包壽紅，余才光，馬智濤，張 彤，孟 剛，韓 磊

（1.吉利汽車研究院有限公司電子傳動(dòng)分院，上海 201500；2.湖北駱駝集團(tuán)研究院有限公司，湖北 谷城 441705）

混合動(dòng)力轎車有兩類電池，一是高壓蓄電池（或稱動(dòng)力電池）；二是低壓蓄電池，與傳統(tǒng)車一樣，低壓蓄電池為整車電器提供12 V的工作電源。高壓蓄電池有比較完整的管理系統(tǒng)BMS，可以進(jìn)行合理的充放電管理，確保高壓蓄電池的正常工作，延長其使用壽命。而低壓蓄電池一般是通過DC/DC裝置，將高壓蓄電池的電源轉(zhuǎn)化為14 V的電源對(duì)低壓蓄電池進(jìn)行充電 （類似傳統(tǒng)車的發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池充電）。由于低壓蓄電池沒有專門的充放電管理系統(tǒng)，何時(shí)充電以及以多大的電流充電沒有一個(gè)合理的規(guī)范，很容易造成低壓蓄電池的損壞。主要表現(xiàn)為兩點(diǎn)。

1）在蓄電池電量出現(xiàn)嚴(yán)重虧空的情況下，DC/DC裝置給蓄電池充電的電流異常大，并持續(xù)較長時(shí)間而造成蓄電池?fù)p壞。

2）在ACC/ON電源狀態(tài)下，長時(shí)間使用電器，在此基礎(chǔ)上又長時(shí)間的停放，蓄電池電量一直處于虧空狀態(tài)，造成蓄電池?fù)p壞。

1 鉛酸蓄電池充放電過程[1]

蓄電池充電過程是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在電池內(nèi)儲(chǔ)存起來的過程。這個(gè)過程中電解液濃度增加，蓄電池電動(dòng)勢升高，同時(shí)伴隨水的電解，電解過程中將有氣泡產(chǎn)生。

充電時(shí)化學(xué)反應(yīng)總方程式為:

水電解過程中的副反應(yīng):

從式 （2）、 式 （3）兩個(gè)反應(yīng)式可以看出， 充電過程存在水的分解反應(yīng)，這種分解反應(yīng)在大電流過充電時(shí)更為明顯。

蓄電池的放電過程是充電過程的逆過程，是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。放電過程中，硫酸濃度下降，正負(fù)極上的硫酸鉛增加，電池的電動(dòng)勢降低，電池在放電后兩極活性物質(zhì)均轉(zhuǎn)化為硫酸鉛。

放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)式為:

2 蓄電池充放電管理

2.1 蓄電池充電管理

2.1.1 蓄電池充電過程中的影響因素

1）大電流充電對(duì)蓄電池的影響

大電流充電對(duì)蓄電池的危害之一是造成極板活性物質(zhì)大量脫落，特別是在大電流過充電的情況下。由于在充電過程中伴隨著水電解的副反應(yīng)，充電電流越大反應(yīng)越激烈，如式 （2）、式 （3）所示，水電解后產(chǎn)生大量的氫和氧，當(dāng)氫氣從負(fù)極板的孔隙內(nèi)向外沖出時(shí)，造成活性物質(zhì)脫落?；钚晕镔|(zhì)的脫落會(huì)使蓄電池容量下降，而且容易形成自放電和極板短路故障，因此在蓄電池充電過程中必須對(duì)充電電流進(jìn)行限制。

大電流充電危害之二是蓄電池內(nèi)部溫升較快，特別是大電流持續(xù)較長時(shí)間。由于蓄電池散熱不佳，很容易產(chǎn)生過熱，使蓄電池的內(nèi)阻下降，反過來又使充電電流進(jìn)一步增加，內(nèi)阻則進(jìn)一步下降，如此惡性循環(huán)持續(xù)下去會(huì)出現(xiàn)熱失控，造成蓄電池殼體嚴(yán)重變形以及相關(guān)線路溫升急劇上升。

2）溫度對(duì)蓄電池的影響

溫度對(duì)蓄電池影響之一是蓄電池的容量，主要原因是溫度變化時(shí)電解液粘度發(fā)生變化，影響了極板孔隙內(nèi)的活性物質(zhì)利用率。二是對(duì)蓄電池內(nèi)阻的影響，因此間接影響了充放電時(shí)蓄電池的端電壓。

圖1是容量為100 Ah的新蓄電池，以0.1C倍率的標(biāo)準(zhǔn)恒定電流在不同環(huán)境溫度下的充電特性曲線。溫度在0～5℃時(shí)，其充電端電壓會(huì)上升約2%，在10～25℃時(shí)充電端電壓上升約1.5%， 而在35～40℃時(shí)充電端電壓下降約1%，當(dāng)溫度高于55℃時(shí)充電端電壓下降5%。由此可見，在充電過程中，溫度的改變會(huì)對(duì)充電電壓產(chǎn)生一定影響，造成蓄電池在冬季充電可能不足，而在夏季可能過充[2]。

2.1.2 穩(wěn)壓限流的電路結(jié)構(gòu)及充電方法

在混合動(dòng)力汽車中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)常處于停機(jī)狀態(tài)，靠發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)無法正常給12V低壓蓄電池充電，因此給12V蓄電池充電的功能由DC/DC逆變裝置實(shí)現(xiàn)，該裝置一般集成在動(dòng)力電池BMS或是電機(jī)控制器PEU中。圖2是某款混合動(dòng)力車型的DC/DC逆變裝置，該裝置集成在電機(jī)控制器PEU中。

當(dāng)動(dòng)力電池電量SOC大于設(shè)定值時(shí)，動(dòng)力電池直接輸出電流經(jīng)DC/DC逆變器給12 V蓄電池充電；如果SOC值小于設(shè)定值，則起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，經(jīng)PEU逆變器給動(dòng)力電池充電，同時(shí)通過DC/DC逆變器對(duì)12 V蓄電池充電，并與12 V蓄電池一并給整車低壓電器供電。

由于DC/DC逆變裝置電源輸出端和12 V低壓蓄電池正極電源輸出端并接在一起，作為整車用電器的電源輸出，因此整車用電器和蓄電池都受DC/DC輸出電流的影響。如果為了保護(hù)蓄電池而限制DC/DC的輸出電流，有可能會(huì)出現(xiàn)無法滿足用電器出現(xiàn)大負(fù)荷電流的要求；如果為了滿足用電器大負(fù)荷電流的需求不限制DC/DC的電流，又會(huì)對(duì)蓄電池造成損害。因此這種充電電路必須能滿足蓄電池小電流充電的要求，同時(shí)又要能滿足大負(fù)荷用電器對(duì)電源的要求，圖3就是按上述要求專門設(shè)計(jì)的電路。

在圖3的電路結(jié)構(gòu)中，ACC或ON檔狀態(tài)下使用DVD、點(diǎn)煙器等車載用電器，DC/DC逆變裝置不工作，由12 V蓄電池通過續(xù)流二極管沿相關(guān)電路給用電器提供電源。

在READY或行車狀態(tài)，DC/DC逆變裝置開始工作，一是通過與車載用電器連接的電路給車載用電器提供電源，所需的電流大小由用電器的實(shí)際負(fù)載大小決定，但最大不能超過DC/DC逆變器的最大允許輸出電流。二是通過穩(wěn)壓限流裝置給蓄電池充電，穩(wěn)壓限流值與使用的蓄電池規(guī)格有關(guān)，充電的電流大小取決于蓄電池實(shí)際電量。當(dāng)蓄電池電量不足出現(xiàn)虧電時(shí)，這時(shí)的充電電流值最大，但由于穩(wěn)壓限流裝置限流的作用，電流大小一般不會(huì)超出1C倍率充電，確保蓄電池的活性物質(zhì)不因電流過大造成脫落；充電一段時(shí)間后，蓄電池的端電壓持續(xù)上升，充電電流逐漸下降，當(dāng)蓄電池的端電壓接近或達(dá)到穩(wěn)壓值時(shí)，充電電流趨近于零并一直維持。當(dāng)出現(xiàn)用電器負(fù)載突增時(shí)，蓄電池通過續(xù)流二極管輔助DC/DC逆變裝置給整車提供電源。

在蓄電池充電過程中，電流傳感器檢測蓄電池的實(shí)際需求電流，通過觸發(fā)器控制穩(wěn)壓限流裝置輸出蓄電池所需的電流值，并限制最大充電電流。溫度傳感器檢測蓄電池實(shí)際溫度，穩(wěn)壓限流裝置根據(jù)蓄電池的實(shí)際溫度以及圖1的充電曲線適當(dāng)調(diào)整充電電流，避免出現(xiàn)在冬季充電可能不足，而在夏季蓄電池可能過充電的現(xiàn)象。當(dāng)蓄電池溫度出現(xiàn)異常時(shí) （超過設(shè)定的極限溫度），穩(wěn)壓限流裝置可暫停給蓄電池充電，并發(fā)出警示。

表1是某款車型12 V蓄電池穩(wěn)壓限流充電裝置給65 Ah蓄電池充電的電流、電壓值，最大充電電流限制在1C倍率范圍內(nèi)，即電流最大不超過65 A。為了能明顯區(qū)別限流的效果，采用了虧電狀態(tài)和不虧電狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行充電對(duì)比。

表1 蓄電池充電電壓/電流值

表1中，電壓1和電流1是虧電狀態(tài)的蓄電池充電數(shù)據(jù) （將蓄電池放電至9V，靜止30min后電壓恢復(fù)至11.9 V，直接起動(dòng)車輛進(jìn)入READY狀態(tài)進(jìn)行充電）；電壓2和電流2則是正常狀態(tài)的蓄電池（12.6V）的充電數(shù)據(jù)。在充電過程中每隔2min左右記錄一次。為直觀起見，將表1數(shù)據(jù)用圖4的曲線表示。

從圖4的電流1曲線可看出，由于蓄電池虧電，電動(dòng)勢E很低，因此充電電流很大，但由于限流的作用以及溫度對(duì)充電電流的調(diào)節(jié)，在60 A左右開始趨于穩(wěn)定并維持一定的時(shí)間，然后開始下降；如果沒有限流的作用，充電電流將會(huì)沿虛線部分充電，電流將會(huì)接近75 A，然后較快地下降。電流2曲線由于最大的充電電流為34.5 A，未達(dá)到限流的設(shè)定值，因此電流不會(huì)在35 A左右穩(wěn)定一定的時(shí)間，而是較快的速度下降。從圖4可看出，正是由于限流的作用，即使蓄電池在虧電的狀態(tài)下充電，充電的電流也不會(huì)超出設(shè)定的電流值，從而避免了大電流對(duì)蓄電池的傷害。

2.2 蓄電池的放電管理

2.2.1 蓄電池放電過程中的硫化現(xiàn)象

由式 （4）表明，蓄電池在放電過程中，兩極活性物質(zhì)均轉(zhuǎn)化為硫酸鉛。充電不足或者充足電量的蓄電池因過量放電，譬如在ACC狀態(tài)下長時(shí)間使用音響設(shè)備等，使電解液中存在大量的硫酸鉛，如果車輛長期放置不用，硫酸鉛就會(huì)從電解液中析出，極板上會(huì)逐漸生成一層白色的粗晶粒的硫酸鉛，這種物質(zhì)很難在正常充電時(shí)溶解還原成活性物質(zhì) （稱為硫酸鉛硬化）。同時(shí)這種物質(zhì)會(huì)堵塞極板的孔隙，阻礙電解液的滲入，導(dǎo)致容量下降，內(nèi)電阻增大，起動(dòng)和充電性能明顯下降。充電時(shí)，充電電壓和電解液溫度會(huì)異常升高，并過早發(fā)生氣泡；放電時(shí)，電壓下降很快，嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。

2.2.2 ACC/ON電源狀態(tài)下的自充電方法

傳統(tǒng)汽車在ACC/ON電源狀態(tài)下，如果長時(shí)間的使用音響等電器，由于發(fā)動(dòng)機(jī)沒有工作，因此交流發(fā)電機(jī)無法給蓄電池及時(shí)充電，很容易使蓄電池過度放電，如果車輛再長時(shí)間停放，蓄電池就會(huì)出現(xiàn)極板硫化的現(xiàn)象，影響了蓄電池的使用。

在混合動(dòng)力車型中，由于采用了智能起動(dòng)系統(tǒng)，通過PS模塊 （或者HCU）實(shí)時(shí)檢測蓄電池的電壓，當(dāng)蓄電池電壓下降到所允許的下限值時(shí)自動(dòng)起動(dòng)充電系統(tǒng)，就可以達(dá)到防止蓄電池出現(xiàn)過度放電的現(xiàn)象，從而避免蓄電池出現(xiàn)極板硫化的問題。

圖5是某混合動(dòng)力車型蓄電池自充電系統(tǒng)拓?fù)鋱D，該系統(tǒng)主要由無鑰匙起動(dòng)系統(tǒng)PS、整車控制器HCU以及電池管理系統(tǒng)BMS和電機(jī)控制器PEU組成（PEU內(nèi)含DC/DC功能），可以將直流288 V的動(dòng)力電源轉(zhuǎn)換成低壓直流電源給12V蓄電池充電。

蓄電池自充電系統(tǒng)工作過程如下。

1）整車電源處于ACC或ON狀態(tài)時(shí)，由于較長時(shí)間內(nèi)使用音響等電器，使蓄電池電壓有所降低，當(dāng)PS模塊內(nèi)部電源監(jiān)測電路檢測到電壓低于設(shè)定值時(shí)，開始進(jìn)入自行充電模式。

2）PS模塊控制相應(yīng)的電路閉合，并向HCU提出充電請求。

3）HCU進(jìn)行診斷，確認(rèn)進(jìn)入READY的條件滿足，則接通主繼電器，使PEU、BMS、EMS進(jìn)入工作狀態(tài)，并起動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)化，如果同時(shí)檢測到動(dòng)力電池SOC值低于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)充電。

4）動(dòng)力電池的SOC值充電到設(shè)定值時(shí)，停止發(fā)動(dòng)機(jī)充電，保持READY狀態(tài)，以備隨時(shí)行車需要。

5）如不需使用電器，可按PS模塊上的POWER開關(guān)退出，使電源回到OFF狀態(tài)。

根據(jù)上面所述的工作過程，將其轉(zhuǎn)化成圖6所示的蓄電池自充電流程圖。

3 結(jié)論

鉛酸蓄電池正常使用壽命一般為2年，如使用不當(dāng)，蓄電池容易出現(xiàn)極板硫化和活性物質(zhì)脫落，以及由此造成的自放電和內(nèi)部短路問題。傳統(tǒng)車中蓄電池充電由發(fā)電機(jī)提供，而發(fā)電機(jī)提供的充電電源只穩(wěn)壓而不限流，因此不能控制大電流充電的現(xiàn)象發(fā)生；在ACC/ON檔位使用音響等設(shè)備時(shí)，傳統(tǒng)車的蓄電池放電后不能得到及時(shí)補(bǔ)充，因此會(huì)出現(xiàn)蓄電池電量不足，如果長期放置，就會(huì)出現(xiàn)極板硫化的現(xiàn)象。

而混合動(dòng)力車可以采用DC/DC模塊以及動(dòng)力電池管理系統(tǒng)BMS、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMS、無鑰匙起動(dòng)系統(tǒng)PS、整車控制器HCU等共同完成對(duì)低壓蓄電池的管理，在充電過程中，當(dāng)蓄電池電動(dòng)勢較低 （虧電狀態(tài)）出現(xiàn)大電流充電時(shí)，可以對(duì)大電流進(jìn)行限制，并通過溫度的檢測對(duì)充電電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)；當(dāng)電源在ACC/ON檔位使用音響等設(shè)備時(shí)，如蓄電池端電壓降到所允許的設(shè)定值時(shí)，蓄電池自充電系統(tǒng)將自動(dòng)起動(dòng)進(jìn)行充電，可有效防止蓄電池電量不足又長期放置出現(xiàn)的極板硫化現(xiàn)象的發(fā)生，確保低壓蓄電池的正常工作，減少DC/DC向低壓蓄電池的充電量，提高系統(tǒng)節(jié)油率，這也是混合動(dòng)力車有別于常規(guī)動(dòng)力車的特點(diǎn)之一。

[1]蓄電池維護(hù)保養(yǎng)手冊[Z].湖北駱駝電池股份有限公司，2007.

[2]杜 軍.基于P89V51RD2的多功能蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子元器件，2006，（7）:53-57.

[3]GB/T 5008.1-2005起動(dòng)用鉛酸蓄電池技術(shù)條件[S].中華人人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005.