混合動力汽車低壓輔助供電系統(tǒng)充放電管理

俞劍斌，王 晨，周文太，于海生，易顯科

(科力遠混合動力技術(shù)有限公司上海分公司，上海201501)

由于鉛酸蓄電池具有價格便宜、性能可靠等優(yōu)點，絕大多數(shù)汽車都采用其作為弱電電源[1]。在傳統(tǒng)汽車中，鉛酸蓄電池的充電主要由發(fā)電機提供，但該發(fā)電機只能輸出恒定電壓，且整車一般沒有對蓄電池狀態(tài)進行監(jiān)測，因此很少有人研究汽車鉛酸電池的充放電管理，這在很大程度上限制了其使用壽命。

蓄電池的壽命除了取決于制造工藝外，很大程度上也取決于充放電管理。目前國內(nèi)外對鉛酸電池充電方法的研究較多，從恒流充電、恒壓充電、三段式充電到脈沖充電的研究，此外還有智能充電裝置的研究等[2-6]。但受成本和硬件的限制，大多數(shù)傳統(tǒng)汽車都采用恒壓充電策略，無法實現(xiàn)較復雜的充電方法。恒壓式充電策略一般將充電電壓設(shè)置在14～14.5 V，當對放電深度過大的蓄電池充電時，會引起初期充電電流急驟上升，易造成被充蓄電池過流及充電設(shè)備損壞等情況。同時，由于傳統(tǒng)汽車中對蓄電池的放電也沒有進行管理，導致經(jīng)常出現(xiàn)充電不足或饋電現(xiàn)象，嚴重縮短了蓄電池的使用壽命。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及2020年對汽車平均燃料消耗量限制在5.0 L內(nèi)國標的實施，混合動力汽車將成為市場的主流。相比傳統(tǒng)汽車，混合動力汽車增加了整車控制器和DC/DC等硬件，這對蓄電池充放電的管理提供了一定條件。本文在現(xiàn)有混合動力汽車硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，尋找一種適用且有效的蓄電池充放電管理策略，并在某款車型上進行了實驗，結(jié)果表明該管理策略效果良好。

1 鉛酸蓄電池特性

鉛酸蓄電池的主要部件是正負極板、電解液、隔板、電池槽，此外還有一些零件如端子、連接條、排氣栓等[7]。

1.1 放電特性

在放電時，正負極部分變成PbSO4，其在形成之后一段時間內(nèi)活性較高，如果在這一段時間內(nèi)沒有及時充電或者充電不完全，使它未及時轉(zhuǎn)化為正負極活性物質(zhì)，PbSO4則會在溫度低時再重新結(jié)晶，在結(jié)晶質(zhì)PbSO4上析出，這樣一次又一次地重復，使結(jié)晶顆粒不斷增大，成為導電性能差、難以溶解、充電時難以恢復的PbSO4結(jié)晶，即不可逆鹽化。因此在蓄電池放電后應(yīng)及時進行充電。

放電深度和容量的損失有很大的關(guān)系，在相同循環(huán)次數(shù)下，放電深度越大，電池的容量損失越多，研究表明盡量使電池放電深度不要超過70%，可以有效延長其使用壽命。

為了避免過度放電，應(yīng)設(shè)置放電終止電壓。而放電終止電壓與蓄電池的工作電流有關(guān)，工作電流越大其端電壓下降越快，因此需通過蓄電池的實際工作情況來合理設(shè)置其終止電壓[8]。本文通過實驗得到12 V鉛酸蓄電池在不同放電倍率下的終止電壓，如表1所示。

表1 不同放電率下的終止電壓

1.2 充電特性

目前市場上的充電機大多集中在恒壓式和恒流式的充電方式。對于恒流充電而言，大電流充電必然會導致蓄電池過流、過溫、極板極化等現(xiàn)象，嚴重影響蓄電池壽命；若以小電流慢充，雖然對蓄電池壽命影響較小，但充電時間會相對延長，且恒流式充電會導致過充。對于恒壓充電而言，充電電壓設(shè)置低時，相應(yīng)因充電電流小難以保證電池的容量值；反之電壓設(shè)置高，充電初期電流大，溫升快，則易消耗電池內(nèi)的電解液，嚴重影響電池的使用壽命[9]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及充放電管理

2.1 混合動力汽車低壓輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為某款混合動力汽車低壓輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)中發(fā)動機通過行星齒輪箱與永磁發(fā)電機連接，可以通過其發(fā)電，因此取消了傳統(tǒng)汽車中與發(fā)動機相連的小發(fā)電機。系統(tǒng)中DC/DC的輸入能量可由永磁發(fā)電機以及動力電池單獨或聯(lián)合提供，DC/DC的輸出供電給車內(nèi)低壓負載以及12 V鉛酸蓄電池。

圖1 混合動力汽車低壓輔助供電系統(tǒng)

該12 V蓄電池有三種狀態(tài)：當蓄電池存儲的電量充足時，其與DC/DC共同為整車低壓用電設(shè)備供電；當蓄電池存儲的電量不足時，DC/DC給低壓用電設(shè)備供電的同時也給蓄電池充電；當整車處于弱電狀態(tài)時，整車可工作的用電設(shè)備數(shù)量受到限制且全部能量由蓄電池提供。

圖1結(jié)構(gòu)中的DC/DC可由混合控制單元 (hybrid control unit，HCU)控制使其輸出變化的電壓，且DC/DC上有電壓和電流傳感器，如圖2所示，其在一定程度上能夠判斷蓄電池端的電量情況，這給蓄電池充電策略的實施帶來了一定條件。

圖2 低壓輔助系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

當上強電時，HCU通過控制DC/DC的輸出電壓使蓄電池處于理想的充電狀態(tài)。由于DC/DC與蓄電池并聯(lián)，上強電后當DC/DC輸出電壓比蓄電池高時，電壓傳感器的電壓無法真實反映蓄電池的狀態(tài)，因此這里將弱電時采集的電壓作為判斷依據(jù)。

2.2 控制策略

本文針對以上汽車電氣結(jié)構(gòu)，充分利用其現(xiàn)有軟硬件結(jié)構(gòu)對低壓輔助供電系統(tǒng)進行充放電管理的研究。擬采用階段式充電策略對蓄電池進行充電，盡量控制蓄電池在合適的放電深度，并設(shè)置終止放電電壓，其控制流程如圖3所示。

圖3 充放電控制流程

上弱電時，為了避免蓄電池過放，應(yīng)對其SOC進行監(jiān)控，圖4是蓄電池SOC值與開路電壓的關(guān)系。由于弱電下蓄電池放電電流一般不會超過0.5C，其端電壓相比開路電壓會低0.4～0.5 V左右，因此當汽車處于弱電狀態(tài)時，檢測蓄電池端的電壓：當電壓U＜11.9 V且U＞11.4 V時，儀表上提示“建議上強電”；當電壓U＜11.4 V且U＞10.8 V時，儀表提示“蓄電池電量低，請上強電”；當電壓U＜10.8 V時，強制下電。

圖4 SOC與開路電壓的關(guān)系

當蓄電池電量滿時上強電，控制DC/DC輸出12.75 V的恒壓，不僅可以減少DC/DC的功耗，還可以使低壓用電設(shè)備處于更穩(wěn)定、安全的狀態(tài)。當蓄電池電量不滿時，為了避免蓄電池大電流充電，控制DC/DC輸出12.75 V的初始充電電壓，并以每分鐘0.125 V的幅度增加至浮充電壓。浮充電壓關(guān)系到是否過充或充電不足，這里設(shè)定為14 V，因為若設(shè)定電壓高于14.4 V以上時會因過量充電使蓄電池內(nèi)電解液中水強烈分解或?qū)е聵O板脫粉，嚴重降低電池的使用壽命，甚至報廢；而低于13.8 V將不能滿足使用要求，造成電池長時間饋電，容易產(chǎn)生硫酸鹽化。

當汽車下電后，可能會有較長時間不使用或電量不足的情況。以北京市為例，據(jù)統(tǒng)計表明，北京市民在非節(jié)假日，每天累積用車時間一般不會超過2.5 h[10]，有可能會導致蓄電池長期電量過低。因此在下電后，首先斷開除DC/DC端外的所有高壓，同時設(shè)置DC/DC的輸出電壓為0，并對蓄電池端電壓進行監(jiān)測：當電壓U＞11.9 V時，執(zhí)行完全下電；當U＜11.9 V且U＞11.4 V時，階段式充電10 min后再完全下電；當U＜11.4 V且U＞10.8 V時，階段式充電30 min后再完全下電；當U＜10.8 V時，提示“蓄電池饋電，請維護”。

3 實驗驗證

上述弱電狀態(tài)下的電量監(jiān)測及響應(yīng)策略能夠很好地避免蓄電池過放，且由于車輛大多數(shù)時間都處于強電狀態(tài)，因此本文主要對上強電后的充電方式及效果進行實現(xiàn)和驗證。該實驗車中的DC/DC上設(shè)有電壓傳感器，能夠監(jiān)測到蓄電池的端電壓，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至HCU，HCU按照上述方法進行判斷，向DC/DC發(fā)送控制信號控制其電壓的輸出，以實現(xiàn)階段式充電或恒定浮充電壓充電。

3.1 階段式充電實驗

當蓄電池分別處于饋電、中等電量、飽和時在NEDC工況下采集階段式充電時DC/DC端輸出電流情況，如圖5所示。由圖5可知電池饋電時的充電電流最大，因此只需保證饋電時電流不超過充電電流的限值，那么其他情況就能滿足需求。

圖5 低、中、高電量下階段式充電的電流情況

上述實驗采集的是DC/DC端的輸出電流，由于DC/DC輸出端同時連接了蓄電池和低壓負載設(shè)備，NEDC工況時低壓負載的情況不穩(wěn)定，所以單純從DC/DC的輸出電流來判斷蓄電池的充電電流可能受干擾較大。為了排除干擾，本次實驗利用示波器直接采集蓄電池端的充電電流。

將小電池放電至饋電狀態(tài)，上強電運行在NEDC工況下，通過示波器直接采集小電池端的充電電流，結(jié)果如圖6所示。圖6中的藍框是因為開啟了電除霜功能，大量耗電導致小電池充電電流減小，綠框是由于電除霜的頻繁開閉導致的。從圖6可以看出其充電最大電流為32 A，在合理的范圍內(nèi)，對蓄電池的壽命影響較小。

圖6 蓄電池饋電時的充電電流情況

3.2 充電速度及充電效率對比實驗

使蓄電池初始為低電量狀態(tài)，靜止下上強電，讓DC/DC分別輸出14 V恒壓和階段式電壓給蓄電池充電至電流為10.5 A(此電流為DC/DC的輸出電流，由于靜止狀態(tài)下，低壓用電設(shè)備如各類型的控制器、儀表、顯示屏等的工作電流約為7 A，所以此時蓄電池的充電電流為3.5 A)，采集此過程DC/DC端輸出電流和電壓，并計算消耗的能量，如圖7所示。

圖7 不同充電方式的充電情況及對比

由圖7可知：14 V恒壓充電初始電流為47.5 A，充電至電流為10.5 A用了3 800 s(約63.3 min)，消耗能量1 095 021 J；階段式充電初始電流為18.5 A，充電至電流為10.5 A用了3 300 s(約55 min)，消耗能量858 870 J。因此，在相同初始條件下，階段式充電策略比14 V恒壓充電用時更少，且充電效率提升了21.56%。

3.3 電池飽和后減小浮充電壓的實驗

使蓄電池初始為滿電量狀態(tài)，整車運行在NEDC工況下，進行如下實驗：DC/DC輸出12.75 V的恒壓；DC/DC輸出階段式電壓；上強電后拔掉小電池的負極，使整車低壓用電設(shè)備完全由DC/DC供電。DC/DC輸出能量如圖8所示。

圖8 不同充電方法的DC/DC能耗

由圖8可知：在運行初期，由于電池電量較高，而DC/DC端的輸出電壓較低，此時蓄電池為整車弱電提供了一定能量；階段式充電策略中，由于DC/DC端電壓隨著時間的增加而增加，導致其與蓄電池端的壓差也逐漸增加，出現(xiàn)給蓄電池充電情況，因此該策略下DC/DC所消耗的能量相比其他兩種都要多。從圖8中A處開始，階段式充電所消耗的能量與其他兩種的差距在逐漸拉大；兩次實驗消耗電能量：W階段為6.89×105J，W恒壓為5.46×105J。表明在滿電量時，階段式充電策略比12.75 V恒壓充電策略多消耗0.04 kWh電量。

因此，當蓄電池電量滿時，不采用階段式充電策略，而是使DC/DC恒定輸出12.75 V的電壓，可以減少DC/DC的功耗，以降低整車能耗。

4 結(jié)論

本文通過對鉛酸蓄電池的充放電特性進行研究，在此基礎(chǔ)上結(jié)合混合動力汽車現(xiàn)有低壓輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了鉛酸蓄電池的充放電管理策略。

(1)提出通過弱電下的電壓來判斷蓄電池狀態(tài)的方法，對蓄電池電量進行監(jiān)控，針對可能出現(xiàn)的過度放電情況，通過對蓄電池電量的監(jiān)控，當其電量過低時執(zhí)行饋電保護機制；

(2)制定了適用于當前混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的階段式充電策略，并通過實車實驗驗證了該策略相比14 V恒壓充電策略，能有效提高蓄電池的充電效率、縮短充電時間，并且能夠防止饋電時充電電流過大的情況；

(3)在弱電狀態(tài)檢測到蓄電池電量滿時，上強電后將采用12.75 V的恒壓輸出，不僅能夠防止蓄電池過充情況，又能使供給低壓負載設(shè)備的電壓保持穩(wěn)定。

以上管理策略對混合動力汽車蓄電池具有重要的實用價值，能夠使其實現(xiàn)更合理的充放電管理，以延長蓄電池的使用壽命。

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