新型汽车双电瓶系统设计

陈文仪 孙震堃 陈自能 吴俊涛 石永斌 彭树颖

厦门大学嘉庚学院机电工程学院 福建省漳州市 363105

1 引言

随着汽车普及率的提高，汽车在人们日常生活中起着越来越重要的作用。进而使得汽车的安全性、稳定性、舒适性显得更加重要。汽车电瓶作为汽车关键的部件，其稳定性尤其重要。目前大多数汽车的电瓶采用的是单一电瓶设计，即在汽车正常行驶的时候，通过发电机向所有用电设备供电，同时向电瓶充电。这种常规的设计存在一个技术问题，就是汽车发电机只有在发动机正常运转时才能进行发电，如果汽车处于怠速或者是汽车发电机发生故障不能发电的时候，又或者如果汽车发动机不在行驶状态下，车内电器仍然长时间工作，这些都会导致汽车电瓶出现亏电的情况，结果势必会影响汽车的正常驾驶，例如会出现发动机熄火、刹车失灵、防抱死装置失效等严重后果；如果这时汽车处于停止状态，那么汽车启动时就会存在发动机不能正常启动的问题，从而使汽车处于瘫痪状态，这时候要想启动汽车，就需要通过连接另外一辆汽车的电瓶或者将汽车拖至修车厂内维修才能解决，这样给车辆使用人员造成了非常大的麻烦。

2 设计思路

针对以上问题，经过研究分析，本方案设计了一款新型的汽车充电系统，以保证汽车在启动和行驶过程中有稳定充足的电能供应，解决了汽车出现电瓶亏电时的一系列问题。

具体的，本设计方案特别设计了一套新型的汽车充电系统，这个系统的中心就是在汽车充电回路中增加一个副电瓶，与汽车发电机充电回路的主电瓶形成主备关系，这样当主电瓶电量不足时，可以采用副电瓶对汽车电器供电，从而保证汽车在任何情况下都能够正常运行，使得汽车因为主电瓶亏电而导致的一系列运行故障迎刃而解。

为了达到这一目的，在汽车双电瓶系统设计中提供了两种方案，方案一：采用共用回路对主、副电瓶进行充电，即主、副电瓶共用一套充电回路；方案二：采用独立回路对副电瓶充电，即副电瓶采用单独的回路充电。为了选取最优化的方案，对以上两种方案进行了研究分析。

2.1 方案一：采用共用回路对主、副电瓶进行充电

采用主电瓶原有充电回路对副电瓶进行充电，即两者共用一套充电回路，这一设计是目前新型汽车双电瓶系统设计中通用的一种充电方式，在部分重型汽车中得到了广泛应用。这种设计中，一般是选用一个与主电瓶容量相当的副电瓶，与主电瓶采用并联的形式连接在充电回路中。这样设计的优点是：结构简单，工作量小，适合于对现有汽车单电瓶系统的改造。但是由于两组电瓶采用并联的方式连接，存在充放电不一致的问题。在双组电瓶并联充电情况下，易使车辆充电系统负载过重，导致充电系统故障甚至损坏充电电路部件；在双组电瓶并联放电的情况下，会出现因电瓶性能的差异导致自放电严重的问题，浪费了一部分电能，同时缩短电瓶使用寿命[1]。除此以外，由于汽车电瓶容量的设计是和汽车发电机的能力是相匹配的，通常在正常行驶速度下，汽车发电机输出的电能基本只满足对一只电瓶充电，因此这一方案的充电系统设计存在一些严重的技术问题，导致双电瓶系统稳定性差、性价比低等问题。

2.2 方案二：采用独立回路对副电瓶充电

为了避免共用一套充电回路出现的问题，方案二设计了一套副电瓶独立的充电回路。结合汽车行驶的特点，这一充电回路利用新能源发电的技术，采用风力发电技术对副电瓶进行充电。具体的，在汽车前脸位置安装风轮，利用汽车正常行驶过程中产生的风能，结合风力发电技术，对汽车副电瓶进行充电。由于单个风轮产生的风能比较小，因此在实际应用中可以根据汽车前脸的位置情况，对风轮的大小、叶片的数量及形状进行特殊设计，以提高汽车行驶过程中的风能利用。其结构简图如图1所示。

图1中，本系统设计的风力发电系统由风轮、发电机、充电控制器以及电瓶构成。在风力发电机的选用上，根据汽车正常行驶在60km/h 的状态下，其风轮最大能够达到800r/min，可选用600W 的永磁直流发电机，其额定电压为12V；选用100Ah 的免维护蓄电池，以保证风力发电机在汽车正常行驶过程中，可以有效地对副电瓶进行充电控制。[2]

这一方案的优点在于：由于副电瓶充电回路与原来汽车主电瓶充电回路相独立，因此解决了两个电瓶并联存在的充放电不一致问题；同时因为利用了汽车行驶过程产生的风能，提高了能源利用率，起到了节能减排的作用。但是由于这一方案对风力发电系统的机械设计要求增高，并且由于汽车前脸位置的限制，风能不能很好地利用，因此存在进一步优化的可能性，比如增加新能源利用途径，采用目前比较先进的风光互补技术，引入太阳能和风能一起对汽车副电瓶进行充电，可以最大限度地提高能源利用率。

为了方便驾驶员了解副电瓶的充、放电状态及剩余电量等情况，还需要在驾驶室增加副电瓶充、这样放电指示灯，以及剩余电量显示装置，可以使汽车驾驶员随时掌握主、副电瓶的电量情况。另外为了方便驾驶人员操作，还在驾驶室相应的位置设置了切换开关，让驾驶人员可以根据主、副电瓶电量情况进行手动的切换。这样就可以避免两个电瓶同时放电时造成的性能下降，甚至因为自放电导致损坏电瓶的问题出现，同时手动切换开关增强了驾驶员的可操作性，可以方便快捷地控制汽车双电瓶充电回路。

图1 汽车双电瓶系统结构示意图

图2 采用风力发电技术的汽车双电瓶系统结构图

3 电路工作原理

以利用风力发电对副电瓶单独充电为例，本方案设计了两套独立的充电回路，一路是主电瓶的原充电回路，采用传统设计方案，即汽车发电机靠与之相连接的发动机转轴的转动，将机械能转换成电能，然后对主电瓶进行充电；另一路是在汽车前进气格栅位置设置风力发电机，将汽车行驶过程中产生的风能通过风力发电系统转化为电能，然后通过充电控制器对副电瓶进行充电，电路结构图如图2所示。

由于本设计中两套电池充电系统相对独立，可以有效地保障主、副电瓶各自的充电效果，使得当主电瓶亏电的时候，汽车驾驶人员可以通过切换开关，用副电瓶存储的电能代替主电瓶承担整车电器设备的用电需求，从而达到互为备用、在线切换的优良效果。

4 效果

通过上述设计，在汽车原有充电系统的基础上，采用双电瓶控制系统，能够最大限度地利用汽车行驶时产生的风能作为汽车辅助能源，起到充分利用能源，实现节能减排的作用；同时在汽车主电瓶电量不足时，尤其当汽车主电瓶亏电时，能够使汽车正常运行，避免了常见的汽车搭电救援的情况出现，真正起到备用的重要作用。

作为本设计的改进方案，可以从新能源的获取途径及控制电路两方面进行。如采用“风光互补”系统，把风能和太阳能结合在一起，作为副电瓶充电电源的来源；另外在电路设计中，可以引入自动切换装置代替本系统的人工切换开关，达到监控主电瓶电量不足时，系统自动切换到副电瓶供电的目的，这就需要对双电瓶控制系统进行进一步的优化设计。

鉴于该项设计方案具有一定的先进性及推广价值，目前项目小组已对该项设计方案申请专利保护，并已经由国家专利局受理。