎖動(dòng)作，其他類似的控制器還會(huì)依據(jù)整車的需求執(zhí)行相應(yīng)功能、動(dòng)作等等，這就產(chǎn)生了所謂的靜態(tài)電流（靜態(tài)電流可以理解成車輛睡眠時(shí)所消耗的電流），整車廠可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：

T目標(biāo)是整車廠需要達(dá)到的性能目標(biāo)，即靜態(tài)存放多上時(shí)間以后還能啟動(dòng)車輛；

ISelfdischarge是蓄電池自放電所產(chǎn)生的電流，由于很小，所以在計(jì)算時(shí)可以忽略；

ISleep是整車處于睡眠狀態(tài)時(shí)所有控制器的靜態(tài)電流的總和；

0.3 是指30%的蓄電池容量作為車輛靜態(tài)存放所用；

C20是蓄電池的額定容量。

所以：當(dāng)ISelfdischarge忽略時(shí)，當(dāng)整車廠以T目標(biāo)按35天計(jì)算，那么估算的：

C20＞(35d*24h/d* ISleep)/ 0.3，即：

C20＞2800h* ISleep

此時(shí)，如果當(dāng)整車的靜態(tài)電流ISleep=20mA時(shí)，那么從空載新能角度來(lái)說(shuō)，蓄電池的額定容量應(yīng)該大于56Ah。

但請(qǐng)注意，通常來(lái)說(shuō)，由于車輛每次停車熄火后進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，蓄電池的SOC（state of charge）不一定為100%，所以每次都按照蓄電池的電量從80%（經(jīng)驗(yàn)值）放電到50%來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這勢(shì)必涉及到蓄電池的另一個(gè)參數(shù)的作為參考，含有50%的SOC的蓄電池是否能夠在低溫時(shí)啟動(dòng)車輛。

4 從啟動(dòng)能力角度分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)溫度與蓄電池的容量、起動(dòng)機(jī)功率、起動(dòng)機(jī)有否為齒輪傳動(dòng)以及勵(lì)磁方式有關(guān)，如果在-20℃時(shí)能保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，則蓄電池必須有最低的充電狀態(tài)。蓄電池容量大比蓄電池容量小可允許有更低的充電狀態(tài)。在歐洲，保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的最低溫度為：

表1 車輛啟動(dòng)最低工作溫度

不同類型的車輛對(duì)應(yīng)的起動(dòng)機(jī)的功率也各有差異：

表2 起動(dòng)機(jī)消耗的功率

通常來(lái)說(shuō)，如果在低溫（例如：-20℃）時(shí)能夠啟動(dòng)車輛，那么在室溫，甚至偏高溫度下（例如：60℃、80℃）時(shí)也是能夠啟動(dòng)車輛的，這主要依據(jù)蓄電池的CCA(Cold Cranking Ampere)指標(biāo)，當(dāng)starter起動(dòng)機(jī)能夠拖動(dòng)并帶起發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的CCA指標(biāo)達(dá)到一定的值，那么這個(gè)CCA也是蓄電池選型的另一個(gè)指標(biāo)。例如：CCA=600A ，那么蓄電池可供選擇容量假設(shè)滿足CCA不小于600A的最小蓄電池容量為60Ah。

但請(qǐng)注意，蓄電池的CCA指標(biāo)滿足車輛啟動(dòng)的需求，但并不意味著含有50%的SOC的蓄電池在低溫時(shí)同樣能夠啟動(dòng)車輛。當(dāng)然，這需要進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行摸底、驗(yàn)證。

5 從蓄電池的使用壽命及車型配置角度分析

首先，蓄電池的充電與汽車的行駛狀況有關(guān)，如堵車、停車-行駛、自由行駛。汽車的行駛狀況決定了發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。發(fā)電機(jī)的電能隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)增加而加大。汽車在路上長(zhǎng)時(shí)間等待和在紅色交通信號(hào)燈前發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)則在相應(yīng)的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，因而發(fā)電機(jī)給蓄電池的充電電流很小。較長(zhǎng)時(shí)間的市郊行駛也不利于蓄電池的放電-充電平衡。相反，如能在公路或高速公路上較長(zhǎng)時(shí)間自由行駛，則發(fā)動(dòng)機(jī)就能在中、高速范圍運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能就多，充電電流就大。

其次，通常來(lái)說(shuō)，鉛酸蓄電池的充放電次數(shù)大約在2萬(wàn)至2.5萬(wàn)次左右，這種蓄電池適用于非啟停型車輛配置；如果有啟停配置的車輛，那么勢(shì)必會(huì)經(jīng)常頻繁進(jìn)行啟動(dòng)，對(duì)蓄電池沖擊很大，頻繁的充放電，針對(duì)這種啟停配置的車輛蓄電池可選擇啟停型蓄電池，如AGM（Absorbent Glass Mat玻璃纖維吸附式蓄電池）型，EFB（Enhanced flooded battery增強(qiáng)型注水式鉛酸電池）型等這類蓄電池的充放電次數(shù)可達(dá)到6萬(wàn)次。

第三，如果對(duì)于擁有交流發(fā)電機(jī)智能管理的車型來(lái)說(shuō)，普通蓄電池就更不能勝任了，因?yàn)槌潆姸际窃跍p速和剎車時(shí)進(jìn)行的，此時(shí)電池承受的電流強(qiáng)度就更大了。

6 從極端的工作條件角度分析

只用一種標(biāo)準(zhǔn)蓄電池滿足所有可能出現(xiàn)的、完全不同的使用條件是不可能的。要想有一種能適合所有使用條件的通用蓄電池則必定是超尺寸的和昂貴的。

6.1 外界溫度

用于寒區(qū)國(guó)家非常低的溫度下的蓄電池需要很高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這些國(guó)家的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)溫度常低于-20℃。這種蓄電池裝有很多薄的極板和隔離板。

當(dāng)在亞寒區(qū)和寒區(qū)，充足電的蓄電池，電解液密度很大，其凍結(jié)的閥值為-68℃，而在熱帶國(guó)家需要減小電解液密度。

6.2 循環(huán)負(fù)載和機(jī)械負(fù)載

在職業(yè)性的工作范圍內(nèi)，如公共汽車、出租車、醫(yī)用車、供貨車等，由于經(jīng)常短距離行駛和用電量高導(dǎo)致蓄電池的循環(huán)負(fù)荷，在停車時(shí)又有導(dǎo)致蓄電池高放電的循環(huán)負(fù)荷，如空調(diào)、照明、風(fēng)扇、電液裝載用車廂邊板、制冷裝置、采暖等。

在越野車、商用車、建筑機(jī)械、拖車以及農(nóng)用車、林業(yè)用車上的蓄電池，其附加的循環(huán)負(fù)荷還要滿足在機(jī)場(chǎng)跑道、工地或越野時(shí)高振動(dòng)和高沖擊負(fù)荷的機(jī)械負(fù)荷要求。

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

某種車型在一定的使用條件下用電器件所需要的電能主要與蓄電池的容量和發(fā)電機(jī)的功率有關(guān)。汽車制造廠家和Bosch公司為汽車安裝的蓄電池是在下列約定的試驗(yàn)條件下滿足汽車電氣系統(tǒng)所安裝的各用電器件和起動(dòng)機(jī)所需的標(biāo)準(zhǔn)電功率。這些約定的試驗(yàn)條件為：

1）在冬天的白天與晚上的上、下班，在0℃行駛一周，在-20℃行駛一周；

2）在上述循環(huán)行駛后蓄電池的剩余容量至少為額定容量的50%。

在約定試驗(yàn)后，蓄電池還可以完成下列功能：

1）在-20℃時(shí)能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；

2）停車燈連續(xù)工作12h；

3）報(bào)警閃光燈連續(xù)閃光3h；

4）在取下點(diǎn)火鑰匙后的那些用電器還能工作2h，并接著能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣的蓄電池才算達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

8 結(jié)論與總結(jié)

通過(guò)幾個(gè)角度的分析，可以根據(jù)車輛類型、車輛配置、車輛銷售地區(qū)等等選擇出一個(gè)最適合某款車型的啟動(dòng)型蓄電池。這對(duì)車輛開(kāi)發(fā)初期對(duì)啟動(dòng)型蓄電池的選型提供了一個(gè)可靠的依據(jù)。

[1] 魏春源,馬爾.汽車電氣與電子.[M]北京理工大學(xué)出版社.2014.07.

Research And Analysis Of Start-up Battery Selection

Wang Bo, Xu Zhenhuan, Gao Yue, Zhang Zhongqing
( Huachen automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Start-up battery is a basic component in the vehicle. Designer should evaluate and analyze it to choose a suitable battery for the vehicle at the beginning of the project. From parking performance, the ability of start, the service life of the battery and the vehicle configuration, the extreme working conditions and so on are analyzed, this is provide the reliable evidence for the selection of the start-up battery.

Parking performance; quiescent current; state of charge; cold cranking ampere

U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)19-27-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.010

王博，本科，工程師，就職于華晨汽車工程研究院電氣部。主要從事整車系統(tǒng)架構(gòu)原理設(shè)計(jì)、通信矩陣設(shè)計(jì)、能量管理設(shè)計(jì)。