孫晨東

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淺析商用車低溫起動系統(tǒng)技術研究

孫晨東

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

蓄電池是汽車的重要組成部分，低溫條件下起動是一個技術難題。開發(fā)并且應用低溫蓄電池，對于改善冷啟動性能有著重要的貢獻。同時起到輕量化和降成本的作用。

蓄電池；容量；低溫；成本

前言

隨著商用車銷售區(qū)域的逐漸增大，寒冷地區(qū)的車輛逐年遞增，在寒帶地區(qū)反饋的市場問題也隨之增多，尤其以車輛冷起動困難、無法正常起動居多。與此同時，車載功能越來越多的功率需求也對電源起動系統(tǒng)的性能有著更高要求，目前大多數(shù)廠家蓄電池技術基本滿足車輛越來越高的使用要求，但在-29℃、-41℃等低溫環(huán)境下仍存在一定技術挑戰(zhàn)。起動環(huán)境溫度越低，發(fā)動機阻力矩和起動機的內阻都會增大，導致整車起動也越困難，所需要蓄電池提供的起動電流也就越大，因此，必須對整車在低溫環(huán)境下電源起動系統(tǒng)進行技術研究，為了準確的匹配設計起動性能和溫度的關系，需要對低溫電源起動系統(tǒng)進行技術研究。

1 電源起動系統(tǒng)匹配設計分析

由于在低溫環(huán)境下，發(fā)動機阻力矩，起動機的內阻都會增大，故起動的環(huán)境溫度越低，整車起動也越困難，所需要蓄電池提供的起動電流也越大。

1.1 蓄電池充放電原理

根據試驗數(shù)據匹配設計好電源啟動系統(tǒng)冷起動電流后，就可以根據需求設計對應的蓄電池。蓄電池的主要作用就是為起動機提供足夠的起動電流，以保證整車能夠正常起動，其次，在發(fā)動機起動之后，蓄電池還起到平衡整車電器負載的作用，其在整車電源系統(tǒng)中具備的電氣關系如下圖所示：

圖1 蓄電池電氣關系圖

在低溫環(huán)境下，起動機制動時對蓄電池的要求最高，蓄電池的容量需要滿足此狀態(tài)的要求。由此我們可以得到起動機制動瞬間的回路電壓公式：

UH=IK*Rt+ IK*RL+ UK（1）

其中：UH——蓄電池額定電壓；

UK——起動機制動電壓；

IK——起動機制動電流；

Rt——蓄電池內阻；

RL——蓄電池和起動機的連線內阻

1.2 起動機制動電流

根據經驗公式，和上一步計算的起動機制動電壓，可計算起動機制動電流：

IK=4P/(ηUH) （2）

其中：UH——蓄電池額定電壓；

IK——起動機制動電流；

P——起動機功率；

η——起動機電磁功率轉換為輸出功率P時的效率，一般3.5Kw以下取值0.8，3.5Kw以上取值0.9。

1.3 蓄電池的內阻

蓄電池內阻與蓄電池實際容量有密切關系，蓄電池實際容量越大，蓄電池內阻越小；蓄電池內阻與蓄電池實際容量的關系為：

Rt=K UH/Qt（3）

其中：UH——蓄電池額定電壓；

Rt——蓄電池內阻；

K——系數(shù)，普通型K=0.05，薄極板型蓄電池K= 0.04；

Qt——溫度為t時，蓄電池的實際容量。

1.4 蓄電池的實際容量

蓄電池的實際容量與溫度有著極大的關系，隨著溫度的降低，蓄電池性能也極具下降，蓄電池實際容量與溫度的關系有以下公式：

Qt=[1+0.01（t-20）]Q20（4）

其中：Qt——溫度為t時，蓄電池的實際容量；

t——實際起動溫度；

Q20——溫度為20℃時蓄電池的實際容量，即為蓄電池的標稱容量。

2 低溫環(huán)境下蓄電池的關鍵技術指標

通過查閱文獻，決定蓄電池低溫性能的關鍵因素，包括鉛膏配方、極板材料、電解液密度、隔板材料、極板厚度等，如果想提高蓄電池的低溫性能，只需要在上述關鍵因素中增強即可。只是具體的使用溫度需要在某一項關鍵因素，或者某幾項關鍵因素中進行優(yōu)化試驗。

2.1 低溫電池的設計

溫度對鉛酸蓄電池有些非常嚴重的影響：

2.1.1電解液溫度

由于溫度對蓄電池的放電容量及端電壓影響較大，電解液溫度高時擴散速度增加，電阻降低，蓄電池容量隨溫度升高而增加，電解液溫度降低時，其粘度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低；在低溫下電解液的電阻也增大，電化學的反應阻力增加，結果導致蓄電池容量下降。試驗表明：電解液溫度每降1℃，容量約下降1%，這也是冬季起動時總感到蓄電池電容量不足的主要原因之一。

下面分別介紹溫度與電解液粘度、溫度與電阻的關系。

（1）溫度與電解液粘度

硫酸粘度（η）與溫度關系見下圖。由圖可以看出，硫酸粘度的增加在零下最為顯著，在-50℃時約為常溫的幾千倍；隨著硫酸濃度（W%）的增加，其粘度的變化在溫度越低時越為顯著；溫度越低時，保持H2SO4為液相的濃度范圍越狹窄。

圖2 硫酸粘度與溫度的關系

（2）電阻與溫度的關系

硫酸電阻率與溫度的關系如下圖。由圖可知，密度為1.250g/cm3的硫酸在-40℃時的電阻率約為常溫時的7倍。

圖3 硫酸電阻率與溫度關系圖

硫酸電導率與溫度的關系如圖4所示：

2.1.2電解液的相對密度

一般情況下，電解液的相對密度稍低有利于提高放電電流和容量，同時也有利于延長蓄電池的使用壽命。但蓄電池容量低導致密度低，在極低溫度情況下蓄電池內部容易結冰，冬季在不結冰的前提下，應盡可能使用密度稍低的電解液, 某鉛酸電池電壓和電解液密度對應關系圖如圖5：

圖4

圖5 鉛酸電池電壓和電解液密度對應關系

2.1.3放電電流

溫度過低鉛酸蓄電池極化大，電池充電放電能力隨著問題降低而降低，由于放電電流過大，直接影響蓄電池的容量，汽車上規(guī)定每次使用起動機時間不得超過5s，再次起動間歇10～15s以上。

同時根據恒流放電原理，隨著放電時問的增加，蓄電池的電壓開始下降，這樣就引起了電流的下降，要想保證電流恒定，必須調整負載，因此，我們結合主控對象為變換器輸入電流的特點，采用如圖l基于BUCK變換器結構的主回路。在電路中因電阻端無需穩(wěn)壓，去掉了BUCK變換器電阻端的電容，而將電容c放到了前級。在這里L。和D起到續(xù)流和保護開關管的作用，C在開關閉合時工作在放電方式，在開關斷開時工作在充電方式，同時C和k結合使電池電流穩(wěn)定。

針對以上幾點，對低溫蓄電池進行研究，目前蓄電池采用新型Duralife PE隔板，該隔板較傳統(tǒng)的隔板具有超低內阻，高機械強度，超強的離子穿透性，能有效提供蓄電池低溫放電能力。

根據上述匹配設計的蓄電池容量，進行蓄電池的低溫放電電流與溫度的初步試驗，測試數(shù)據如下圖所示。

圖6 蓄電池溫度與SOC 曲線圖

蓄電池在整車電源系統(tǒng)中起到起動發(fā)動機，分擔平衡整車用電負荷的作用，其關鍵性能和溫度有很大關系，一般情況下，容量與溫度的關系如下式所示：

式中 Ct1——溫度為t1時的容量（A.h）；

Ct2——溫度為t2時的容量（A.h）；

K——容量的溫度系數(shù)；

t1.t2——分別為電解液的溫度。

在蓄電池標準中，經常規(guī)定一個溫度為額定容量的標準溫度，如規(guī)定t1是30℃或者25℃，t2為實測溫度。當t1與t2不同時，則按上式換算為標準溫度下的容量。在標準中需要嚴格規(guī)定溫度系數(shù)的值。實際上溫度系數(shù)不是常數(shù)，在不同的溫度范圍內，溫度系數(shù)是不同的，并受蓄電池新舊程度的影響。因此，試驗溫度與標準溫度不能相距太遠，只允許在±5℃，這時可用容量的溫度系數(shù)對電池容量進行較正。

溫度對正、負極板容量的影響如下圖所示，負極板容量受溫度的影響比正極板敏感。

圖7 在不同電流密度下，正、負極容量與溫度的關系（a）正極，（b）負極

3 高性能蓄電池理論計算及試驗

3.1 高性能蓄電池結構、參數(shù)

根據以上初步摸底實驗以及測試數(shù)據，設計以下高性能蓄電池用以冷啟動系統(tǒng)匹配設計，高性能蓄電池參數(shù)如表1所示。

表1 高性能蓄電池參數(shù)表

4 試驗測試

寒帶試驗驗證：為了驗證高性能蓄電池低溫起動性能能否滿足整車在寒帶地區(qū)的低溫起動需求，在2017年冬季搭載高性能蓄電池的B6502整車到東北黑河地區(qū)做寒帶起動性能標定，結果如圖6，一只高性能蓄電池起動時間和最低電壓均優(yōu)于2只并聯(lián)的普通電池。

圖8 高性能蓄電池冷起動性能

5 結論

5.1 功能方面

一只高性能蓄電池起動時間和最低電壓均優(yōu)于2只并聯(lián)的普通電池，同時也表明溫度越低、蓄電池放電越快，越不容易保存造價節(jié)能方面：1只100Ah高性能蓄電池替換2只普通的80Ah蓄電池，重量降低26公斤，具有輕量化，節(jié)能化，高性能，成本優(yōu)化等優(yōu)點。

5.2 降重方面

高性能蓄電池已經成功通過-25℃環(huán)境倉驗證和黑河寒帶整車冷起動驗證，車輛冷起動性能合格，同等性能的前提下，蓄電池降重≥10%。

[1] 孔爭.鉛酸蓄電池放電容量特性分析.通信電源技術,2017,（34）: 108-110.

[2] 李國強.鉛酸蓄電池研究的國內外研究綜述.山東工業(yè)技術,2017,（24）:53-54.

[3] 孔偉偉.汽車蓄電池管理方法的研究.汽車工程,2015,（37）:33-36.

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Research on low temperature starting system for Commercial vehicles

Sun Chendong

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. Anhui Hefei 230601 )

The battery is an important part of the car, starting at low temperatureis a technical problem. Development and application of low temperature storage battery, this has an important contribution to the improvement of cold stat perfor -mance. At the same time, it has the effect of reducing weight and reducing the cost.

Battery; Capacity; Low temperature; Cost

A

1671-7988(2018)16-166-04

U461

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1671-7988(2018)16-166-04

CLC NO.: U461

孫晨東，男，電器工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.059