蓄電池對發(fā)動機起動性能的影響

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)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江 寧波 315800)

我國是汽車生產(chǎn)和消費大國，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛給人們的生活帶來便利，但不斷增加的車輛尾氣排放也給我們的健康和環(huán)境帶來諸多不利影響[1]。起動過程汽車污染物產(chǎn)生較多，作為評價發(fā)動機性能的重要指標，發(fā)動機起動性能已經(jīng)成為目前汽車行業(yè)重要關注和研究的內(nèi)容。由于電力起動系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、操作輕便、起動迅速、重復起動能力強的特點，在汽車行業(yè)得到廣泛應用[2]。蓄電池是汽車電力起動系統(tǒng)的重要組成部分，其對發(fā)動機的起動性能起著至關重要的影響。

1 發(fā)動機起動系統(tǒng)

起動機和蓄電池是發(fā)動機起動系統(tǒng)最基本的部件，起動機將電能轉(zhuǎn)換為動能，通過齒輪嚙合傳動使發(fā)動機從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，蓄電池是起動機的能量來源[3]。

起動系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換如圖1所示，蓄電池中的電能通過起動機轉(zhuǎn)化為機械能，克服發(fā)動機的阻力矩，使發(fā)動機正常運行起動，汽車得以正常行駛[4]。

圖1 起動系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換

2 蓄電池系統(tǒng)

經(jīng)過一百多年的發(fā)展，鉛酸蓄電池在產(chǎn)品應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，在國民經(jīng)濟各個領域得到了廣泛的應用。從中長期考慮，由于成本優(yōu)勢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，在汽車行業(yè)多為起動照明(starting lighting and ignition，SLI)電池，主要為汽車發(fā)動機的起動、照明及點火(主要為汽油機和氣體機)提供能量，同時也為車輛用電設備提供電能。其主要性能參數(shù)有靜止電動勢、電池內(nèi)阻和電池容量等[7]。

1.1 靜止電動勢

靜止電動勢是指鉛酸蓄電池在不充電也不放電時，單格電池正極和負極之間的開路電壓，由正、負極板與電解液發(fā)生電化學反應產(chǎn)生，其大小由蓄電池電解液的相對密度和溫度決定。工程上靜止電動勢EJ常用以下經(jīng)驗公式表示：

EJ=0.85+γ25℃，

(1)

式中:EJ為蓄電池靜止電動勢，V；γ25℃為25 ℃時蓄電池電解液的相對密度,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載能力的強弱，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密度影響，低溫度時電解液的粘度增大，電解液中的離子受到的阻力增大，擴散能力下降，導致電阻增大。而電解液的相對密度也會影響離子的擴散能力，過高或者過低都會導致電阻增大。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外供電能力的大小，是衡量電池性能的主要性能指標之一。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[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為放電時間，h。

3 發(fā)動機起動試驗

為考核蓄電池及起動機的起動性能，結(jié)合實例進行發(fā)動機起動測試。

3.1 試驗條件

選用某汽油發(fā)動機，進行多次發(fā)動機起動試驗，試驗發(fā)動機及主要試驗參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機起動試驗試驗條件

3.2 試驗步驟

1) 試驗前使用專用的放電設備得到不同的蓄電池充電狀態(tài)。

圖2 4610 AUTO LINK電池測量儀

2) 通過電池測量儀測量蓄電池的主要性能參數(shù)，為了方便快捷地測試蓄電池的狀態(tài)，選用4610 AUTO LINK電池測量儀進行測試，如圖2所示，測量儀能夠在試驗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)進行發(fā)動機起動測試，測試過程中使用INCA軟件與發(fā)動機ECU保持通訊進行數(shù)據(jù)采集，為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，每次起動試驗中，進氣歧管溫度和水溫保持一致。

4) 分析試驗數(shù)據(jù)，通過專用的INCA數(shù)據(jù)分析軟件(measure data analyzer)對試驗采集的數(shù)據(jù)進行分析，得到起動轉(zhuǎn)速、起動最低電壓和起動時間等數(shù)據(jù)。

4 試驗分析

結(jié)合每次試驗前測得的蓄電池性能參數(shù)，對每次起動試驗得到的起動轉(zhuǎn)速、起動最低電壓和起動時間進行分析。

通過對試驗采集的數(shù)據(jù)進行整理分析，得到鉛酸蓄電池充電率與內(nèi)阻的關系以及鉛酸蓄電池充電率與發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速之間的關系，如圖3、圖4所示。

圖3 蓄電池充電率與蓄電池內(nèi)阻關系 圖4 蓄電池充電率與發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速關系

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，主要是因為蓄電池充電率越高，覆蓋在極板表面的PbSO4減少，板極電阻會隨之減小，從而蓄電池內(nèi)阻變小，但是充電率低于40%時，其內(nèi)阻快速上升。

由圖4可知，發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速和蓄電池充電率沒有明顯的對應關系。

蓄電池充電率與發(fā)動機起動時間關系如圖5所示，蓄電池充電率與發(fā)動機起動最低電壓關系見圖6。

圖5 蓄電池充電率與發(fā)動機起動時間關系 圖6 蓄電池充電率與發(fā)動機起動最低電壓關系

由圖5可知，發(fā)動機起動時間和蓄電池充電率沒有明顯的對應關系。

由圖6可知，發(fā)動機起動最低電壓和蓄電池充電率沒有明顯的對應關系。

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，其內(nèi)阻快速上升。

2)發(fā)動機的起動轉(zhuǎn)速、起動時間、起動最低電壓和蓄電池充電率沒有明顯的對應關系。

因此在汽車使用過程中，蓄電池的充電率保持在40%以上，可以為汽車提供最佳的電量供應。由于無法從起動時間等主觀感受上判斷蓄電池充電率的大小，所以汽車長期不使用時，建議定期起動為蓄電池充電，避免因蓄電池電量不足造成無法起動等問題。