劉保國，馬全海，杜浪東

一種汽車鉛酸蓄電池匹配計(jì)算方法

劉保國，馬全海，杜浪東

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

鉛酸蓄電池作為汽車產(chǎn)品普遍采用的核心零部件之一，起著十分重要的作用，若匹配不當(dāng)，則會(huì)造成汽車靜置時(shí)間短、容易虧電、低溫冷起動(dòng)困難等影響。文章介紹一種汽車鉛酸蓄電池匹配計(jì)算方法，首先采用經(jīng)驗(yàn)公式對蓄電池容量進(jìn)行理論計(jì)算，以確定蓄電池的理論容量范圍。然后根據(jù)蓄電池容量估算范圍，同時(shí)考慮不同電解液溫度和蓄電池放電電流對蓄電池容量的影響，通過汽車低溫冷起動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)蓄電池容量的減法計(jì)算，以起動(dòng)次數(shù)和蓄電池剩余容量的多少評價(jià)蓄電池容量匹配的合理性，從而為車輛匹配經(jīng)濟(jì)可靠的蓄電池。最后，以某特種汽車低溫冷起動(dòng)蓄電池匹配計(jì)算為例介紹該方法的應(yīng)用。該方法對汽車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員有一定的參考價(jià)值。

鉛酸蓄電池；低溫；匹配；計(jì)算方法

前言

鉛酸蓄電池作為汽車產(chǎn)品普遍采用的核心零部件之一，起著十分重要的作用，若匹配不當(dāng)，則會(huì)造成汽車靜置時(shí)間短、容易饋電、低溫冷起動(dòng)困難等影響。而受蓄電池電解液溫度和放電電流的影響，低溫使用環(huán)境下鉛酸蓄電池的可使用容量會(huì)顯著降低，蓄電池容量滿足汽車在最低使用環(huán)境溫度下的冷起動(dòng)電能需求成為汽車蓄電池匹配的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的蓄電池匹配方法是通過不斷調(diào)整蓄電池容量進(jìn)行整車低溫冷起動(dòng)試驗(yàn)，從而為汽車匹配滿足使用要求的蓄電池容量。但是，由于影響汽車低溫冷起動(dòng)性能的因素較多，造成這種匹配試驗(yàn)往往需要進(jìn)行多次，從而造成研制成本的浪費(fèi)，拖延了汽車新產(chǎn)品的研制周期。針對此問題，本文對傳統(tǒng)的蓄電池匹配方法進(jìn)行了改進(jìn)，通過汽車低溫冷起動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)蓄電池容量的減法計(jì)算，以起動(dòng)次數(shù)和蓄電池剩余容量多少為車輛匹配經(jīng)濟(jì)可靠的蓄電池。

1 蓄電池理論容量估算

蓄電池作為汽車供電系統(tǒng)的輔助電源，在汽車沒有起動(dòng)時(shí)蓄電池作為供電電源滿足車輛的用電需求，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中蓄電池負(fù)責(zé)提供較大電流拖動(dòng)起動(dòng)機(jī)工作，在汽車運(yùn)行過程中蓄電池又作為電容保持整車電壓穩(wěn)定。但蓄電池原則上只擔(dān)負(fù)起動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，其容量規(guī)格主要根據(jù)汽車?yán)淦饎?dòng)的用電需求進(jìn)行匹配。蓄電池容量估算可采用如下公式：

其中：—蓄電池容量，單位為Ah；P—起動(dòng)機(jī)額定功率，單位為kW；—起動(dòng)機(jī)額定電壓，單位為V。

2 蓄電池容量消耗計(jì)算

根據(jù)汽車的冷起動(dòng)試驗(yàn)流程，可以將蓄電池匹配的整個(gè)過程分為4個(gè)階段：車輛靜置階段、起動(dòng)前準(zhǔn)備階段、起動(dòng)過程瞬間、起動(dòng)間隔階段。其中起動(dòng)間隔之后會(huì)進(jìn)行下一次起動(dòng)。于是汽車?yán)淦饎?dòng)試驗(yàn)蓄電池容量消耗可分為靜置階段容量消耗、起動(dòng)前準(zhǔn)備階段容量消耗、起動(dòng)過程階段蓄電池容量消耗和起動(dòng)間隔階段蓄電池容量消耗4部分，分別用1、2、3、4表示。

2.1 靜置階段容量消耗C1

靜置存放是汽車的典型工況之一。汽車靜置存放過程中蓄電池容量會(huì)有所消耗，消耗的原因主要有兩個(gè)方面：一是整車靜態(tài)電流的存在。電源不受電源總開關(guān)控制的電氣設(shè)備，其在非工作狀態(tài)下會(huì)有一定的靜態(tài)電流，這類靜態(tài)電流一般比較小，但隨著靜置時(shí)間的加長，其耗電量卻是不可忽視的。另一方面是蓄電池本身造成的能量消耗。由于鉛酸蓄電池本身的化學(xué)特質(zhì)，即使不連接電路，也會(huì)產(chǎn)生自耗電，其耗電量由蓄電池的自放電率決定。于是車輛靜置階段蓄電池容量消耗1可按如下計(jì)算：

式中：靜-整車靜態(tài)電流，單位為mA；T-靜置時(shí)間，單位為天；20-蓄電池初始容量，單位為Ah；-蓄電池日自放電率。

2.2 起動(dòng)前準(zhǔn)備階段容量消耗C2

低溫環(huán)境下汽車起動(dòng)前，儀表、發(fā)動(dòng)機(jī)、車身等控制系統(tǒng)通電自檢，進(jìn)氣加熱、液體加熱等冷起動(dòng)附加措施參與工作。這些系統(tǒng)的電氣設(shè)備工作需要消耗一定的電能。尤其是進(jìn)氣加熱冷起動(dòng)附加措施消耗的電量比較大，即使時(shí)間很短，其消耗的電能也不可忽視。起動(dòng)前準(zhǔn)備階段容量消耗2可按如下公式計(jì)算：

式中：In-起動(dòng)前準(zhǔn)備階段工作用電器的工作電流，單位為A；Tn-用電器的工作時(shí)間，單位為s，n=1、 2、…、n。

2.3 起動(dòng)過程階段蓄電池容量消耗C3

汽車起動(dòng)時(shí)蓄電池提供起動(dòng)電源，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，儀表、控制器等電器設(shè)備也參與工作。故起動(dòng)過程的電量消耗可按如下公式計(jì)算：

式中：I-起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電流，單位為A；T-拖動(dòng)時(shí)間，單位為s；I-起動(dòng)期間，儀表、控制器等元器件工作的總電流，單位為A。

2.4 起動(dòng)間隔階段蓄電池容量消耗C4

在極低溫工作環(huán)境條件下，如-41℃環(huán)境溫度，一般汽車并不能一次起動(dòng)成功。但是，由于汽車在上次起動(dòng)結(jié)束時(shí)，蓄電池剛剛經(jīng)過了大電流放電，一般要求汽車等待一段時(shí)間再進(jìn)行起動(dòng)。在實(shí)際的操作過程中，通常是在不斷開整車的鑰匙電源的情況下進(jìn)行等待。在等待過程中，車上用電器工作會(huì)消耗蓄電池電量。于是起動(dòng)間隔階段容量消耗4可按如下公式計(jì)算：

式中：Ii-第i個(gè)用電器的工作電流，單位為A；Ti-第i個(gè)用電器的工作時(shí)間，單位為s,i=1、2、…、n。

3 蓄電池容量的匹配

低溫冷起動(dòng)性能是汽車的重要性能指標(biāo)之一。按照汽車的冷起動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程，蓄電池的可用容量一般應(yīng)滿足車輛至少3次起動(dòng)的電能需求。根據(jù)蓄電池容量的估算范圍，首先選取范圍中位值附近的蓄電池容量Qm進(jìn)行匹配計(jì)算。已知車輛在最低溫工作環(huán)境溫度下以Ica的冷起動(dòng)電流進(jìn)行放電時(shí)，蓄電池的可用容量占額定容量的百分比為i，則：

第1次起動(dòng)后蓄電池的剩余可用容量1=i×(Qm-1)-2-3。

第2次起動(dòng)后蓄電池的剩余可用容量2=1-4-3。

第3次起動(dòng)后蓄電池的剩余可用容量3=2-4-3。

若第3次起動(dòng)后蓄電池的剩余容量3大于零，則該蓄電池容量Qm可滿足車輛蓄電池容量的匹配要求。此時(shí)，選蓄電池容量Qm減10Ah～20 Ah的蓄電池容量再進(jìn)行匹配計(jì)算，若三次起動(dòng)后，其蓄電池剩余可用容量小于零，則Qm即為車輛冷起動(dòng)所需最佳蓄電池容量規(guī)格。否則，繼續(xù)以10Ah～20 Ah的容量變化（加或者減）再進(jìn)行匹配計(jì)算，直至符合汽車最低使用環(huán)境溫度冷起動(dòng)時(shí)蓄電池容量的最佳匹配要求。

4 某特種汽車蓄電池匹配計(jì)算實(shí)例

某特種汽車使用環(huán)境溫度為-41℃～+46℃。為提高車輛的冷起動(dòng)性能，該特種汽車配置了進(jìn)氣預(yù)熱及液體加熱冷起動(dòng)輔助措施。發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)配起動(dòng)機(jī)規(guī)格為24V 8.5kW。根據(jù)（1）式可求得蓄電池選擇范圍為159 Ah ～212 Ah。該特種汽車采用控正的電源系統(tǒng)，整車電氣設(shè)備電源均受電源總開關(guān)控制。在靜置階段，電源總開關(guān)是斷開的，整車靜態(tài)電流很小，可忽略不計(jì)。于是靜置階段的能量消耗主要是由蓄電池的自放電造成的。蓄電池的自放電率按1‰，選擇蓄電池容量估算范圍中位值附近的國內(nèi)某蓄電池廠12V 180Ah蓄電池容量規(guī)格進(jìn)行匹配計(jì)算。汽車?yán)淦饎?dòng)試驗(yàn)時(shí)冷庫靜置時(shí)間大約為4天，代入（2）式求得該特種汽車靜置階段的能量消耗1=0.72 Ah。低溫冷起動(dòng)性能試驗(yàn)準(zhǔn)備起動(dòng)前采用液體加熱冷起動(dòng)附加措施時(shí)，由于液體加熱系統(tǒng)電源采用受電源總開關(guān)控制的30電，其工作時(shí)，儀表、車身控制等其他系統(tǒng)并不工作。當(dāng)準(zhǔn)備起動(dòng)時(shí)，鑰匙開關(guān)15端電源接通，待儀表、車身、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)等自檢完成，進(jìn)氣預(yù)熱狀態(tài)允許起動(dòng)時(shí)方可起動(dòng)。在-41℃環(huán)境溫度起動(dòng)前準(zhǔn)備階段，該車輛參與工作的電氣設(shè)備及其工作電流、工作時(shí)間見表1。將參數(shù)代入式（3），求得起動(dòng)前準(zhǔn)備階段蓄電池容量消耗為6.27Ah。

表1 用電器電量消耗數(shù)據(jù)

起動(dòng)階段除起動(dòng)系統(tǒng)參與工作外，其他參與工作的電氣設(shè)備與起動(dòng)準(zhǔn)備階段的基本相同。該特種汽車在-41℃環(huán)境冷起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機(jī)的平均拖動(dòng)電流約為610A，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)間為30s，則根據(jù)（4）式求得起動(dòng)過程階段蓄電池的容量消耗為5.59Ah。根據(jù)該特種汽車-41℃環(huán)境溫度的冷起動(dòng)流程，起動(dòng)間隔時(shí)間為3分鐘，由（5）式求得起動(dòng)間隔階段蓄電池的容量消耗4為3.05 Ah。-41℃環(huán)境溫度以610A放電，蓄電池的可用容量約為額定容量的15.2%。于是可計(jì)算求得：

第1次起動(dòng)后蓄電池剩余可用容量1=15.2%×(180-0.72) -6.27-5.59=15.4Ah。

第2次起動(dòng)后蓄電池剩余可用容量2=1-3.05-5.59=6.76 Ah。

第3次起動(dòng)后蓄電池剩余可用容量3=2-3.05-5.59 =-1.88Ah。第3次冷起動(dòng)后，蓄電池剩余容量小于零。該蓄電池不滿足匹配要求，于是選比180Ah 大10Ah～20 Ah的上一級蓄電池容量，即12V 195 Ah蓄電池按相同的方法匹配計(jì)算，求得第3次冷起動(dòng)后蓄電池剩余容量為0.39Ah，故12V 195Ah蓄電池是該特種汽車最經(jīng)濟(jì)的蓄電池容量規(guī)格，滿足該車輛的低溫冷起動(dòng)要求。經(jīng)過該特種汽車-41℃環(huán)境冷起動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該蓄電池匹配計(jì)算方法是科學(xué)的、有效的，能夠?yàn)槠囆庐a(chǎn)品蓄電池的匹配計(jì)算提供科學(xué)的理論支撐。

5 結(jié)束語

根據(jù)汽車低溫冷起動(dòng)性能試驗(yàn)流程，將車輛的冷起動(dòng)過程分解為車輛靜置、起動(dòng)前準(zhǔn)備、起動(dòng)過程瞬間、起動(dòng)間隔4個(gè)階段，通過計(jì)算每個(gè)階段中消耗的蓄電池容量，同時(shí)考慮不同的溫度和放電電流對蓄電池容量的影響，按蓄電池容量的減法計(jì)算方法，以起動(dòng)次數(shù)和蓄電池剩余容量評價(jià)匹配結(jié)果，從而為車輛匹配經(jīng)濟(jì)可靠的蓄電池。使用該方法可以提高蓄電池容量匹配的科學(xué)性和有效性，減少汽車最低使用環(huán)境溫度下冷起動(dòng)試驗(yàn)的次數(shù)，從而節(jié)約研制成本，縮短了汽車新產(chǎn)品的研發(fā)周期。

[1] 李敬斌,李新光.車載蓄電池的匹配設(shè)計(jì)方法[J].汽車電器.2017.4.

[2] 楊河清,李曉蓮,魯寶全等.商用柴油車?yán)淦饎?dòng)系統(tǒng)研究[J].汽車電器.2017.4.

[3] GB/T 5008.2-2013,起動(dòng)用鉛酸蓄電池第2部分:產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸,標(biāo)記[s].

[4] GB/T 12535-2007,汽車起動(dòng)性能試驗(yàn)方法[S].

A Method for Matching Calculation of Automobile Lead-Acid Battery

Liu Baoguo, Ma Quanhai, Du Langdong

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710020 )

Lead-acid battery is one of the core components of automobile, which plays a very important role.If thematch is not appropriate,it will cause the automobile only placed for a shorter time, easy to lose power, difficult to start at low temperature etc.This paper introduces a matching calculation method of automobile lead-acid battery,firstly useing empirical formula to calculate theoretically of the battery capacity,in order to confirm the theoretical capacity ranges of the battery.Then according to the estimated capacity range of battery,at the same time to consider different electrolyte temperatures and battery discharge current impact on battery capacity,through the battery capacity subtraction calculation when the automobile cold starting performance test,by the numbers of starts and residual battery capacity evaluate the rationality of battery capacity matching,thus matching the economical and reliable battery for vehicle.At last, by a special automobile low temperature cold starting battery matching calculation as an example to introduce the application of this method.This method has certain reference value for the designers of automobile electrical system.

Lead-acid battery;low temperature;match;calculation method

U467

A

1671-7988(2019)14-61-03

U467

A

1671-7988(2019)13-61-03

劉保國（1977- ），研究生學(xué)歷，高級工程師，就職于陜重汽汽車工程研究院。研究方向：汽車電器。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.022