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)新能源有限公司，洛陽 471000)

作為重型車輛起動用的儲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電源，很難滿足嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件下車輛頻繁起動、快速充放電及大功率能量輸出等特殊場合的需求.

為提高重型車輛在嚴(yán)寒低溫條件下的起動性能，車上大都安裝有鉛酸蓄電池紅外加溫裝置，然而存在2個明顯缺陷:1)當(dāng)環(huán)境溫度低于一定溫度時加溫系統(tǒng)開始對鉛酸蓄電池殼體進(jìn)行加溫，而加溫過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有得到有效改善，造成了既耗電又起動不著車輛的窘態(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)寒低溫起動難的老問題，并大幅度地提高了電源儲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)境條件下車輛的潤滑油粘度明顯增大，使得發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動阻力矩隨之增大，導(dǎo)致車輛電起動時需要的起動電流也增大，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)致車輛起動困難.

1.2 超級電容器技術(shù)優(yōu)勢

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)的功率儲存能力.

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

5)壽命長.超級電容器充放電壽命可達(dá)107次，沒有“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)無污染.超級電容器的密封結(jié)構(gòu)使其電解質(zhì)不會泄露在空氣中，原材料的生產(chǎn)及拆解過程中也無污染，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)先用鉛酸蓄電池對車輛加熱器供電加熱，再用鉛酸蓄電池單獨(dú)起動車輛;方案2)先用鉛酸蓄電池對車輛加熱器供電加熱，再用超級電容器模塊單獨(dú)起動車輛;方案3)先用鉛酸蓄電池與超級電容器模塊并聯(lián)組成的復(fù)合電源對車輛加熱器供電加熱，再用復(fù)合電源起動車輛，詳見圖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)起動車輛試驗(yàn)情況

3.1.1 試驗(yàn)條件及測試方法

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)行車輛起動試驗(yàn) (發(fā)動機(jī)功率為396 kW，起動電機(jī)功率為11 kW)，起動車輛時環(huán)境溫度為-38～-40.3℃.

首先，接通蓄電池供電加熱開關(guān)，對車輛加溫裝置進(jìn)行供電加溫，當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻水溫由-34℃加溫到72.3℃時停止加熱.

然后進(jìn)行3次起動，前2次進(jìn)行發(fā)動機(jī)空馬達(dá)起動，不供油，起動車輛發(fā)動機(jī)拖動時間2～3 s，第3次供油按正常方式起動.

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車輛，在經(jīng)過11 min供電加熱后，消耗電量5.005 Ah，經(jīng)過2次不供油空馬達(dá)起動和1次供油起動后，未能成功起動車輛，起動沖擊電流為1 338.3 A，起動沖擊電壓為16.22 V，起動過程中的最大功率為21.71 kW.鉛酸蓄電池單獨(dú)起動車輛時的電流電壓測試曲線見圖2.

圖2 蓄電池單獨(dú)起動車輛電流電壓測試曲線

從測試曲線可以看出:起動過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，起動性能變差，不能正常起動車輛.事實(shí)表明，僅靠鉛酸蓄電池單獨(dú)供電來滿足嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件下的車輛起動要求，尚存在明顯缺陷.

3.2 超級電容器單獨(dú)起動車輛試驗(yàn)情況

3.2.1 試驗(yàn)條件及測試方法

在環(huán)境溫度為-24～-40.0℃的露天條件下，將27 V超級電容器模塊和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)行車輛起動試驗(yàn) (發(fā)動機(jī)功率396 kW，起動電機(jī)功率為11 kW).起動車輛時的環(huán)境溫度為-38.7～-40.0℃.

為了進(jìn)行試驗(yàn)對比，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)鉛酸蓄電池對車輛加溫裝置(與3.1型號不同)進(jìn)行供電加溫.蓄電池加溫電路見圖3.

當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度由-32℃加溫到71.5℃時停止加熱，然后改變電路連接方式，即用超級電容器模塊單獨(dú)向車輛起動電動機(jī)供電.超級電容器模塊單獨(dú)起動車輛發(fā)動機(jī)電路見圖4.

圖3 蓄電池加溫電路

圖4 超級電容單獨(dú)起動電路

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

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

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

圖5 超級電容器單獨(dú)起動車輛電流電壓測量曲線

測試結(jié)果表明，超級電容器模塊具備彌補(bǔ)蓄電池低溫放電能力差、起動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 超級電容器與蓄電池組成復(fù)合電源起動車輛試驗(yàn)情況

3.3.1 試驗(yàn)條件及測試方法

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)行起動車輛試驗(yàn) (發(fā)動機(jī)功率396 kW，起動電機(jī)功率為11 kW).起動車輛時的環(huán)境溫度為-39.2～-41.6℃.

試驗(yàn)前，用專用充電器對超級電容器模塊進(jìn)行充電，充電時間為1 min，充電終止電壓為26.90 V.將充好電的超級電容器模塊與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)電路接線圖見圖6.

圖6 試驗(yàn)電路接線圖

接通蓄電池供電加熱開關(guān)，對車輛加溫裝置(與3.2同型號)進(jìn)行供電加溫，車輛發(fā)動機(jī)冷卻液溫度由-34℃加溫到72.5℃.

共進(jìn)行了5次起動試驗(yàn).前2次只進(jìn)行空馬達(dá)不供油起動，起動車輛發(fā)動機(jī)拖動時間為2～3 s，從第3次開始正常供油起動.超級電容器模塊與蓄電池組成的復(fù)合電源連續(xù)5次起動車輛發(fā)動機(jī)的電流電壓測試曲線見圖7.

圖7 復(fù)合電源連續(xù)5次起動車輛電流電壓測試曲線

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用超級電容器與1塊75%額定容量的鉛酸蓄電池組成的復(fù)合電源起動車輛，在經(jīng)過長達(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.

起動車輛前，鉛酸蓄電池容量為70.5 Ah，測量起動沖擊電流為1 427 A，其中超級電容器模塊提供電流1 056 A，鉛酸蓄電池僅提供電流371 A.起動沖擊電壓為18.7 V，一次成功起動車輛.與鉛酸蓄電池單獨(dú)起動車輛相比，起動電流大88.7 A，起動沖擊電壓高2.48 V，沖擊功率為26.68 kW，增大了4.97 kW;當(dāng)起動成功后使發(fā)動機(jī)工作在充電轉(zhuǎn)速以上時，充電時間2 min左右，當(dāng)熄火后可以再次成功起動車輛;由于超級電容器的等效串聯(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)象和大電流放電對蓄電池的沖擊影響，同時使起動沖擊電壓得到較大提升，從而形成了對鉛酸蓄電池的良好保護(hù)作用，延長了鉛酸蓄電池的使用壽命和起動車輛的工作可靠性.

4 結(jié)論

通過3種試驗(yàn)方案的測試數(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)行低溫起動車輛發(fā)動機(jī)，起動沖擊電壓一般低于技術(shù)要求，起動成功次數(shù)十分有限;2)單獨(dú)使用超級電容器模塊進(jìn)行低溫起動車輛發(fā)動機(jī)的次數(shù)會明顯提高，起動沖擊電壓在23.2 V左右，車輛起動后若將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速固定在怠速不充電的狀態(tài)下，則會影響到下次起動車輛的成功率;3)利用復(fù)合電源進(jìn)行低溫起動車輛發(fā)動機(jī)的成功次數(shù)幾乎不受限制，工作可靠性大幅度地提高.由于超級電容器模塊的高功率特性，提高了起動沖擊電壓，所以延長了鉛酸蓄電池的使用壽命;同時也找到了解決嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件下車輛起動難的新途徑.復(fù)合電源技術(shù)的首次應(yīng)用，對車輛嚴(yán)寒低溫起動技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，具有重要的參考價值.

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