车载蓄电池的匹配设计方法

李敬斌，李新光

（安徽省江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

车载蓄电池的匹配设计方法

李敬斌，李新光

（安徽省江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

详细阐述汽车起动的各个过程，计算每个过程中消耗的蓄电池容量，以起动次数和蓄电池剩余容量来评价匹配结果，使汽车蓄电池的匹配设计更具科学性。

蓄电池；匹配设计；容量

蓄电池作为汽车电气系统中的核心零部件，起着十分重要的作用。在车辆未起动时作为供电电源满足车辆用电需求，在起动过程中负责提供较大电流拖动起动机工作，在车辆运行过程中又作为电容保持整车电压稳定。蓄电池匹配是整车设计中非常重要的工作，匹配不当会造成车辆静置时间短、容易馈电、起动困难等影响，且蓄电池作为化学产品，其电气参数受外界环境影响较大，匹配过程中需要考虑的因素较多。

1 传统蓄电池匹配设计方法

目前整车厂匹配蓄电池时，大都采用经验公式进行理论计算。

式中：C20——蓄电池额定容量，Ah；P——起动机功率，kW；U——蓄电池额定电压，V。

式中：K——容量系数，0.04～0.05；P——起动机功率，kW；η——起动机效率；UH——蓄电池额定电压，V；Uk——起动机制动电压，V；RL——连线内阻，Ω。

现有经验公式范围很广，实际使用只能作为参考。如公式（1）仅仅考虑起动机功率，公式（2）在公式（1）基础上有所改进，增加了起动机效率、制动电压和连线内阻的影响，但仍存在一定偏差，只是相对范围缩小了。上述经验公式都只是从起动过程角度考虑蓄电池的匹配，而没有考虑外界环境温度等因素的影响。当相同的起动机匹配不同的发动机时，其起动电流是变化的，温度对起动机和蓄电池的性能会有影响，因此，单纯以起动机功率或其他固定参数来计算蓄电池容量是不够科学的，与实际状态差距较大。

2 蓄电池匹配设计方法优化改进

本文通过分解汽车起动的各个过程，分析每个过程中蓄电池的作用，计算每个过程中消耗的蓄电池的容量，同时考虑在不同的温度与放电电流的作用下对蓄电池容量的影响。通过蓄电池容量的减法计算，以起动次数和蓄电池剩余容量来评价匹配结果，最终使汽车蓄电池的匹配更具科学性和实用性。

根据汽车实际使用情况，将蓄电池匹配整个过程分为4个阶段：汽车静置阶段、起动前准备阶段、起动过程瞬间、起动间隔阶段（图1），其中起动间隔之后会进行下一次起动。蓄电池的匹配不仅只满足车辆一次起动，本方法中以起动X次后还剩余XX电量为匹配结果。接下来对每个阶段中蓄电池容量消耗量的计算方法进行详述。

图1 蓄电池的匹配过程

2.1 汽车静置阶段容量消耗C1

汽车静置过程中蓄电池电量消耗的原因主要有两方面：一是整车静态电流的存在。由于现在汽车大量电子控制器的存在，其在非工作状态下也会有一定的微弱电流，还有车上仪表、行车记录仪等需要记忆时间的系统也会产生静态电流。这类静态电流一般为 mA级，但随着静置时间加长，其耗电量却是不可忽视的。另一方面是蓄电池本身造成。由于蓄电池本身的化学特质，即使不连接电路，也会产生自耗电，其耗电量由蓄电池的自放电率决定。综上所述，在汽车静置阶段蓄电池的耗电量计算公式如下

式中：I静——整车静态电流， mA；T——静置时间，天；C20——蓄电池初始容量；λ——蓄电池日自放电率。

2.2 汽车起动前准备阶段容量消耗C2

汽车起动前准备主要是针对寒冷天气，为提高汽车的冷起动性能，现代汽车尤其是商用车大都配备有发动机预热和燃油加热功能，有些会有液体加热器。这些用电器的作用是起动前对发动机气路和油路系统提前预热，工作时间一般由系统本身决定，功率一般比较大，蓄电池消耗也不可忽视。此阶段蓄电池的耗电量计算公式如下

式中：In——用电器的工作电流，A；Tn——用电器的工作时间，s。

2.3 起动过程蓄电池容量消耗C3

汽车起动时蓄电池提供起动电源，起动机拖动发动机运转。故起动过程的电量消耗主要是由起动机工作引起的。其计算公式为

式中：Ist——起动机拖动电流，A；Tst——拖动时间，s。

需要注意的是，蓄电池在放电电流比较大或者环境温度比较低时，其化学特质发生变化，导致蓄电池实际可用容量降低。

由图2、图3可以得出，蓄电池在放电电流Ist，环境温度为t时的实际可用容量百分比Φ。通过以上2个阶段的容量消耗，起动前蓄电池的容量为C20-C1-C2。但在起动过程中，由于放电电流大以及考虑环境温度的影响，蓄电池实际可用容量为（C20-C1-C2）×Φ。综上可知，第1次起动完成后，蓄电池剩余容量为（C20-C1-C2）×Φ-C3。

图2 蓄电池容量与放电电流关系曲线图

图3 蓄电池容量与温度关系曲线图

2.4 起动间隔阶段蓄电池安时消耗C4

一般在天气寒冷时，车辆并不能一次起动成功，需要再次起动。但是由于蓄电池刚刚经过大电流放电，驾驶员一般会等待一段时间再进行起动。等待过程中，车上用电器工作仍会消耗蓄电池电量。其计算方法同C2一样，根据用电器的工作电流和工作时间进行计算。

3 蓄电池匹配流程

首先根据公式计算出蓄电池容量的大致范围，然后从范围内最小容量开始进行匹配计算。

起动1次后，蓄电池剩余容量：K1=（C20-C1-C2）×Φ-C3。

起动2次后，蓄电池剩余容量：K2=K1-（C4+C3）。

起动3次后，蓄电池剩余容量：K3=K2-（C4+C3）。

一般要求蓄电池起动匹配需要满足3次起动，故当K3小于0时，则表示所选择蓄电池不满足要求，然后选取更大容量的蓄电池再次进行匹配，直至K3大于0时表示满足匹配要求。

以对某24 V车型进行蓄电池起动匹配为例，匹配过程如下。

1）确定最小容量 查得该车型起动机功率为3kW，根据经验公式（1）计算蓄电池容量范围为50～60 Ah。故从50 Ah蓄电池开始进行匹配计算。

2）计算C1整车设计静态电流为30 mA，要求车辆静置30天后仍能满足起动要求，蓄电池自放电率λ为1‰。根据C1计算公式得出C1=24 Ah。

3）计算C2起动准备阶段开启用电器列表（表1）。由C2计算公式得出C2=1.95 Ah。

表1 起动准备阶段开启用电器列表数据

4）计算C3汽车使用环境气温在-25 ℃时，发动机起动需要拖动电流500 A，拖动时间15 s，由C3计算公式得C3=2.08 Ah。

通过查蓄电池容量曲线，蓄电池在放电电流500 A，环境温度25 ℃时，其实际可用容量降低为原来的21%。故第1次起动后，蓄电池剩余可用容量K1=21%（50-24-1.95）-2.08=2.97 Ah。蓄电池剩余可用容量大于0，满足第1次起动要求，继续计算。

5）计算C4通过同样计算方法，列出起动间隔期间打开的用电器工作电流和工作时间。经过计算得出C4=1.2 Ah。

第2次起动后，蓄电池剩余可用容量K2=K1-C4-C3=-0.21 Ah。剩余可用容量小于0，说明所选蓄电池不满足要求，需要选更大容量的蓄电池，故选择60 Ah蓄电池进行计算。

6）选用60 Ah蓄电池进行计算 K1=5.07 Ah，K2=1.79 Ah，K3=-1.19 Ah，K3小于0，仍然不满足匹配要求，继续选择更大容量的蓄电池，故选择70 Ah蓄电池再进行计算。

7）选用70 Ah蓄电池进行计算 K1=7.17 Ah，K2=3.89 Ah，K3=0.61 Ah，K3大于0，满足起动匹配要求。

4 结束语

蓄电池起动匹配更科学，避免匹配蓄电池容量过小或过大，容量过小容易造成蓄电池馈电、起动困难等问题。容量过大会造成容量浪费，增加成本。

［1］ 郝飞，邓恒.汽车蓄电池系统模型及其验证（一）［J］.轻型汽车技术，2008（3）：15-19.

［2］ 郝飞，邓恒.汽车蓄电池系统模型及其验证（二）［J］.轻型汽车技术，2008（4）：22-25.

［3］ 张明森.汽车的电量平衡计算［J］.汽车电器，2010（10）：10-16.

［4］ 石志勇，韩勇，王宜海.汽车电平衡匹配设计浅析［J］.汽车实用技术，2015（4）：28-30.

（编辑 凌 波）

The Analysis of Vehicle Battery Matching Design

LI Jing-bin， LI Xing-guang
（Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.， Hefei 230601， China）

This paper demonstrates vehicle starting processes， and the power consumption of each process. Vehicle start times and battery residual capacity are used to evaluate matching results， which makes the matching design of automobile battery more scientific.

battery；matching design；capacity

U463.633

A

1003-8639（2017）04-0021-03

2016-11-10 ；

2016-11-24

李敬斌（1985-），男，工程师，主要从事汽车电气系统设计工作；李新光（1987-），男，工程师，主要从事汽车电器件设计工作。