【摘? 要】系統(tǒng)介紹某大型客車蓄電池的選型和匹配設計方法，根據(jù)動力配置和蓄電池性能參數(shù)，對蓄電池實際有效容量進行計算和分析，為最終選型提供可靠依據(jù)。

【關鍵詞】蓄電池;有效容量;計算;分析

中圖分類號：U463.633? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0040-03

【Abstract】This paper systematically introduces the method of battery selection and matching design for a large bus. According to the power configuration and battery performance parameters，the actual effective capacity of the battery is calculated and analyzed.It provides a reliable basis for the final selection.

【Key words】battery;effective capacity;calculate;analysis

作者簡介

蔣新奉（1981—），男，工程師，研究方向為車輛電器系統(tǒng)匹配設計。

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蓄電池作為車輛唯一的儲能設備，是汽車供電系統(tǒng)的重要組成部分，負責在發(fā)動機未起動前為用電設備提供電能需求，收到起動指令后，在5～8s內(nèi)連續(xù)向起動機提供強大電流。

1? 設計目標

整車采用電壓24V直流電系統(tǒng)，根據(jù)動力配置參數(shù)，確定蓄電池配置的最優(yōu)方案。要求滿足國家相關行業(yè)標準，符合廠內(nèi)實際生產(chǎn)規(guī)范標準，無過度成本浪費、無饋電和起動困難等缺陷，適用于全國大部分省市區(qū)域。

2? 蓄電池額定容量的選擇和計算分析

鉛酸蓄電池技術成熟、成本低廉、耐低溫性能突出，是目前大型客車配置的首選，本小節(jié)以普通型鉛酸蓄電池的參數(shù)計算。

2.1? 蓄電池額定容量范圍計算

根據(jù)起動機額定功率和經(jīng)驗系數(shù)計算蓄電池的容量范圍，計算公式：

Q = μ × P / U（1）

式中：Q——蓄電池額定容量（20h），Ah;μ——經(jīng)驗系數(shù)（大客車μ取值600～800）[1];P——起動機額定功率，kW;U——起動機額定工作電壓，V。

本案例工作電壓為24V，起動機為發(fā)動機附件，參數(shù)顯示額定功率為6kW，根據(jù)公式（1）計算得出蓄電池額定容量值：Q=150～200Ah。

2.2? 蓄電池消耗容量的分析

公式（1）得出的結果只是范圍值，如果僅憑這個依據(jù)來選擇蓄電池的額定容量，有可能會存在起動困難或成本浪費等問題。

在實際運用中，車輛起動的瞬間，蓄電池基本上不是滿電狀態(tài)，期間因為外界環(huán)境溫度、車輛使用用途和蓄電池本身性能等因素的影響，蓄電池實際的有效容量往往小于額定容量，所以上述結果還需優(yōu)化。為了方便計算，需要引入幾個概念：蓄電池實時溫度有效容量、自放電消耗容量、靜置期用電設備消耗容量和起動時消耗容量，詳細介紹如下。

2.2.1 蓄電池實時溫度有效容量的分析

鉛酸蓄電池放電是一個化學能轉化為電能的過程，環(huán)境溫度不同，直接影響其有效容量。在低溫環(huán)境實車使用過程中，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)蓄電池未達到滿額定容量卻顯示無法再繼續(xù)充電的情況，導致蓄電池無法達到滿電狀態(tài)。《GB/T 5008.1—2005起動用鉛酸蓄電池技術條件》標準中規(guī)定，額定容量試驗溫度為25℃±2℃[2]，但中國大部分地區(qū)冬季實際平均溫度遠遠低于25℃，以中國中南部地區(qū)湖南省為例，長沙市2021年最冷月（1月）平均溫度在4℃以上，日平均氣溫低于0℃有4.8天（本案例設定工作環(huán)境溫度為0℃）。從蓄電池容量與溫度關系曲線圖，如圖1所示，蓄電池在溫度為0℃時，蓄電池實際有效容量為額定容量的73.2%，此時蓄電池的實際有效容量計算公式：

C1=C20×λΔt（2）

式中：C1——蓄電池實際有效容量，Ah;C20——蓄電池額定容量，Ah;λΔt——t時環(huán)境溫度蓄電池容量比（0℃時，λΔt=73.2%）。

2.2.2 自放電消耗容量

因為蓄電池本身化學特質，即使不連接電路，也會產(chǎn)生自耗電，其耗電量大小由蓄電池的自放電率決定，不同廠家不同產(chǎn)品差異較大。本案例設定的靜置期時長為30天，蓄電池廠商提供參數(shù)顯示，普通型蓄電池貯存30天實際有效容量大于額定容量的85%，計算公式為：

C2=C20×（1-85%）（3）

式中：C2——蓄電池自放電消耗容量;C20——蓄電池額定容量。

2.2.3? 靜置期用電設備消耗容量

車輛靜置期內(nèi)用電設備消耗容量主要為用電設備的記憶電流消耗和必須開啟的用電設備的電流消耗，與車輛具體配置的用電設備息息相關。根據(jù)以往的設計經(jīng)驗，同等配置的車輛靜置期消耗電流維持在100mA左右，計算公式為：

C3=I×24×T/1000（4）

式中：C3——靜置期用電設備消耗容量，Ah;I——靜置期消耗電流（計算時I取值100mA），mA;T——靜置時間（計算時T取值30天），天。

2.2.4? 起動時的消耗容量

起動時的消耗容量主要包含兩部分，一是起動前為保證起動安全提前運行的用電設備消耗，二是起動機起動發(fā)動機所消耗的電能。起動前需開啟的用電設備及電流參數(shù)，如表1所示。

起動前用電設備消耗電容計算公式為：

C4=（I1T1+I2T2+…+InTn）/3600（5）

式中：C4——起動前用電設備消耗容量，Ah;In——用電設備工作電流，A;Tn——用電設備工作時間，s。

起動機消耗電容的計算公式為：

C5=Ist×Tst/3600（6）

式中：C5——起動機消耗容量;Ist——起動機工作電流，A;Tst——起動機運行時間，s。根據(jù)動力配置提供參數(shù)：發(fā)動機空擋時冷起動電流為450A，單次起動機工作時間為5～10s（計算時Ist取值450A，Tst取值10s）。

2.2.5 蓄電池額定容量的計算分析

查詢《GB/T 5008.2—2013起動用鉛酸電池產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸、標記》[3]所知，蓄電池額定容量在150～200Ah之間。從150Ah開始計算，按照上述公式計算得出：C1=150×73.2%=109.8Ah，C2=150×（1-85%）=22.5Ah，C3=100×24×30/1000=72Ah，C4=（3.1×120+4.5×90+10.8×90+87.45×120+20×120）/3600≈4.07Ah，C5=450×10/3600=1.25Ah。

蓄電池大電流放電不能單純以蓄電池額定容量來計算，因為短時間內(nèi)輸出電流量過大，蓄電池無法在短時間內(nèi)輸出全部的儲存電能，蓄電池額定容量越小，設定輸出電流越大，蓄電池能持續(xù)工作的時間就越短。按照《GB/T 12535—1990汽車起動性能試驗方法》的規(guī)定，汽車冷機起動試驗允許連續(xù)進行3次，若發(fā)動機未能自行運轉，則判定起動失敗，起動失敗間隔2min允許第2次起動[4]。通常的操作是關掉車輛電源，讓車輛靜置2min后再開啟電源，重復第1次起動操作程序，而這期間蓄電池持續(xù)化學反應對消耗的容量進行快速補充，所以大電流持續(xù)放電對蓄電池損耗容量比只計算第1次起動，不需計入第2、3次起動容量消耗。查詢蓄電池大電流放電容量曲線圖，如圖2所示，蓄電池在0℃時以450A電流持續(xù)放電10s，額定容量為150Ah、180Ah、195Ah的蓄電池剩余有效容量分別降為滿電容量的23%、41%、42.6%，所以額定容量為150Ah的蓄電池第1次起動后，蓄電池剩余容量：Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=1.33Ah;第2次起動后，蓄電池剩余容量：Q2=Q1-C4-C5=-3.99Ah;第3次起動后，蓄電池剩余容量：Q3=Q2-C4-C5=-9.31Ah。

Q2值小于0，說明該蓄電池容量不足以滿足第2、3次起動要求，增大蓄電池額定容量依次計算，蓄電池額定容量為180Ah的計算結果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=10.51Ah、Q2=5.19Ah、Q3=-0.13Ah;蓄電池額定容量為195Ah的計算結果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×42.6%-C5=14.68Ah、Q2=9.36Ah、Q3=4.04Ah。

蓄電池額定容量為195Ah時，計算得出Q3>0，說明該蓄電池容量滿足我們的設計需求。

3? 蓄電池選型的優(yōu)化設計

由上文2.2.5小節(jié)可以看出，靜置期用電設備消耗電流的大小以及蓄電池本身的性能參數(shù)對最終的計算結果影響較大，因此可以從下面兩個方面進行優(yōu)化。

3.1? 電路結構的優(yōu)化分析

大型客車因為配置的用電設備種類繁多，車輛靜置期內(nèi)100mA的消耗電流看起來不大，但是30天的合計卻是一個不小的消耗。為了滿足國家相關標準和數(shù)據(jù)實時上傳，如發(fā)動機ECU、行車記錄儀、GBOS（智慧客車運營系統(tǒng)）等用電設備的電源必須直接連接蓄電池。但是有一些設備在車輛靜置期內(nèi)實際上并不需要傳輸數(shù)據(jù)，產(chǎn)品廠家也要求提供蓄電池電源，如AEBS（自動緊急制動系統(tǒng)）、ECAS（電子控制的空氣懸架系統(tǒng)）、緩速器等。為了減少不必要的能耗，除了記憶和國標必須要求的，在其他用電設備和蓄電池之間安裝手動電源開關，方便在長時間的靜默期內(nèi)切斷與蓄電池的連接。根據(jù)以往設計經(jīng)驗，相同配置的車輛在安裝手動電源開關后，靜默電流可降低至35～50mA左右（計算時，靜置消耗電流取值50mA）。安裝手動電源開關后，再次計算，C3=50×24×30/1000=36Ah。蓄電池額定容量為150Ah時，C1=109.8Ah，C2=22.5Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=9.61Ah，Q2=4.29Ah，Q3=-1.03Ah;蓄電池額定容量為180Ah時的計算結果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=25.27Ah，Q2=19.95Ah，Q3=14.63Ah。

安裝手動電源開關后，蓄電池額定容量為180Ah時，Q3>0，該蓄電池容量滿足設計需求。

3.2? 蓄電池結構類型選擇的優(yōu)化分析

眾所周知，不同結構類型的蓄電池對環(huán)境的適應力也相差懸殊，主要表現(xiàn)在蓄電池自放電和蓄電池實時溫度有效容量兩方面。目前國內(nèi)市場上，免維護型的蓄電池在這方面的數(shù)據(jù)表現(xiàn)很不錯。查詢免維護型蓄電池容量與溫度關系曲線圖和自放電曲線圖，如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4中可以看出，免維護型蓄電池0℃時環(huán)境溫度蓄電池容量比λΔt=81.9%，30天貯存后實際有效電容量為額定容量的92%。

按照不加裝手動電源開關和免維護型蓄電池的組合方式計算，額定容量為150Ah時，C1=150×81.9%=122.85Ah，C2=150×（1-92%）=12Ah，C3=72Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=6.75Ah，Q2=1.43Ah，Q3=-3.89Ah;蓄電池額定容量為180Ah時的計算結果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=22.26Ah，Q2=16.94Ah，Q3=11.62Ah。不加裝手動電源總開關時，免維護型蓄電池額定容量為180Ah時，Q3>0，滿足設計需求。

按照加裝手動電源開關和免維護型蓄電池的組合方式計算，額定容量為150Ah時，C1=122.85Ah，C2=12Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=27.77Ah，Q2=22.45Ah，Q3=17.13Ah。加裝手動電源總開關時，免維護型蓄電池額定容量為150Ah時，Q3>0，滿足設計需求。

3.3? 成本核算優(yōu)化分析

經(jīng)過一系列的計算可知有4個備選方案滿足設計要求。方案1普通型195Ah蓄電池;方案2手動電源開關和普通型180Ah蓄電池組合;方案3免維護型180Ah蓄電池;方案4手動電源開關和免維護型150Ah蓄電池組合。從采購提供的價格對比表（表2）很明顯看出：加裝手動電源開關和免維護型150Ah蓄電池的組合方案（方案4）成本最低，是最優(yōu)選方案。

4? 高寒地區(qū)蓄電池的選型設計

上文3.3小節(jié)確定了工作環(huán)境溫度在0℃時蓄電池類型及額定容量的大小，但是在中國北方和一些高寒山區(qū)，冬季最冷月日平均溫度通常低于0℃，所以還需為這些特殊區(qū)域的配置進行核算（設定-18℃為工作環(huán)境溫度）。

按照加裝手動電源總開關和免維護型蓄電池組合的最優(yōu)配置方式，查看圖3，-18℃時環(huán)境溫度蓄電池容量比λΔt=60%。查詢-18℃時蓄電池大電流放電容量曲線圖，如圖5所示，蓄電池在-18℃時以450A電流持續(xù)放電10s，額定容量為150Ah、180Ah的蓄電池實際可用容量分別降為額定容量的16%、29%。根據(jù)公式計算，額定容量為150Ah時，C1=150×60%=90Ah，C2=12Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×16%-C5=4.82Ah，Q2=-0.5Ah，Q3=-5.83Ah;額定容量為180Ah時，C1=180×60%=108Ah，C2=14.4Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最終得出：Q1=（C1-C2-C3-C4）×29%-C5=14.27Ah，Q2=8.95Ah，Q3=3.63Ah。

在-18℃的工作環(huán)境溫度下，安裝手動電源開關后，蓄電池額定容量為180Ah時，Q3>0，該蓄電池容量可以滿足要求。

5? 總結

根據(jù)計算結果，該車輛蓄電池的最終配置方案為：安裝手動電源開關，在國內(nèi)大部分地區(qū)（環(huán)境溫度大于0℃），配置額定容量為150Ah的免維護型蓄電池;部分高寒山區(qū)（環(huán)境溫度小于0℃），配置額定容量為180Ah免維護型蓄電池。

新開發(fā)的車輛按照上述設計方法配置蓄電池，在可靠性試驗、起動試驗、加載加速耐久試驗中，蓄電池工作正常、運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)起動困難和饋電現(xiàn)象。試驗結果表明，本文描述的蓄電池選型和匹配設計的方法有效可行，可應用于大型客車蓄電池的設計和優(yōu)化核算。

參考文獻：

[1] 王婷萍. 汽車電氣系統(tǒng)的電源和負載匹配設計[J]. 汽車電器，2020（6）：47-49.

[2] GB/T 5008.1—2013，起動用鉛酸蓄電池第1部分：技術條件和試驗方法[S].

[3] GB/T 5008.2—2013，起動用鉛酸蓄電池第2部分：產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸、標記[S].

[4] GB/T 12535—2021，汽車起動性能試驗方法[S].

（編輯? 凌? 波）