李敬斌，李新光

（安徽省江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車載蓄電池的匹配設(shè)計方法

李敬斌，李新光

（安徽省江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

詳細闡述汽車起動的各個過程，計算每個過程中消耗的蓄電池容量，以起動次數(shù)和蓄電池剩余容量來評價匹配結(jié)果，使汽車蓄電池的匹配設(shè)計更具科學(xué)性。

蓄電池；匹配設(shè)計；容量

蓄電池作為汽車電氣系統(tǒng)中的核心零部件，起著十分重要的作用。在車輛未起動時作為供電電源滿足車輛用電需求，在起動過程中負責(zé)提供較大電流拖動起動機工作，在車輛運行過程中又作為電容保持整車電壓穩(wěn)定。蓄電池匹配是整車設(shè)計中非常重要的工作，匹配不當(dāng)會造成車輛靜置時間短、容易饋電、起動困難等影響，且蓄電池作為化學(xué)產(chǎn)品，其電氣參數(shù)受外界環(huán)境影響較大，匹配過程中需要考慮的因素較多。

1 傳統(tǒng)蓄電池匹配設(shè)計方法

目前整車廠匹配蓄電池時，大都采用經(jīng)驗公式進行理論計算。

式中：C20——蓄電池額定容量，Ah；P——起動機功率，kW；U——蓄電池額定電壓，V。

式中：K——容量系數(shù)，0.04～0.05；P——起動機功率，kW；η——起動機效率；UH——蓄電池額定電壓，V；Uk——起動機制動電壓，V；RL——連線內(nèi)阻，Ω。

現(xiàn)有經(jīng)驗公式范圍很廣，實際使用只能作為參考。如公式（1）僅僅考慮起動機功率，公式（2）在公式（1）基礎(chǔ)上有所改進，增加了起動機效率、制動電壓和連線內(nèi)阻的影響，但仍存在一定偏差，只是相對范圍縮小了。上述經(jīng)驗公式都只是從起動過程角度考慮蓄電池的匹配，而沒有考慮外界環(huán)境溫度等因素的影響。當(dāng)相同的起動機匹配不同的發(fā)動機時，其起動電流是變化的，溫度對起動機和蓄電池的性能會有影響，因此，單純以起動機功率或其他固定參數(shù)來計算蓄電池容量是不夠科學(xué)的，與實際狀態(tài)差距較大。

2 蓄電池匹配設(shè)計方法優(yōu)化改進

本文通過分解汽車起動的各個過程，分析每個過程中蓄電池的作用，計算每個過程中消耗的蓄電池的容量，同時考慮在不同的溫度與放電電流的作用下對蓄電池容量的影響。通過蓄電池容量的減法計算，以起動次數(shù)和蓄電池剩余容量來評價匹配結(jié)果，最終使汽車蓄電池的匹配更具科學(xué)性和實用性。

根據(jù)汽車實際使用情況，將蓄電池匹配整個過程分為4個階段：汽車靜置階段、起動前準備階段、起動過程瞬間、起動間隔階段（圖1），其中起動間隔之后會進行下一次起動。蓄電池的匹配不僅只滿足車輛一次起動，本方法中以起動X次后還剩余XX電量為匹配結(jié)果。接下來對每個階段中蓄電池容量消耗量的計算方法進行詳述。

圖1 蓄電池的匹配過程

2.1 汽車靜置階段容量消耗C1

汽車靜置過程中蓄電池電量消耗的原因主要有兩方面：一是整車靜態(tài)電流的存在。由于現(xiàn)在汽車大量電子控制器的存在，其在非工作狀態(tài)下也會有一定的微弱電流，還有車上儀表、行車記錄儀等需要記憶時間的系統(tǒng)也會產(chǎn)生靜態(tài)電流。這類靜態(tài)電流一般為 mA級，但隨著靜置時間加長，其耗電量卻是不可忽視的。另一方面是蓄電池本身造成。由于蓄電池本身的化學(xué)特質(zhì)，即使不連接電路，也會產(chǎn)生自耗電，其耗電量由蓄電池的自放電率決定。綜上所述，在汽車靜置階段蓄電池的耗電量計算公式如下

式中：I靜——整車靜態(tài)電流， mA；T——靜置時間，天；C20——蓄電池初始容量；λ——蓄電池日自放電率。

2.2 汽車起動前準備階段容量消耗C2

汽車起動前準備主要是針對寒冷天氣，為提高汽車的冷起動性能，現(xiàn)代汽車尤其是商用車大都配備有發(fā)動機預(yù)熱和燃油加熱功能，有些會有液體加熱器。這些用電器的作用是起動前對發(fā)動機氣路和油路系統(tǒng)提前預(yù)熱，工作時間一般由系統(tǒng)本身決定，功率一般比較大，蓄電池消耗也不可忽視。此階段蓄電池的耗電量計算公式如下

式中：In——用電器的工作電流，A；Tn——用電器的工作時間，s。

2.3 起動過程蓄電池容量消耗C3

汽車起動時蓄電池提供起動電源，起動機拖動發(fā)動機運轉(zhuǎn)。故起動過程的電量消耗主要是由起動機工作引起的。其計算公式為

式中：Ist——起動機拖動電流，A；Tst——拖動時間，s。

需要注意的是，蓄電池在放電電流比較大或者環(huán)境溫度比較低時，其化學(xué)特質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致蓄電池實際可用容量降低。

由圖2、圖3可以得出，蓄電池在放電電流Ist，環(huán)境溫度為t時的實際可用容量百分比Φ。通過以上2個階段的容量消耗，起動前蓄電池的容量為C20-C1-C2。但在起動過程中，由于放電電流大以及考慮環(huán)境溫度的影響，蓄電池實際可用容量為（C20-C1-C2）×Φ。綜上可知，第1次起動完成后，蓄電池剩余容量為（C20-C1-C2）×Φ-C3。

圖2 蓄電池容量與放電電流關(guān)系曲線圖

圖3 蓄電池容量與溫度關(guān)系曲線圖

2.4 起動間隔階段蓄電池安時消耗C4

一般在天氣寒冷時，車輛并不能一次起動成功，需要再次起動。但是由于蓄電池剛剛經(jīng)過大電流放電，駕駛員一般會等待一段時間再進行起動。等待過程中，車上用電器工作仍會消耗蓄電池電量。其計算方法同C2一樣，根據(jù)用電器的工作電流和工作時間進行計算。

3 蓄電池匹配流程

首先根據(jù)公式計算出蓄電池容量的大致范圍，然后從范圍內(nèi)最小容量開始進行匹配計算。

起動1次后，蓄電池剩余容量：K1=（C20-C1-C2）×Φ-C3。

起動2次后，蓄電池剩余容量：K2=K1-（C4+C3）。

起動3次后，蓄電池剩余容量：K3=K2-（C4+C3）。

一般要求蓄電池起動匹配需要滿足3次起動，故當(dāng)K3小于0時，則表示所選擇蓄電池不滿足要求，然后選取更大容量的蓄電池再次進行匹配，直至K3大于0時表示滿足匹配要求。

以對某24 V車型進行蓄電池起動匹配為例，匹配過程如下。

1）確定最小容量 查得該車型起動機功率為3kW，根據(jù)經(jīng)驗公式（1）計算蓄電池容量范圍為50～60 Ah。故從50 Ah蓄電池開始進行匹配計算。

2）計算C1整車設(shè)計靜態(tài)電流為30 mA，要求車輛靜置30天后仍能滿足起動要求，蓄電池自放電率λ為1‰。根據(jù)C1計算公式得出C1=24 Ah。

3）計算C2起動準備階段開啟用電器列表（表1）。由C2計算公式得出C2=1.95 Ah。

表1 起動準備階段開啟用電器列表數(shù)據(jù)

4）計算C3汽車使用環(huán)境氣溫在-25 ℃時，發(fā)動機起動需要拖動電流500 A，拖動時間15 s，由C3計算公式得C3=2.08 Ah。

通過查蓄電池容量曲線，蓄電池在放電電流500 A，環(huán)境溫度25 ℃時，其實際可用容量降低為原來的21%。故第1次起動后，蓄電池剩余可用容量K1=21%（50-24-1.95）-2.08=2.97 Ah。蓄電池剩余可用容量大于0，滿足第1次起動要求，繼續(xù)計算。

5）計算C4通過同樣計算方法，列出起動間隔期間打開的用電器工作電流和工作時間。經(jīng)過計算得出C4=1.2 Ah。

第2次起動后，蓄電池剩余可用容量K2=K1-C4-C3=-0.21 Ah。剩余可用容量小于0，說明所選蓄電池不滿足要求，需要選更大容量的蓄電池，故選擇60 Ah蓄電池進行計算。

6）選用60 Ah蓄電池進行計算 K1=5.07 Ah，K2=1.79 Ah，K3=-1.19 Ah，K3小于0，仍然不滿足匹配要求，繼續(xù)選擇更大容量的蓄電池，故選擇70 Ah蓄電池再進行計算。

7）選用70 Ah蓄電池進行計算 K1=7.17 Ah，K2=3.89 Ah，K3=0.61 Ah，K3大于0，滿足起動匹配要求。

4 結(jié)束語

蓄電池起動匹配更科學(xué)，避免匹配蓄電池容量過小或過大，容量過小容易造成蓄電池饋電、起動困難等問題。容量過大會造成容量浪費，增加成本。

［1］ 郝飛，鄧恒.汽車蓄電池系統(tǒng)模型及其驗證（一）［J］.輕型汽車技術(shù)，2008（3）：15-19.

［2］ 郝飛，鄧恒.汽車蓄電池系統(tǒng)模型及其驗證（二）［J］.輕型汽車技術(shù)，2008（4）：22-25.

［3］ 張明森.汽車的電量平衡計算［J］.汽車電器，2010（10）：10-16.

［4］ 石志勇，韓勇，王宜海.汽車電平衡匹配設(shè)計淺析［J］.汽車實用技術(shù)，2015（4）：28-30.

（編輯 凌 波）

The Analysis of Vehicle Battery Matching Design

LI Jing-bin， LI Xing-guang
（Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.， Hefei 230601， China）

This paper demonstrates vehicle starting processes， and the power consumption of each process. Vehicle start times and battery residual capacity are used to evaluate matching results， which makes the matching design of automobile battery more scientific.

battery；matching design；capacity

U463.633

A

1003-8639（2017）04-0021-03

2016-11-10 ；

2016-11-24

李敬斌（1985-），男，工程師，主要從事汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計工作；李新光（1987-），男，工程師，主要從事汽車電器件設(shè)計工作。