混合動力汽車低壓蓄電池充放電管理

包壽紅，余才光，馬智濤，張 彤，孟 剛，韓 磊

（1.吉利汽車研究院有限公司電子傳動分院，上海 201500；2.湖北駱駝集團研究院有限公司，湖北 谷城 441705）

混合動力轎車有兩類電池，一是高壓蓄電池（或稱動力電池）；二是低壓蓄電池，與傳統車一樣，低壓蓄電池為整車電器提供12 V的工作電源。高壓蓄電池有比較完整的管理系統BMS，可以進行合理的充放電管理，確保高壓蓄電池的正常工作，延長其使用壽命。而低壓蓄電池一般是通過DC/DC裝置，將高壓蓄電池的電源轉化為14 V的電源對低壓蓄電池進行充電 （類似傳統車的發電機對蓄電池充電）。由于低壓蓄電池沒有專門的充放電管理系統，何時充電以及以多大的電流充電沒有一個合理的規范，很容易造成低壓蓄電池的損壞。主要表現為兩點。

1）在蓄電池電量出現嚴重虧空的情況下，DC/DC裝置給蓄電池充電的電流異常大，并持續較長時間而造成蓄電池損壞。

2）在ACC/ON電源狀態下，長時間使用電器，在此基礎上又長時間的停放，蓄電池電量一直處于虧空狀態，造成蓄電池損壞。

1 鉛酸蓄電池充放電過程[1]

蓄電池充電過程是將電能轉化為化學能在電池內儲存起來的過程。這個過程中電解液濃度增加，蓄電池電動勢升高，同時伴隨水的電解，電解過程中將有氣泡產生。

充電時化學反應總方程式為:

水電解過程中的副反應:

從式 （2）、 式 （3）兩個反應式可以看出， 充電過程存在水的分解反應，這種分解反應在大電流過充電時更為明顯。

蓄電池的放電過程是充電過程的逆過程，是將化學能轉化為電能的過程。放電過程中，硫酸濃度下降，正負極上的硫酸鉛增加，電池的電動勢降低，電池在放電后兩極活性物質均轉化為硫酸鉛。

放電時化學反應式為:

2 蓄電池充放電管理

2.1 蓄電池充電管理

2.1.1 蓄電池充電過程中的影響因素

1）大電流充電對蓄電池的影響

大電流充電對蓄電池的危害之一是造成極板活性物質大量脫落，特別是在大電流過充電的情況下。由于在充電過程中伴隨著水電解的副反應，充電電流越大反應越激烈，如式 （2）、式 （3）所示，水電解后產生大量的氫和氧，當氫氣從負極板的孔隙內向外沖出時，造成活性物質脫落。活性物質的脫落會使蓄電池容量下降，而且容易形成自放電和極板短路故障，因此在蓄電池充電過程中必須對充電電流進行限制。

大電流充電危害之二是蓄電池內部溫升較快，特別是大電流持續較長時間。由于蓄電池散熱不佳，很容易產生過熱，使蓄電池的內阻下降，反過來又使充電電流進一步增加，內阻則進一步下降，如此惡性循環持續下去會出現熱失控，造成蓄電池殼體嚴重變形以及相關線路溫升急劇上升。

2）溫度對蓄電池的影響

溫度對蓄電池影響之一是蓄電池的容量，主要原因是溫度變化時電解液粘度發生變化，影響了極板孔隙內的活性物質利用率。二是對蓄電池內阻的影響，因此間接影響了充放電時蓄電池的端電壓。

圖1是容量為100 Ah的新蓄電池，以0.1C倍率的標準恒定電流在不同環境溫度下的充電特性曲線。溫度在0～5℃時，其充電端電壓會上升約2%，在10～25℃時充電端電壓上升約1.5%， 而在35～40℃時充電端電壓下降約1%，當溫度高于55℃時充電端電壓下降5%。由此可見，在充電過程中，溫度的改變會對充電電壓產生一定影響，造成蓄電池在冬季充電可能不足，而在夏季可能過充[2]。

2.1.2 穩壓限流的電路結構及充電方法

在混合動力汽車中，由于發動機時常處于停機狀態，靠發動機帶動的發電機無法正常給12V低壓蓄電池充電，因此給12V蓄電池充電的功能由DC/DC逆變裝置實現，該裝置一般集成在動力電池BMS或是電機控制器PEU中。圖2是某款混合動力車型的DC/DC逆變裝置，該裝置集成在電機控制器PEU中。

當動力電池電量SOC大于設定值時，動力電池直接輸出電流經DC/DC逆變器給12 V蓄電池充電；如果SOC值小于設定值，則起動發動機帶動發電機，經PEU逆變器給動力電池充電，同時通過DC/DC逆變器對12 V蓄電池充電，并與12 V蓄電池一并給整車低壓電器供電。

由于DC/DC逆變裝置電源輸出端和12 V低壓蓄電池正極電源輸出端并接在一起，作為整車用電器的電源輸出，因此整車用電器和蓄電池都受DC/DC輸出電流的影響。如果為了保護蓄電池而限制DC/DC的輸出電流，有可能會出現無法滿足用電器出現大負荷電流的要求；如果為了滿足用電器大負荷電流的需求不限制DC/DC的電流，又會對蓄電池造成損害。因此這種充電電路必須能滿足蓄電池小電流充電的要求，同時又要能滿足大負荷用電器對電源的要求，圖3就是按上述要求專門設計的電路。

在圖3的電路結構中，ACC或ON檔狀態下使用DVD、點煙器等車載用電器，DC/DC逆變裝置不工作，由12 V蓄電池通過續流二極管沿相關電路給用電器提供電源。

在READY或行車狀態，DC/DC逆變裝置開始工作，一是通過與車載用電器連接的電路給車載用電器提供電源，所需的電流大小由用電器的實際負載大小決定，但最大不能超過DC/DC逆變器的最大允許輸出電流。二是通過穩壓限流裝置給蓄電池充電，穩壓限流值與使用的蓄電池規格有關，充電的電流大小取決于蓄電池實際電量。當蓄電池電量不足出現虧電時，這時的充電電流值最大，但由于穩壓限流裝置限流的作用，電流大小一般不會超出1C倍率充電，確保蓄電池的活性物質不因電流過大造成脫落；充電一段時間后，蓄電池的端電壓持續上升，充電電流逐漸下降，當蓄電池的端電壓接近或達到穩壓值時，充電電流趨近于零并一直維持。當出現用電器負載突增時，蓄電池通過續流二極管輔助DC/DC逆變裝置給整車提供電源。

在蓄電池充電過程中，電流傳感器檢測蓄電池的實際需求電流，通過觸發器控制穩壓限流裝置輸出蓄電池所需的電流值，并限制最大充電電流。溫度傳感器檢測蓄電池實際溫度，穩壓限流裝置根據蓄電池的實際溫度以及圖1的充電曲線適當調整充電電流，避免出現在冬季充電可能不足，而在夏季蓄電池可能過充電的現象。當蓄電池溫度出現異常時 （超過設定的極限溫度），穩壓限流裝置可暫停給蓄電池充電，并發出警示。

表1是某款車型12 V蓄電池穩壓限流充電裝置給65 Ah蓄電池充電的電流、電壓值，最大充電電流限制在1C倍率范圍內，即電流最大不超過65 A。為了能明顯區別限流的效果，采用了虧電狀態和不虧電狀態的蓄電池進行充電對比。

表1 蓄電池充電電壓/電流值

表1中，電壓1和電流1是虧電狀態的蓄電池充電數據 （將蓄電池放電至9V，靜止30min后電壓恢復至11.9 V，直接起動車輛進入READY狀態進行充電）；電壓2和電流2則是正常狀態的蓄電池（12.6V）的充電數據。在充電過程中每隔2min左右記錄一次。為直觀起見，將表1數據用圖4的曲線表示。

從圖4的電流1曲線可看出，由于蓄電池虧電，電動勢E很低，因此充電電流很大，但由于限流的作用以及溫度對充電電流的調節，在60 A左右開始趨于穩定并維持一定的時間，然后開始下降；如果沒有限流的作用，充電電流將會沿虛線部分充電，電流將會接近75 A，然后較快地下降。電流2曲線由于最大的充電電流為34.5 A，未達到限流的設定值，因此電流不會在35 A左右穩定一定的時間，而是較快的速度下降。從圖4可看出，正是由于限流的作用，即使蓄電池在虧電的狀態下充電，充電的電流也不會超出設定的電流值，從而避免了大電流對蓄電池的傷害。

2.2 蓄電池的放電管理

2.2.1 蓄電池放電過程中的硫化現象

由式 （4）表明，蓄電池在放電過程中，兩極活性物質均轉化為硫酸鉛。充電不足或者充足電量的蓄電池因過量放電，譬如在ACC狀態下長時間使用音響設備等，使電解液中存在大量的硫酸鉛，如果車輛長期放置不用，硫酸鉛就會從電解液中析出，極板上會逐漸生成一層白色的粗晶粒的硫酸鉛，這種物質很難在正常充電時溶解還原成活性物質 （稱為硫酸鉛硬化）。同時這種物質會堵塞極板的孔隙，阻礙電解液的滲入，導致容量下降，內電阻增大，起動和充電性能明顯下降。充電時，充電電壓和電解液溫度會異常升高，并過早發生氣泡；放電時，電壓下降很快，嚴重影響蓄電池的壽命。

2.2.2 ACC/ON電源狀態下的自充電方法

傳統汽車在ACC/ON電源狀態下，如果長時間的使用音響等電器，由于發動機沒有工作，因此交流發電機無法給蓄電池及時充電，很容易使蓄電池過度放電，如果車輛再長時間停放，蓄電池就會出現極板硫化的現象，影響了蓄電池的使用。

在混合動力車型中，由于采用了智能起動系統，通過PS模塊 （或者HCU）實時檢測蓄電池的電壓，當蓄電池電壓下降到所允許的下限值時自動起動充電系統，就可以達到防止蓄電池出現過度放電的現象，從而避免蓄電池出現極板硫化的問題。

圖5是某混合動力車型蓄電池自充電系統拓撲圖，該系統主要由無鑰匙起動系統PS、整車控制器HCU以及電池管理系統BMS和電機控制器PEU組成（PEU內含DC/DC功能），可以將直流288 V的動力電源轉換成低壓直流電源給12V蓄電池充電。

蓄電池自充電系統工作過程如下。

1）整車電源處于ACC或ON狀態時，由于較長時間內使用音響等電器，使蓄電池電壓有所降低，當PS模塊內部電源監測電路檢測到電壓低于設定值時，開始進入自行充電模式。

2）PS模塊控制相應的電路閉合，并向HCU提出充電請求。

3）HCU進行診斷，確認進入READY的條件滿足，則接通主繼電器，使PEU、BMS、EMS進入工作狀態，并起動DC/DC轉化，如果同時檢測到動力電池SOC值低于設定值時，起動發動機充電。

4）動力電池的SOC值充電到設定值時，停止發動機充電，保持READY狀態，以備隨時行車需要。

5）如不需使用電器，可按PS模塊上的POWER開關退出，使電源回到OFF狀態。

根據上面所述的工作過程，將其轉化成圖6所示的蓄電池自充電流程圖。

3 結論

鉛酸蓄電池正常使用壽命一般為2年，如使用不當，蓄電池容易出現極板硫化和活性物質脫落，以及由此造成的自放電和內部短路問題。傳統車中蓄電池充電由發電機提供，而發電機提供的充電電源只穩壓而不限流，因此不能控制大電流充電的現象發生；在ACC/ON檔位使用音響等設備時，傳統車的蓄電池放電后不能得到及時補充，因此會出現蓄電池電量不足，如果長期放置，就會出現極板硫化的現象。

而混合動力車可以采用DC/DC模塊以及動力電池管理系統BMS、發動機控制器EMS、無鑰匙起動系統PS、整車控制器HCU等共同完成對低壓蓄電池的管理，在充電過程中，當蓄電池電動勢較低 （虧電狀態）出現大電流充電時，可以對大電流進行限制，并通過溫度的檢測對充電電流進行適當調節；當電源在ACC/ON檔位使用音響等設備時，如蓄電池端電壓降到所允許的設定值時，蓄電池自充電系統將自動起動進行充電，可有效防止蓄電池電量不足又長期放置出現的極板硫化現象的發生，確保低壓蓄電池的正常工作，減少DC/DC向低壓蓄電池的充電量，提高系統節油率，這也是混合動力車有別于常規動力車的特點之一。

[1]蓄電池維護保養手冊[Z].湖北駱駝電池股份有限公司，2007.

[2]杜 軍.基于P89V51RD2的多功能蓄電池充電系統設計[J].國外電子元器件，2006，（7）:53-57.

[3]GB/T 5008.1-2005起動用鉛酸蓄電池技術條件[S].中華人人民共和國國家標準，2005.