淺析商用車低溫起動系統技術研究

孫晨東

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淺析商用車低溫起動系統技術研究

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

隨著商用車銷售區域的逐漸增大，寒冷地區的車輛逐年遞增，在寒帶地區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的性能有著更高要求，目前大多數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℃等低溫環境下仍存在一定技術挑戰。起動環境溫度越低，發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境下電源起動系統進行技術研究，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進行技術研究。

1 電源起動系統匹配設計分析

由于在低溫環境下，發動機阻力矩，起動機的內阻都會增大，故起動的環境溫度越低，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

根據試驗數據匹配設計好電源啟動系統冷起動電流后，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，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中起到起動發動機，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；

t1.t2——分別為電解液的溫度。

在蓄電池標準中，經常規定一個溫度為額定容量的標準溫度，如規定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定溫度系數的值。實際上溫度系數不是常數，在不同的溫度范圍內，溫度系數是不同的，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

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

表1 高性能蓄電池參數表

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于2只并聯的普通電池。

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于2只并聯的普通電池，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，節能化，高性能，成本優化等優點。

5.2 降重方面

高性能蓄電池已經成功通過-25℃環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.

[4] 李晶.變電站閥控式鉛酸蓄電池50%放電測試的研究.蓄電池. 2010 47（2）):82-84.

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