包壽紅（科力遠(yuǎn)混合動力技術(shù)有限公司，上?！?01501）

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新能源汽車鉛酸蓄電池充電方法

包壽紅
（科力遠(yuǎn)混合動力技術(shù)有限公司，上海201501）

摘要：根據(jù)鉛酸蓄電池開路電壓與電量的關(guān)系，采用在車檢測電量的方法，對電量飽和與欠飽和兩種充電模式進(jìn)行充電。這種充電方法能延長鉛酸蓄電池使用壽命，又能節(jié)約電能，降低油耗，操作簡單，具有推廣性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鉛酸蓄電池；充電方法

在常規(guī)汽車中，12 V的低壓蓄電池由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電，一般采用恒定13.8 V左右的電壓進(jìn)行充電，而混合動力汽車由于發(fā)動機(jī)經(jīng)常處于停機(jī)狀態(tài)，無法使用常規(guī)的發(fā)電機(jī)。為了解決這一問題，增加一個DC/DC逆變器，一端接入288 V的動力電池電源，另一端輸出額定12 V的電源對低壓蓄電池充電，DC/DC逆變器一般集成在動力電池包內(nèi)，或者集成在電機(jī)控制器PEU內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)在發(fā)動機(jī)不工作時也能滿足低壓蓄電池充電要求。

圖1是某款混合動力車12 V蓄電池充電系統(tǒng)。有兩條途徑對12 V蓄電池充電，一是當(dāng)電機(jī)E1或者E2處于發(fā)電狀態(tài)時，先通過逆變器轉(zhuǎn)換成288 V高壓直流電源，再通過DC/DC逆變器轉(zhuǎn)換成額定12 V的電源給低壓蓄電池充電；二是通過動力電池高壓288 V電路直接給DC/DC逆變器供電，再轉(zhuǎn)換成額定12 V的電源給低壓蓄電池充電。

常規(guī)汽車使用的鉛酸蓄電池由正負(fù)極板、隔板和電解液組成。正極的活性物質(zhì)主要成分為二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)主要成分是鉛，電解液是蓄電池另一重要組成部分，由濃硫酸和去離子水配置而成，它的作用是傳導(dǎo)電流和參加電化學(xué)反應(yīng)。這種蓄電池在大電流過充、小電流過放或長期電量不足等狀態(tài)下，極易造成極板硫化、活性物質(zhì)大量脫落、自放電等，嚴(yán)重縮短電池的使用壽命。當(dāng)電池電量已處于飽和狀態(tài)時，發(fā)電機(jī)仍會以穩(wěn)定的電壓對蓄電池進(jìn)行充電，過多的電能將通過發(fā)熱的形式轉(zhuǎn)換為熱能，造成電能損失。

圖1　混合動力汽車12 V充電系統(tǒng)

1　蓄電池傳統(tǒng)充電方法

1.1蓄電池充電過程［1］

蓄電池充電過程是放電過程的逆過程，是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在電池內(nèi)儲存起來的過程。電解液濃度增加，蓄電池電動勢升高，充電過程中由于水的電解，將有氣泡產(chǎn)生。

充電時化學(xué)反應(yīng)總方程式為

在充電過程中，伴隨著水電解的副反應(yīng)如下

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

1.2傳統(tǒng)充電法及缺點(diǎn)［1］

定壓充電法是目前傳統(tǒng)汽車使用的充電方法，即在對蓄電池充電時充電電壓保持恒定不變，充電特性見圖2。充電時電流的變化規(guī)律如下

圖2　定壓充電特性［2］

充電初期充電電源Uc與蓄電池電動勢E差值較大，由式（4）可知，充電電流也較大，電動勢上升較快；若繼續(xù)充電，則Uc與E的差值逐漸減小，充電電流Ic也隨之減小，直至趨近于0。因此，定壓充電時，充電的電流大小主要取決于充電電源和蓄電池電動勢之間的差值；如果蓄電池放電虧空嚴(yán)重，電動勢E很小時，在充電初期充電電流會很大，且伴隨氣泡產(chǎn)生，易造成蓄電池的活性物質(zhì)脫落，對蓄電池有較大的影響。

當(dāng)蓄電池的電量基本飽和時，充電的電流減小，但由于充電的電壓保持14.8 V，仍有一定的充電電流，該電量將通過熱量的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2　新能源車蓄電池充電方法

2.1基本原理

根據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，在蓄電池電量不足時（虧電狀態(tài)下），在蓄電池允許的范圍內(nèi)以較大的電流進(jìn)行快速充電，避免蓄電池活性物質(zhì)脫落，同時又保證蓄電池的電量得到快速補(bǔ)充，保證車輛駐車停放后電量的充足，這種模式稱為電量欠飽和充電模式。在蓄電池電量充足的狀態(tài)下，采用略高于蓄電池額定電壓進(jìn)行浮充，始終維持蓄電池處于充足的電量，同時又不會把過多的電能轉(zhuǎn)換為熱能損失，這種模式稱為電量飽和充電模式。通過這種充電方法，可解決目前蓄電池存在的上述問題。

2.2充電方法實(shí)現(xiàn)

2.2.1蓄電池電量的檢測

通過蓄電池開路電壓的檢測，來判斷蓄電池的電量狀態(tài)。蓄電池開路（正負(fù)極二端未接負(fù)載）時，正常的情況下，如果檢測到開路電壓在12.4 V以上，就可以認(rèn)為蓄電池已充足電。開路電壓檢測值與電解液相對密度之間的關(guān)系見表1。

表1　開路電壓與充電狀態(tài)對應(yīng)表［2］

2.2.2整車上蓄電池電量的檢測

在整車上時，不可能脫開蓄電池兩端的接線柱進(jìn)行電池的電量檢測，但蓄電池的開路電壓可通過在車測試的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際整車測試，在點(diǎn)火鎖處于IG狀態(tài)下1s后測得的控制器常電端的電壓12.4V以上時，電池電量≥80%；電壓12.4 V以下時，電池電量＜80%。

蓄電池開路電壓測試的時機(jī)很重要，電源IG上電過程中，由于蓄電池內(nèi)阻的存在，電池內(nèi)部有一定的壓降，因此這時的端電壓要略小于蓄電池的開路電壓。大約需要1s左右的時間，蓄電池的端電壓才會穩(wěn)定下來，這時進(jìn)行電壓測量比較準(zhǔn)確，具體方法如下。

1）將點(diǎn)火鎖撥至IG電源狀態(tài)進(jìn)入IG電源時，整車控制器HCU測量其常電端的電壓，用IG電源1s后的電壓值定為蓄電池的開路電壓，從而確定電池的電量狀態(tài)。

2）直接起動進(jìn)入READY狀態(tài)整車控制器HCU測定其常電端的電壓，用IG電源1s后的電壓值確定為蓄電池的開路電壓，從而確定電池的電量狀態(tài)（HCU確認(rèn)電壓值后才能響應(yīng)READY申請）。

2.2.3電量飽和充電模式

HCU控制器常電端電壓大于或等于12.4 V，可認(rèn)為蓄電池電量處于飽和狀態(tài)。此時，DC/DC逆變器輸出電壓穩(wěn)定在12.75 V，可以保證蓄電池處于弱充弱放狀態(tài)，在大負(fù)荷工況下仍可以保證車輛駐車停放后，蓄電池容量維持在正常狀態(tài)。

2.2.4電量欠飽和充電模式

若HCU控制器常電端電壓小于12.4 V，DC/DC電壓穩(wěn)定在14.0 V進(jìn)行充電。在這種狀態(tài)下，無論負(fù)載怎樣，蓄電池的電量都能得到快速補(bǔ)充，且最大充電電流不會超出1C。

如果蓄電池虧電量不多，長時間充電可能會過充，但一般車輛行駛時間不會連續(xù)超出4h，只要車輛重新點(diǎn)火，蓄電池的電量又會重新進(jìn)行檢測，只要電量飽和，DC/DC的充電電壓就又可以穩(wěn)定到12.75 V，重新維持弱充弱放狀態(tài)。

2.2.5新能源車蓄電池充電流程

根據(jù)上述的蓄電池充電方法，可以用圖3所示的流程進(jìn)行描述。

圖3　蓄電池充電流程

3　新能源車蓄電池充電方法的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)時，根據(jù)測得的電壓，分別采用電量飽和模式與欠飽和模式進(jìn)行，每種模式下分別將整車用電器負(fù)載調(diào)到0～20 A、20～40 A、40～80 A三種狀態(tài)，觀察逆變器DC/DC的端電壓、電流值以及12 V蓄電池端電壓和電流值，確定這兩種充電模式的可行性。

3.1電量飽和充電模式的實(shí)驗(yàn)

3.1.1實(shí)驗(yàn)前蓄電池的狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)前先脫開蓄電池的負(fù)極接線柱，測的蓄電池的開路電壓為12.79 V，接上蓄電池接線柱后，使電源處于IG狀態(tài)，1s后測得的電壓值為12.4 V。根據(jù)表1蓄電池的電量狀態(tài)，采用電量飽和的充電模式進(jìn)行測試。

3.1.2不同負(fù)載下的充電實(shí)驗(yàn)

圖4是整車控制器HCU的INCA工具標(biāo)定界面。①處是指通過整車控制器HCU的參數(shù)設(shè)定，控制DC/DC逆變器的浮充電壓在12.75 V（實(shí)際DC/DC輸出電壓為12.625～12.75V）；②、③、④三處分別指負(fù)載在0～20A、20～40 A、40～80 A三種狀態(tài)下的DC/DC輸出電流值，分別是9 A、22 A以及55 A左右。

圖4　HCU的INCA標(biāo)定界面

1）0～20 A低負(fù)荷充電實(shí)驗(yàn)將整車用電負(fù)荷調(diào)整至10 A左右，每隔60s記錄一次蓄電池端電壓和電流的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)累計10 min。在測試過程中，DC/DC逆變器輸出電壓為12.625～12.75V，電流值為9A。測得的蓄電池端電壓和電流值數(shù)據(jù)見圖5，充電電流小于0.5 A，電壓12.74～12.75 V。12 V蓄電池處于弱充狀態(tài)。

圖5　低負(fù)荷蓄電池充電電壓電流值

2）20～40 A低負(fù)荷充電實(shí)驗(yàn)DC/DC逆變器輸出電壓為12.62～12.75 V，電流值為22 A。測得的蓄電池端電壓和電流值數(shù)據(jù)見圖6，放電電流小于0.5 A，電壓值為12.67～12.70 V。蓄電池處于弱放狀態(tài)。

圖6　中等負(fù)荷蓄電池充電電壓電流值

3）40～80 A大負(fù)荷數(shù)據(jù)測定DC/DC逆變器輸出電壓為12.62～12.75 V，電流值為55 A左右。測得的蓄電池端電壓和電流值數(shù)據(jù)見圖7，電壓值為12.54～12.75 V，蓄電池處于充放狀態(tài)，電流根據(jù)負(fù)載的變化而變化。其中記錄的第5 min這個點(diǎn)，電動助力轉(zhuǎn)向EPS轉(zhuǎn)至極限位置，整車總的電流值達(dá)到100 A左右，蓄電池釋放了15 A的電流；當(dāng)EPS轉(zhuǎn)回初始位置后，蓄電池開始充電。

圖7　大負(fù)荷蓄電池充電電壓電流值

3.1.3電量飽和充電模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)論

上述實(shí)驗(yàn)測試完畢后，測得IG狀態(tài)1s后的電壓為12.48 V，脫開蓄電池的接線柱測得端電壓為12.67 V，與實(shí)驗(yàn)前電量基本一致。在電氣負(fù)荷0～20A、20～40A、40～80 A的增加過程中，DC/DC逆變器的輸出電壓維持12.62～12.75 V不變，蓄電池由弱充到弱放。在大負(fù)荷時，根據(jù)負(fù)荷的變化，蓄電池處于充放狀態(tài)，端電壓仍可維持在12.5 V以上。實(shí)驗(yàn)說明當(dāng)蓄電池SOC大于80%時，DC/DC逆變器輸出電壓穩(wěn)定在12.75 V時，可以保證蓄電池處于弱充弱放的理想狀態(tài)，在大負(fù)荷工況下也可以保證蓄電池容量維持在正常狀態(tài)。

3.2電量欠飽和充電模式實(shí)驗(yàn)

3.2.1實(shí)驗(yàn)前蓄電池的狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)前測得蓄電池的開路電壓為11.84 V，IG狀態(tài)1s后測得的電壓值為11.34 V。根據(jù)表1蓄電池的電量狀態(tài)，采用電量欠飽和的充電模式進(jìn)行測試。

3.2.2不同負(fù)載下的充電實(shí)驗(yàn)

圖8　HCU的INCA標(biāo)定界面

圖8界面①處DC/DC的電壓設(shè)定在14 V（實(shí)際為13.87～14 V），②、③、④三處分別指負(fù)載在0～20 A、20～40 A、40～80 A三種狀態(tài)下的DC/DC輸出電流值，分別是20 A、40 A以及60 A左右。這里的DC/DC輸出電流有所增加，反映虧電狀態(tài)下的蓄電池作為一個用電器，增加了整車的用電負(fù)載。

1）0～20 A的低負(fù)荷充電實(shí)驗(yàn)DC/DC逆變器輸出電壓為13.87～14 V，電流值大于22 A。測得的蓄電池端電壓和電流值數(shù)據(jù)見圖9，充電電流從22 A逐漸降低到11 A，電壓值逐漸從13.7 V升至13.8 V。蓄電池處于快速充電狀態(tài)。

圖9　低負(fù)荷蓄電池充電電壓電流值

2）40～80 A大負(fù)荷的數(shù)據(jù)測定DC/DC逆變器輸出電壓為13.87～14 V，電流值為60 A及以上。測得的蓄電池端電壓和電流值數(shù)據(jù)見圖10，電壓值為13.61～13.81 V，蓄電池充電電流9 A左右。其中記錄的第3和第5min 2個點(diǎn)，分別是制動能量回收系統(tǒng)的ACMH和電動助力轉(zhuǎn)向EPS開始工作，最大電流值達(dá)100 A，在此負(fù)載下，蓄電池的充電電流仍有7 A以上。

圖10　大負(fù)荷蓄電池充電電壓電流值

3.2.3電量欠飽和充電模式實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)完畢后，測得IG狀態(tài)1 s后的電壓為11.99 V，脫開蓄電池的接線柱測得端電壓為12.25 V，與實(shí)驗(yàn)前相比，開路電壓上升了0.4 V，電量得到了較大補(bǔ)充。在電氣負(fù)荷為20 A左右時，蓄電池以較大的電流進(jìn)行快速充電；在電氣負(fù)荷為60 A以上，甚至達(dá)到100 A時，仍有較大的電流對蓄電池進(jìn)行充電。實(shí)驗(yàn)說明當(dāng)蓄電池SOC小于80%時，DC/DC逆變器輸出電壓穩(wěn)定在14 V時，可有效保證蓄電池在各種負(fù)荷下都可以處于較快的充電狀態(tài)。

4　結(jié)論

本文利用鉛酸蓄電池開路電壓與電量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在整車上對蓄電池電量的測試方法；根據(jù)蓄電池的電量狀態(tài)，分別對應(yīng)電量飽和模式與欠飽和模式進(jìn)行充電，以滿足蓄電池的充電需求。

在整車處于各種用電負(fù)荷下，采用這種充電方法，能在車輛行車電器正常工作的同時，可保證蓄電池在虧電時得到快速補(bǔ)充，確保蓄電池在駐車停放時蓄電池的電量充足；在蓄電池電量充足時，可確保蓄電池處于弱充弱放狀態(tài)，保證了蓄電池的最佳工作，最終可延長蓄電池的工作壽命。

采用這種充電方法，操作簡單，還可避免過多的電能轉(zhuǎn)換為熱量損失，更能體現(xiàn)新能源車的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，具有很好的推廣性。

參考文獻(xiàn)：

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

［2］包壽紅，余才光，馬志濤，等.混合動力汽車低壓蓄電池充放電管理［J］.汽車電器，2012，（10）：25-28.

（編輯楊景）

Charging Method of Lead-Acid Battery on New Energy Vehicle

BAO Shou-hong
（Corun Hybrid Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201501，China）

Abstract：According to the relationship between the open circuit voltage and the battery capacity of lead-acid battery，a method of detecting the battery capacity on vehicle is used to charge in two kinds of charging mode，which are saturation and under-saturation.This method can prolong the service life of lead-acid batteries，save energy，reduce fuel consumption，and simplify operation，thus worth widely promotion.

Key words：new energy vehicle；lead-acid battery；charging method

中圖分類號：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-8639（2016）06-0013-05

收稿日期：2015-10-21；修回日期：2015-11-27

基金項(xiàng)目：國家科技部基金項(xiàng)目（2011AA11A207）