包壽紅(科力遠(yuǎn)混合動力技術(shù)有限公司,上?!?01501)
?
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)
1.1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。
2.1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
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)。
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)