基于电压阈值的判断汽车蓄电池电量的方法*

张小慧 彭云建 田森平 向琪

1 引言

蓄电池是一种可逆的直流电源，它能将化学能和电能互相转换，在燃油汽车上起重要作用。目前，国内使用的汽车蓄电池以铅酸蓄电池为主。铅酸蓄电池的主要功用是在启动发动机时向起动机及点火系统（汽油发动机）等提供电能。随着科技的发展，汽车的电器如防盗监控系统、GPS、ABS、倒车雷达、警示灯、音响、冷气等大幅增加，甚至有冰箱、手提电脑等外接设备。若车主由于疏忽导致某些电器未关闭或是电池老化电力不足，很容易导致汽车无法启动，特别是对于耗电量大的救护车和警用车来说后果不堪设想。因此，对汽车蓄电池的电量状况进行监测显得尤为重要。

现在很多铅酸蓄电池都是免维护的，即根据电解液比重的变化，改变指示眼的颜色来反映蓄电池电量的状况，但这种方法时效性、准确性都较低。也可以通过电压判断蓄电池电量，但该方法并未考虑到温度的影响，可靠性不高[1]。也有通过实时测量蓄电池内阻从而推算剩余电量的，但内阻测量过于复杂[2]。随着电动汽车的发展，各种通过电池荷电状态（SOC）值精确估测电池电量的方法有了深入研究，但对于带有发电机的、能够对蓄电池随时充电的车辆来说，这些方法需使用中大型的处理器，设备成本较高[3]。

本文所述的电压监测系统，是将车辆电池供电状态分成车辆停止和车辆正常启动两种模式，通过电压测量，并考虑温度影响，以此来判断电池状态。

2 温度对电池状态判断的影响

对于基于电压阈值判断电池状态的检测系统来说，温度对测量结果的准确性影响较大。文献[4]研究了温度对蓄电池放电容量的影响，结果表明：终止电压一定时，温度越高，放电容量越大，反之放电容量越低，如图1所示。

图1 蓄电池放电容量与温度的关系曲线

一般情况下，铅酸蓄电池的容量与温度的关系可以用如下经验公式表示：

式中：Ct1为温度为 t1℃时的容量（Ah），Ct2为温度为2t℃时的容量（Ah），1t，2t分别为电池的温度（℃）；k为容量的温度系数，是指温度变化1℃时铅酸蓄电池容量变化的量[5]。由此可见温度对蓄电池的容量是有影响的。

温度补偿后的车辆电池电压可由式(2)得到：

其中，V ( t)为温度补偿后的车辆电池电压，V ' (t)为车辆电池回路电压。式中ΔT=T(t)-T0，T0为温度补偿函数矩阵参数值的基准温度；[k1，k2，k3]为温度补偿函数矩阵参数值，不同电池型号对应不同矩阵参数值。

通过对数据深入分析和仿真，可以获得温度补偿函数矩阵参数值。

3 算法

带有温度补偿的汽车蓄电池电压监测流程图如图2所示。

图2 汽车蓄电池电压监测流程图

图2 中所述各式意义如下：

式中， S（Δt）= （V （t0+ Δt）-V （t0）/Δt， t0为计算电压变动斜率的起始时间；Smin为正常启动时发电机电压上升斜率最小值。

其中，t1，t2为设定的n个连续取样的时间区间。

式(4)～(8)中， V （ t）、A（ t ）为任意取样时刻经过温度补偿的车辆电池电压和电流数值；Vav为n个连续取样的时间区间内经过温度补偿的车辆电池电压的平均值，用以判断发电机工作状况；AEL为汽车正常启动时的最小电流值；VEL为车辆发电机的正常供电电压下限值；VHH为汽车正常运行时电池输出端安全警告电压上限值。

式(9)～(12)中，V （ t）的意义同前，VRLH、VRLL分别为汽车正常运行时蓄电池输出端安全警告电压下限值与过低电压值；VSLH、VSLL分别为汽车停止时电池输出端安全警告电压下限值与过低电压值。

第一种讯号报警表示发电机电压异常过高；第二种讯号报警表示发电机电压异常过低；第三种讯号报警表示蓄电池电压过低；第四种讯号报警表示蓄电池即将耗尽。在汽车运行时蓄电池电压过低可能是由于电池老化，发电机效能过低或发电机电压调节器发生故障无法对电池充电造成的；在汽车静止时蓄电池电压过低是由于发电机不再供电，汽车电力由蓄电池供应，蓄电池电力耗损至低电压造成的。当汽车静止发出第四种讯号时，切断继电器时，同时启用备用蓄电池对防盗系统供电。当放电倍率较大时（特别是发动机启动时），电压可能急速下降，有自恢复效应。故为防止误报警，在发出第三次和第四次讯号时均需连续取样多组数据。

4 算法的硬件实现

前述汽车蓄电池电压监测器连接于车辆电池与启动机、发电机之间，其硬件框图如图3所示。

参数输入装置用以输入温度补偿系数矩阵，继电器用于控制停车时车辆电池是否继续供电，屏幕显示器和语音报警系统用以显示结果。

图3 汽车蓄电池电压监测器硬件框图

5 结论

考虑到经济性以及实用性，本文所述的汽车蓄电池电压监测器主要应用于铅酸蓄电池电量检测，并不需要精确测得 SOC的具体值，而是以电压临界值与电流变化率为指标，带以温度补偿修正，当电量过低时发出警报。该监测系统能在汽车动态时判断发动机能否正常启动，发电机能否正常工作；在汽车静态时能够判断电池是否正常，若电量过低，能切断主蓄电池电源供电以保证再次启动，并用备用蓄电池对防盗系统等供电。目前，此种汽车蓄电池电压监测器正在研制中。

[1] 魏春旺,余志文.汽车蓄电池电压监视器[J].汽车电器,1996,6:21-23.

[2] 李匡成,杨亚丽,陈涛,袁文涛.用最小二乘法在线估计蓄电池荷电状态[J].电源技术,2010,34(10):1056-1059.

[3] 林成涛,王军平,陈全世.电动汽车SOC估计方法原理与应用[J].电池,2004,34(5):376-378.

[4] 袁立军,顾益森.论温度对免维护铅酸蓄电池的影响[J].船电技术,2001,2:38-39.

[5] 魏晓斌,张磊,张光,谢楠.温度对阀控式铅酸蓄电池的影响分析[J].电源技术,2008,32(2):122-123.