新能源汽车铅酸蓄电池充电方法

新能源汽车铅酸蓄电池充电方法包寿红【摘要】根据铅酸蓄电池开路电压与电量的关系，采用在车检测电量的方法，对电量饱和与欠饱和两种充电模式进行充电.这种充电方法能延长铅酸蓄电池使用寿命，又能节约电能，降低油耗，操作简单,具有推广性.【期刊名称】《汽车电器》【年(卷)，期】2016(000)006【总页数】5页(P13-17)【关键词】新能源汽车;铅酸蓄电池;充电方法【作者】包寿红【作者单位】科力远混合动力技术有限公司，上海201501【正文语种】中文【中图分类】U469.72在常规汽车中，12V的低压蓄电池由发动机带动发电机进行充电，一般采用恒定13.8V左右的电压进行充电，而混合动力汽车由于发动机经常处于停机状态，无法使用常规的发电机。为了解决这一问题，增加一个DC/DC逆变器，一端接入288V的动力电池电源，另一端输出额定12V的电源对低压蓄电池充电，DC/DC逆变器一般集成在动力电池包内，或者集成在电机控制器PEU内，以实现在发动机不工作时也能满足低压蓄电池充电要求。图1是某款混合动力车12V蓄电池充电系统。有两条途径对12V蓄电池充电，一是当电机E1或者E2处于发电状态时，先通过逆变器转换成288V高压直流电源，再通过DC/DC逆变器转换成额定12V的电源给低压蓄电池充电；二是通过动力电池高压288V电路直接给DC/DC逆变器供电，再转换成额定12V的电源给低压蓄电池充电。常规汽车使用的铅酸蓄电池由正负极板、隔板和电解液组成。正极的活性物质主要成分为二氧化铅，负极活性物质主要成分是铅，电解液是蓄电池另一重要组成部分，由浓硫酸和去离子水配置而成，它的作用是传导电流和参加电化学反应。这种蓄电池在大电流过充、小电流过放或长期电量不足等状态下，极易造成极板硫化、活性物质大量脱落、自放电等，严重缩短电池的使用寿命。当电池电量已处于饱和状态时，发电机仍会以稳定的电压对蓄电池进行充电，过多的电能将通过发热的形式转换为热能，造成电能损失。1.1蓄电池充电过程[1]蓄电池充电过程是放电过程的逆过程，是将电能转化为化学能在电池内储存起来的过程。电解液浓度增加，蓄电池电动势升高，充电过程中由于水的电解，将有气泡产生。充电时化学反应总方程式为在充电过程中，伴随着水电解的副反应如下从式（2）、（3）可以看出，充电过程存在水的分解反应，这种分解反应在大电流过充电时更为明显。1.2传统充电法及缺点[1]定压充电法是目前传统汽车使用的充电方法，即在对蓄电池充电时充电电压保持恒定不变，充电特性见图2。充电时电流的变化规律如下充电初期充电电源Uc与蓄电池电动势E差值较大，由式（4）可知，充电电流也较大，电动势上升较快；若继续充电，则Uc与E的差值逐渐减小，充电电流Ic也随之减小，直至趋近于0。因此，定压充电时，充电的电流大小主要取决于充电电源和蓄电池电动势之间的差值；如果蓄电池放电亏空严重，电动势E很小时，在充电初期充电电流会很大，且伴随气泡产生，易造成蓄电池的活性物质脱落，对蓄电池有较大的影响。当蓄电池的电量基本饱和时，充电的电流减小，但由于充电的电压保持14.8V，仍有一定的充电电流，该电量将通过热量的形式进行转换。2.1基本原理根据蓄电池的结构和工作原理，在蓄电池电量不足时（亏电状态下），在蓄电池允许的范围内以较大的电流进行快速充电，避免蓄电池活性物质脱落，同时又保证蓄电池的电量得到快速补充，保证车辆驻车停放后电量的充足，这种模式称为电量欠饱和充电模式。在蓄电池电量充足的状态下，采用略高于蓄电池额定电压进行浮充，始终维持蓄电池处于充足的电量，同时又不会把过多的电能转换为热能损失，这种模式称为电量饱和充电模式。通过这种充电方法，可解决目前蓄电池存在的上述问题。2.2充电方法实现2.2.1蓄电池电量的检测通过蓄电池开路电压的检测，来判断蓄电池的电量状态。蓄电池开路（正负极二端未接负载）时，正常的情况下，如果检测到开路电压在12.4V以上，就可以认为蓄电池已充足电。开路电压检测值与电解液相对密度之间的关系见表1。2.2.2整车上蓄电池电量的检测在整车上时，不可能脱开蓄电池两端的接线柱进行电池的电量检测，但蓄电池的开路电压可通过在车测试的方式实现。根据实际整车测试，在点火锁处于IG状态下1s后测得的控制器常电端的电压12.4V以上时，电池电量＞80%;电压12.4V以下时，电池电量＜80%。蓄电池开路电压测试的时机很重要，电源IG上电过程中，由于蓄电池内阻的存在，电池内部有一定的压降，因此这时的端电压要略小于蓄电池的开路电压。大约需要1s左右的时间，蓄电池的端电压才会稳定下来，这时进行电压测量比较准确，具体方法如下。1） 将点火锁拨至IG电源状态进入IG电源时，整车控制器HCU测量其常电端的电压，用IG电源1s后的电压值定为蓄电池的开路电压，从而确定电池的电量状态。2） 直接起动进入READY状态整车控制器HCU测定其常电端的电压，用IG电源1s后的电压值确定为蓄电池的开路电压，从而确定电池的电量状态（HCU确认电压值后才能响应READY申请）。2.2.3电量饱和充电模式HCU控制器常电端电压大于或等于12.4V，可认为蓄电池电量处于饱和状态。此时，DC/DC逆变器输出电压稳定在12.75V，可以保证蓄电池处于弱充弱放状态，在大负荷工况下仍可以保证车辆驻车停放后，蓄电池容量维持在正常状态。2.2.4电量欠饱和充电模式若HCU控制器常电端电压小于12.4V，DC/DC电压稳定在14.0V进行充电。在这种状态下，无论负载怎样，蓄电池的电量都能得到快速补充，且最大充电电流不会超出1C。如果蓄电池亏电量不多，长时间充电可能会过充，但一般车辆行驶时间不会连续超出4h，只要车辆重新点火，蓄电池的电量又会重新进行检测，只要电量饱和，DC/DC的充电电压就又可以稳定到12.75V，重新维持弱充弱放状态。2.2.5新能源车蓄电池充电流程根据上述的蓄电池充电方法，可以用图3所示的流程进行描述。实验时，根据测得的电压，分别采用电量饱和模式与欠饱和模式进行，每种模式下分别将整车用电器负载调到0~20A、20-40A、40-80A三种状态，观察逆变器DC/DC的端电压、电流值以及12V蓄电池端电压和电流值，确定这两种充电模式的可行性。3.1电量饱和充电模式的实验3.1.1实验前蓄电池的状态实验前先脱开蓄电池的负极接线柱，测的蓄电池的开路电压为12.79V，接上蓄电池接线柱后，使电源处于IG状态，1s后测得的电压值为12.4V。根据表1蓄电池的电量状态，采用电量饱和的充电模式进行测试。3.1.2不同负载下的充电实验图4是整车控制器HCU的INCA工具标定界面。①处是指通过整车控制器HCU的参数设定，控制DC/DC逆变器的浮充电压在12.75V(实际DC/DC输出电压为12.625~12.75V);②、③、④三处分别指负载在0-20A、20-40A、40-80A三种状态下的DC/DC输出电流值，分别是9A、22A以及55A左右。1)0-20A低负荷充电实验将整车用电负荷调整至10A左右，每隔60s记录—次蓄电池端电压和电流的数据，实验累计10min。在测试过程中，DC/DC逆变器输出电压为12.625-12.75V，电流值为9A。测得的蓄电池端电压和电流值数据见图5，充电电流小于0.5A，电压12.74-12.75V。12V蓄电池处于弱充状态。)20-40A低负荷充电实验DC/DC逆变器输出电压为12.62-12.75V，电流值为22A。测得的蓄电池端电压和电流值数据见图6，放电电流小于0.5A,电压值为12.67-12.70V。蓄电池处于弱放状态。)40-80A大负荷数据测定DC/DC逆变器输出电压为12.62-12.75V，电流值为55A左右。测得的蓄电池端电压和电流值数据见图7，电压值为12.54-12.75V，蓄电池处于充放状态，电流根据负载的变化而变化。其中记录的第5min这个点，电动助力转向EPS转至极限位置，整车总的电流值达到100A左右,蓄电池释放了15A的电流；当EPS转回初始位置后，蓄电池开始充电。3.1.3电量饱和充电模式的实验结论上述实验测试完毕后，测得IG状态1s后的电压为12.48V，脱开蓄电池的接线柱测得端电压为12.67V，与实验前电量基本一致。在电气负荷0~20A、20~40A、40-80A的增加过程中，DC/DC逆变器的输出电压维持12.62~12.75V不变，蓄电池由弱充到弱放。在大负荷时，根据负荷的变化，蓄电池处于充放状态，端电压仍可维持在12.5V以上。实验说明当蓄电池SOC大于80%时，DC/DC逆变器输出电压稳定在12.75V时，可以保证蓄电池处于弱充弱放的理想状态，在大负荷工况下也可以保证蓄电池容量维持在正常状态。3.2电量欠饱和充电模式实验3.2.1实验前蓄电池的状态实验前测得蓄电池的开路电压为11.84V,IG状态1s后测得的电压值为11.34V。根据表1蓄电池的电量状态，采用电量欠饱和的充电模式进行测试。3.2.2不同负载下的充电实验图8界面①处DC/DC的电压设定在14V(实际为13.87~14V),②、③、④三处分别指负载在0~20A、20~40A、40~80A三种状态下的DC/DC输出电流值，分别是20A、40A以及60A左右。这里的DC/DC输出电流有所增加，反映亏电状态下的蓄电池作为一个用电器，增加了整车的用电负载。0~20A的低负荷充电实验DC/DC逆变器输出电压为13.87~14V,电流值大于22A。测得的蓄电池端电压和电流值数据见图9，充电电流从22A逐渐降低到11A，电压值逐渐从13.7V升至13.8V。蓄电池处于快速充电状态。40~80A大负荷的数据测定DC/DC逆变器输出电压为13.87~14V,电流值为60A及以上。测得的蓄电池端电压和电流值数据见图10，电压值为13.61~13.81V，蓄电池充电电流9A左右。其中记录的第3和第5min2个点，分别是制动能量回收系统的ACMH和电动助力转向EPS开始工作，最大电流值达100A，在此负载下，蓄电池的充电电流仍有7A以上。3.2.3电量欠饱和充电模式实验结论实验完毕后，测得IG状态1s后的电压为11.99V，脱开蓄电池的接线柱测得端电压为12.25V，与实验前相比，开路电压上升了0.4V，电量得到了较大补充。在电气负荷为20A左右时，蓄电池以较大的电流进行快速充电；在电气负荷为60A以上，甚至达到100A时，仍有较大的电流对蓄电池进行充电。实验说明当蓄电池SOC小于80%时，DC/DC逆变器输出电压稳定在14V时，可有效保证蓄电池在各种负荷下都可以处于较快的充电状态。本文利用铅酸蓄电池开路电压与电量的关系，实现了在整车上对蓄电池电量的测试方法；根据蓄电池的电量状态，分别对应电量饱和模式与欠饱和模式进行充电，以满足蓄电池的充电需求。在整车处于各种用电负荷下，采用这种充电方法，能在车辆行车电器正常工作的同时，可保证