劉炳均，岳巍強(qiáng)，王朔，王志明

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高原高寒地域中重型車輛蓄電池加熱起動輔助裝置研究

劉炳均1，岳巍強(qiáng)1，王朔1，王志明2

（1.軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161；2.無錫奧潤汽車技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214000）

解決中重型車輛裝備在高原高寒環(huán)境下蓄電池充放電性能降低，起動電量供應(yīng)不足的問題。采用燃油空氣加熱器對車用鉛酸蓄電池進(jìn)行加熱，同時運(yùn)用專用保溫箱進(jìn)行保溫，保持蓄電池內(nèi)部溫度在正常工作范圍，確保其在低溫環(huán)境下的充放電性能。使用蓄電池加熱和保溫裝置，可將蓄電池電解液溫度升至常溫。在－25 ℃環(huán)境條件下，可以提高蓄電池放電量65%左右；在－41 ℃環(huán)境條件下，可以提高蓄電池放電量110%左右。蓄電池加熱和保溫裝置可以有效提高其低溫環(huán)境下充放電性能，使車用蓄電池在低溫環(huán)境中可以有效提供發(fā)動機(jī)起動及各種起動輔助裝置用電，為高原高寒地域中重型車輛的起動與運(yùn)行提供有效保障。

高原高寒；低溫起動；蓄電池加熱；放電容量

高原氣候環(huán)境條件的主要特點(diǎn)是氣壓低、空氣稀薄、含氧量低、低溫期長、晝夜溫差大、風(fēng)砂塵大、日照時間長、紫外線強(qiáng)、氣候干燥等[1]。其中環(huán)境溫度低是造成中重型車輛裝備起動困難的重要原因，因此應(yīng)該采用低溫起動技術(shù)、借助于低溫起動輔助措施提高發(fā)動機(jī)低溫條件下的起動性能[2-3]。

蓄電池是車輛上的重要部件之一，發(fā)動機(jī)的起動以及停車后車上所有的用電設(shè)備全靠它來供電，因此，它的性能對車輛性能有著至關(guān)重要的影響[4]。中重型車輛發(fā)動機(jī)起動負(fù)載大，起動電流大，尤其是在高原高寒地區(qū)，由于低溫條件下潤滑油黏稠，起動阻力更大。另外，各種起動輔助裝置（如進(jìn)氣預(yù)熱和發(fā)動機(jī)冷卻液加熱器等）也需要大量供電。因此，充足的電量是保證車輛發(fā)動機(jī)正常起動的先決條件。目前，中重型車輛裝備使用的蓄電池大部分為鉛酸蓄電池，在低溫條件下，蓄電池放電容量大幅降低，會大大影響發(fā)動機(jī)的低溫起動性能。因此，保證低溫條件下蓄電池的放電量是提高中重型車輛低溫起動性能的重要條件。

低溫環(huán)境對蓄電池充放電性能有很大影響[5]。當(dāng)電解液溫度降低時，鉛酸蓄電池內(nèi)固液相活性物質(zhì)的反應(yīng)性均要降低，黏度增大，擴(kuò)散速度減慢，電阻增大，離子的運(yùn)動受到較大的阻力，電化學(xué)反應(yīng)速度大為減慢，其正負(fù)極很容易形成致密的鈍化膜，從而使放電過程受到限制。特別是在低溫時，硫酸的黏度隨溫度的降低顯著增加，在－50 ℃時約為常溫時黏度的30倍，而電阻亦隨溫度的降低明顯增加。密度為1.250 kg/L 的硫酸溶液在－40 ℃時的電阻值約為常溫時的7倍，將造成電池容量的顯著下降。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度從25 ℃降低至－40 ℃會使鉛酸蓄電池的容量平均減少到原來的1/3左右。在充電過程中，由于PbSO4的溶解度和溶解速率在低溫下要降低，使得充電的前置過程受到制約。H2SO4電解液在低溫下的擴(kuò)散系數(shù)要降低，導(dǎo)電性也要下降，導(dǎo)致了充放電速率和效率的降低。在低溫下，電解液也存在著從液相向固相的凝固，負(fù)極析氫在低溫充電的情況下加劇了，要使電池達(dá)到較高的荷電態(tài)，充電過程的失水量較大，因而充電效率下降[6-7]。因此，在極低溫度條件下蓄電池提供的電量很難保證發(fā)動機(jī)的正常起動和起動輔助裝置的正常運(yùn)行。

1 蓄電池加熱技術(shù)現(xiàn)狀

通過以上分析可見，溫度對蓄電池的充放電性能影響很大，為保證在低溫環(huán)境下，蓄電池能夠提供足夠的電量，考慮對蓄電池進(jìn)行加熱和保溫。經(jīng)過多年發(fā)展和實(shí)踐，國內(nèi)外相繼開發(fā)了多種蓄電池加熱和保溫裝置[8-14]。從加熱方式上看，主要有電加熱方式、排氣加熱方式和充放電加熱方式等。

1.1 電加熱方式

王峰等設(shè)計了一種由有機(jī)復(fù)合PTC加熱元件的封閉式加熱板和電子溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成的機(jī)動車蓄電池用的恒溫加熱保溫箱，該箱由蓄電池自身為PTC恒溫加熱元件供電，對蓄電池進(jìn)行恒溫加熱[8]。李志香等將高分子導(dǎo)電膜制成片狀結(jié)構(gòu)，組裝在蓄電池保溫箱內(nèi)壁，對蓄電池進(jìn)行加熱[9]。電加熱方式需要由蓄電池自身對其進(jìn)行供電，本身需要消耗大量的蓄電池電量，電路接通后瞬時加熱電流很大，尤其是在低溫環(huán)境條件下蓄電池的低溫放電性能差，而且在低溫條件下進(jìn)行發(fā)動機(jī)起動往往需要配合采用其他輔助措施。蓄電池加熱初期過多的電量消耗會影響其他輔助措施的工作效果，從而影響發(fā)動機(jī)的低溫起動性能。

1.2 排氣加熱方式

排氣加熱方式采用發(fā)動機(jī)排氣集熱器對循環(huán)導(dǎo)熱劑（防凍液）進(jìn)行加熱，通過導(dǎo)熱劑與蓄電池的熱交換，對其進(jìn)行加熱和保溫[10]。這種方式可以有效利用發(fā)動機(jī)排氣熱量，在車輛行駛過程中提高蓄電池溫度，保證其良好的充電性能。這種方式需要在發(fā)動機(jī)起動、運(yùn)行正常以后才能利用排氣對蓄電池進(jìn)行加熱，在發(fā)動機(jī)起動時不能起到增大放電容量的作用。

1.3 充放電加熱方式

Kubota Masayuki等設(shè)計了一種通過充放電對雙蓄電池系統(tǒng)的副蓄電池進(jìn)行升溫的方法，這種方法加熱的均勻性較好[14]。目前，國內(nèi)基本沒有采用雙蓄電池系統(tǒng)的中重型車輛，這種方法在國內(nèi)未見應(yīng)用實(shí)例。

2 蓄電池加熱裝置的設(shè)計

研究開發(fā)了一種采用燃油空氣加熱器對蓄電池進(jìn)行加熱和保溫的裝置，該裝置熱源為燃油燃燒放熱，自身消耗電量小，可以有效節(jié)約蓄電池電量，加熱速度快，可以在短時間內(nèi)提高電解液溫度，增大蓄電池放電容量，提供充足的起動用電和輔助裝置用電。

2.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

蓄電池加熱裝置主要由空氣加熱系統(tǒng)和蓄電池保溫箱組成。其中，空氣加熱系統(tǒng)由燃油空氣加熱器、控制單元、送風(fēng)管路等組成；蓄電池加熱保溫箱由保溫箱體、加熱風(fēng)道和蓄電池固定托架等組成。如圖1所示。

圖1 蓄電池加熱保溫裝置結(jié)構(gòu)

國內(nèi)現(xiàn)有中重型車輛多采用兩只180 Ah鉛酸蓄電池，根據(jù)常用蓄電池的外形尺寸設(shè)計保溫箱內(nèi)部空間，其內(nèi)部需放置兩只蓄電池，單只電瓶最大尺寸為：520 mm×223 mm×233 mm。為適應(yīng)不同尺寸蓄電池的安裝固定，設(shè)計了可調(diào)節(jié)伸縮的壓板。整套裝備外形尺寸為：640 mm×620 mm×320 mm，可以安裝在車輛原有蓄電池的位置。為保證系統(tǒng)長時間運(yùn)行，燃油加熱器所需燃料直接從車輛油箱獲取。

2.2 工作原理

工作時，將蓄電池安裝在保溫箱內(nèi)，利用燃油空氣加熱器加熱空氣，熱空氣在風(fēng)機(jī)的帶動下進(jìn)入保溫箱內(nèi)，通過加熱風(fēng)道對蓄電池進(jìn)行加熱保溫，風(fēng)道內(nèi)安裝有溫度傳感器，控制單元采集傳感器數(shù)據(jù)控制進(jìn)氣量及加熱功率。

2.3 工作模式設(shè)計

在低溫環(huán)境下，車輛起動之前，蓄電池溫度低，放電容量小。為保證迅速起動發(fā)動機(jī)，需要快速恢復(fù)蓄電池放電能力。發(fā)動機(jī)起動后，為保證蓄電池電量能夠得到及時補(bǔ)充，需要繼續(xù)為蓄電池進(jìn)行保溫，確保其良好的充電接受能力。為此，該裝置設(shè)計了兩種工作模式：快速起動加熱模式和保溫加熱模式。在快速起動加熱模式下，加熱器功率設(shè)計高，可對箱內(nèi)的蓄電池進(jìn)行快速加熱（約90 ℃），使蓄電池內(nèi)部電解液溫度快速上升，從而快速恢復(fù)蓄電池的容量和放電能力，保證低溫環(huán)境下發(fā)動機(jī)的順利起動，加熱時間設(shè)計在30 min之內(nèi)。在保溫加熱模式下，加熱器低功率運(yùn)行，出風(fēng)溫度較低（約50 ℃），可以持續(xù)加熱，使蓄電池內(nèi)部溫度從低溫狀態(tài)逐漸恢復(fù)到常溫狀態(tài)，恢復(fù)蓄電池原有的額定容量。這樣，在高原高寒環(huán)境中，可以先采用快速起動加熱模式起動發(fā)動機(jī)，而后在車輛行駛過程中，切換至保溫加熱模式，維持蓄電池溫度，提高蓄電池的充電接受能力，為蓄電池下一次的使用儲備充足的電量。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計

在試驗(yàn)環(huán)境模擬上，由于高原高寒地域?qū)π铍姵匦阅苡绊懸蛩刂饕黔h(huán)境溫度低，氣壓、含氧量等因素對其基本沒有影響，該研究只在低溫環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)溫度條件選擇上，據(jù)統(tǒng)計，我國青藏高原地域，在一年中最冷的1月份，整個藏北高原的氣溫均低于－10℃。昆侖山、喀喇昆侖山以及可可西里的極高海拔地區(qū)氣溫極其寒冷，月均氣溫低于－25 ℃，極端最低溫度達(dá)到－27~－45 ℃[15]。因此，在試驗(yàn)溫度設(shè)定上選擇－25 ℃和－41 ℃兩個溫度點(diǎn)，－25 ℃條件可以覆蓋大部分高原地域環(huán)境使用要求，－41℃可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[16-17]，并且基本可以覆蓋整個高原地域環(huán)境。

由于大部分中重型車輛均使用兩只180 Ah蓄電池，其在低溫起動時采用的冷卻液加熱器功率大多為10 kW左右，功耗約200 W。廂式車輛取暖用燃油空氣加熱器功率大多在15 kW以內(nèi)，功耗400 kW以內(nèi)。因此，在試驗(yàn)方法設(shè)計上，該研究采用四只180 Ah蓄電池分為兩組，分別連接兩臺燃油暖風(fēng)機(jī)總成（型號FJH-7D，功率為7 kW，功耗為200 W）作為負(fù)載，在低溫環(huán)境下比對使用加熱裝置和不使用加熱裝置的兩組蓄電池的放電量。

試驗(yàn)使用四只型號為3703010-155的解放汽車專用蓄電池，保證蓄電池在25 ℃時為滿電狀態(tài)，將其分為兩組并連接負(fù)載，見表1。測試現(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖2所示。

表1 試驗(yàn)蓄電池分組及連接情況

圖2 試驗(yàn)室分組及連接情況

3.2 試驗(yàn)步驟

1）將第I組蓄電池直接暴露在試驗(yàn)室環(huán)境中，第II組蓄電池放置在蓄電池加熱裝置內(nèi)，兩組組蓄電池分別連接同型號（FJH-7D型）空氣加熱器作為負(fù)載。

2）將試驗(yàn)室環(huán)境溫度調(diào)節(jié)至－25 ℃，保持環(huán)境溫度穩(wěn)定直至兩組蓄電池電解液溫度均達(dá)到－25℃ 以下。

3）同時啟動蓄電池加熱裝置和空氣加熱器，保持兩組蓄電池分別為兩組空氣加熱器不間斷供電，直至蓄電池放電末期電壓降低導(dǎo)致空氣加熱器停機(jī)，視為蓄電池電量耗盡。記錄兩組蓄電池從開機(jī)到電量耗盡過程中的電壓、電流和電解液溫度，每5 min記錄一次數(shù)據(jù)。

4）將試驗(yàn)室環(huán)境溫度恢復(fù)至常溫，并保持到兩組蓄電池電解液溫度均達(dá)到常溫，對其進(jìn)行充電，使其達(dá)到滿電狀態(tài)。

5）將試驗(yàn)室環(huán)境溫度調(diào)節(jié)至－41 ℃，保持環(huán)境溫度穩(wěn)定直至四塊蓄電池電解液溫度均達(dá)到－41 ℃。

6）重復(fù)步驟3）。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在環(huán)境溫度為－25 ℃條件下，未采用蓄電池加熱裝置的蓄電池組歷時6 h 25 min電量耗盡，整個放電過程蓄電池平均電壓為21.8 V，平均電流為14.2 A。采用蓄電池加熱裝置的蓄電池組歷時9 h 15 min電量耗盡，整個放電過程蓄電池平均電壓為23.4 V，平均電流為16.3 A。兩組蓄電池的電壓和電解液平均溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 －25 ℃條件下兩組蓄電池電壓電解液平均溫度變化曲線

在環(huán)境溫度－41 ℃條件下，未采用蓄電池加熱裝置的蓄電池組歷時4 h 20 min電量耗盡，整個放電過程蓄電池平均電壓為22.5 V，平均電流為14.6 A。采用蓄電池加熱裝置的蓄電池組歷時8 h 5 min電量耗盡，整個放電過程蓄電池平均電壓為23.5 V，平均電流為16.4 A。兩組蓄電池的電壓和電解液平均溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 －41 ℃條件下兩組蓄電池電壓電解液平均溫度變化曲線

3.4 結(jié)果分析

恒流狀態(tài)下，蓄電池的放電容量為：=·。其中，為蓄電池放電容量，Ah；為放電電流，A；為放電時間，h。

按此方法，近似計算在－25 ℃環(huán)境下兩組蓄電池的實(shí)際放電容量：未采用加熱裝置的蓄電池組放電容量1=91.2 Ah，為常溫狀態(tài)下額定放電容量的51%；采用加熱裝置的蓄電池組放電容量2=150.8 Ah。因此，在－25 ℃環(huán)境下采用加熱裝置的蓄電池組比不采用加熱裝置的放電容量增加了約65%，達(dá)到常溫狀態(tài)下額定放電容量的84%。

近似計算在－41 ℃環(huán)境下兩組蓄電池的實(shí)際放電容量：未采用加熱裝置的蓄電池組放電容量3=63.2 Ah，為常溫狀態(tài)下額定放電容量的35%；采用加熱裝置的蓄電池組放電容量4= 132.5 Ah。因此，在－41 ℃環(huán)境下采用加熱裝置的蓄電池組比不采用加熱裝置的放電容量增加了約110%，達(dá)到常溫狀態(tài)下額定放電容量的74%。

在－41 ℃環(huán)境下，經(jīng)0.5 h蓄電池電解液溫度可以升至－18.7 ℃，基本達(dá)到GB/T 5008.1—2005《起動用鉛酸蓄電池條件》中低溫起動能力試驗(yàn)中要求的－18 ℃，經(jīng)1 h蓄電池電解液溫度可以升高至－10 ℃左右，2 h蓄電池溫度可以升高至10 ℃左右。

由于在車輛發(fā)動機(jī)起動運(yùn)行正常后，車輛就開始為蓄電池充電，而低溫條件下蓄電池的充電性能很差，因此，電解液溫度的升高不但有助于提高蓄電池的放電性能，還有利于提高蓄電池的充電性能，保證車輛在行駛途中及時為蓄電池補(bǔ)充電量。

4 結(jié)論

1）采用燃油空氣加熱器的蓄電池加熱保溫裝置可以在－41 ℃以上的低溫環(huán)境條件下運(yùn)行，消耗蓄電池自身電量很小，能夠在車輛起動之前提前加熱蓄電池，快速提高低溫條件下蓄電池的放電容量，為發(fā)動機(jī)起動及其他起動輔助裝置運(yùn)行提供更多起動電量。

2）在車輛發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，采用保溫模式工作，繼續(xù)提升電解液溫度，可以提高蓄電池的充電性能，使車輛在行駛過程中，其蓄電池電量能夠得到有效補(bǔ)充。

[1] 靳生盛. 高原裝備對工程機(jī)械動力系統(tǒng)的影響及措施[J]. 青海師范大學(xué)學(xué)報, 2004(2): 48-50.

[2] 劉瑞林. 柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2013.

[3] 許翔, 周廣猛, 鄭智, 等. 高原環(huán)境對保障裝備的影響及適應(yīng)性研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2010, 7(5): 100-103.

[4] 張玉虎. 高原低溫環(huán)境下內(nèi)燃機(jī)起動的輔助措施[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械, 1998(7): 4-10.

[5] 張德銀, 羅英, 羅文田. 環(huán)境溫度變化對航空鉛酸蓄電池性能的影響[J]. 中國民航飛行學(xué)院學(xué)報, 2009, 20(2): 30-32.

[6] 魏曉斌, 張磊, 張光, 等. 溫度對閥控式鉛酸蓄電池的影響分析[J]. 電源技術(shù), 2008, 32(2): 122-123.

[7] 于新武. 鉛酸蓄電池低溫性能的改善與提高[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[8] 王峰. 機(jī)動車上蓄電池用的恒溫加熱保溫箱[J]. 河南交通科技, 1996(4): 41-43.

[9] 李志香, 李曉艷. 柴油機(jī)冷啟動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制造業(yè)自動化, 2015, 37(3): 83-86.

[10] 宋蘭庭, 趙云峰, 張時才, 等. 高原(嚴(yán)寒)柴油動力裝備燃油加熱低溫起動系統(tǒng)研制[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車, 2008, 37(1): 18-21.

[11] 何西常, 張眾杰, 張云飛, 等. 柴油機(jī)冷起動研究現(xiàn)狀[J]. 柴油機(jī), 2012(4): 1-4.

[12] 劉瑞林, 靳尚杰, 孫武全, 等. 提高柴油機(jī)低溫起動性能的冷起動輔助措施[J]. 汽車技術(shù), 2007(6): 5-8.

[13] ZHANG Cheng-ning, LEI Zhi-guo, DONG Yu-gang, et al. Method for Heating Low-temperature Lithium Battery in Electric Vehicle[J]. Transaction of Beijing Institute of Technology, 2012, 32(9): 921-925.

[14] MASAYUKI K, MAMI M, YUKITAK A. Study of Warming Method for Secondary Battery by Charging and Discharging[C]// 2013 IEEE 10th International Conference on Power Electronics and Drive Systems. PEDS, 2013: 354-357.

[15] 姚永慧,張百平. 青藏高原氣溫空間分布規(guī)律及其生態(tài)意義[J]. 地理研究, 2015, 11(24): 2086-2090.

[16] GJB 6645—2009, 后勤裝備通用戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求[S].

[17] GJB 5727—2006, 后勤裝備高溫低溫濕熱試驗(yàn)室試驗(yàn)方法[S].

Engine Starting Auxiliary Device for Battery Heating of Medium & Heavy Duty Vehicles in Plateau and Cold Area

LIU Bing-jun1, YUE Wei-qiang1, WANG Shuo1, WANG Zhi-ming2

(1. Military Traffic Institute, Tianjin 300161, China;2. Wuxi Aorun Vehicle Technology CO., Ltd, Wuxi 214000, China)

To solve the discharging capacitydecrease on the battery of medium duty vehicle & heavy duty vehiclein plateau and severe cold area.The vehicle lead acid battery was heated with a fuel-fired air heater and insulated with a special warm-box. The internal temperature of the battery was kept in the normal range to guarantee the discharge capacity of the battery at low temperature.The temperature of electrolyte in lead acid battery could be raised to normal temperature with heater and warm-box. The discharge capacity could be improved by about 65% at -25 ℃ and 110% at -41 ℃.In low temperature environment, the battery heater and warm-box can effectively improve the charge and discharge capacity of battery and supply enough electricity for engine starting and the auxiliary devices, which can provide effective protection for the engine's starting and running in plateau and cold area..

plateau and cold area; engine starting at low temperature; battery heating; discharge capacity

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.009

TJ07；TK427

A

1672-9242(2017)08-0047-05

2017-08-07；

2017-08-30

劉炳均（1982—），男，山東人，工程師，主要研究方向?yàn)檠b備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。