大型客车蓄电池的选型和匹配设计

【摘  要】系统介绍某大型客车蓄电池的选型和匹配设计方法，根据动力配置和蓄电池性能参数，对蓄电池实际有效容量进行计算和分析，为最终选型提供可靠依据。

【关键词】蓄电池;有效容量;计算;分析

中图分类号：U463.633    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）05-0040-03

【Abstract】This paper systematically introduces the method of battery selection and matching design for a large bus. According to the power configuration and battery performance parameters，the actual effective capacity of the battery is calculated and analyzed.It provides a reliable basis for the final selection.

【Key words】battery;effective capacity;calculate;analysis

作者简介

蒋新奉（1981—），男，工程师，研究方向为车辆电器系统匹配设计。

、

蓄电池作为车辆唯一的储能设备，是汽车供电系统的重要组成部分，负责在发动机未起动前为用电设备提供电能需求，收到起动指令后，在5～8s内连续向起动机提供强大电流。

1  设计目标

整车采用电压24V直流电系统，根据动力配置参数，确定蓄电池配置的最优方案。要求满足国家相关行业标准，符合厂内实际生产规范标准，无过度成本浪费、无馈电和起动困难等缺陷，适用于全国大部分省市区域。

2  蓄电池额定容量的选择和计算分析

铅酸蓄电池技术成熟、成本低廉、耐低温性能突出，是目前大型客车配置的首选，本小节以普通型铅酸蓄电池的参数计算。

2.1  蓄电池额定容量范围计算

根据起动机额定功率和经验系数计算蓄电池的容量范圍，计算公式：

Q = μ × P / U（1）

式中：Q——蓄电池额定容量（20h），Ah;μ——经验系数（大客车μ取值600～800）[1];P——起动机额定功率，kW;U——起动机额定工作电压，V。

本案例工作电压为24V，起动机为发动机附件，参数显示额定功率为6kW，根据公式（1）计算得出蓄电池额定容量值：Q=150～200Ah。

2.2  蓄电池消耗容量的分析

公式（1）得出的结果只是范围值，如果仅凭这个依据来选择蓄电池的额定容量，有可能会存在起动困难或成本浪费等问题。

在实际运用中，车辆起动的瞬间，蓄电池基本上不是满电状态，期间因为外界环境温度、车辆使用用途和蓄电池本身性能等因素的影响，蓄电池实际的有效容量往往小于额定容量，所以上述结果还需优化。为了方便计算，需要引入几个概念：蓄电池实时温度有效容量、自放电消耗容量、静置期用电设备消耗容量和起动时消耗容量，详细介绍如下。

2.2.1 蓄电池实时温度有效容量的分析

铅酸蓄电池放电是一个化学能转化为电能的过程，环境温度不同，直接影响其有效容量。在低温环境实车使用过程中，我们经常会发现蓄电池未达到满额定容量却显示无法再继续充电的情况，导致蓄电池无法达到满电状态。《GB/T 5008.1—2005起动用铅酸蓄电池技术条件》标准中规定，额定容量试验温度为25℃±2℃[2]，但中国大部分地区冬季实际平均温度远远低于25℃，以中国中南部地区湖南省为例，长沙市2021年最冷月（1月）平均温度在4℃以上，日平均气温低于0℃有4.8天（本案例设定工作环境温度为0℃）。从蓄电池容量与温度关系曲线图，如图1所示，蓄电池在温度为0℃时，蓄电池实际有效容量为额定容量的73.2%，此时蓄电池的实际有效容量计算公式：

C1=C20×λΔt（2）

式中：C1——蓄电池实际有效容量，Ah;C20——蓄电池额定容量，Ah;λΔt——t时环境温度蓄电池容量比（0℃时，λΔt=73.2%）。

2.2.2 自放电消耗容量

因为蓄电池本身化学特质，即使不连接电路，也会产生自耗电，其耗电量大小由蓄电池的自放电率决定，不同厂家不同产品差异较大。本案例设定的静置期时长为30天，蓄电池厂商提供参数显示，普通型蓄电池贮存30天实际有效容量大于额定容量的85%，计算公式为：

C2=C20×（1-85%）（3）

式中：C2——蓄电池自放电消耗容量;C20——蓄电池额定容量。

2.2.3  静置期用电设备消耗容量

车辆静置期内用电设备消耗容量主要为用电设备的记忆电流消耗和必须开启的用电设备的电流消耗，与车辆具体配置的用电设备息息相关。根据以往的设计经验，同等配置的车辆静置期消耗电流维持在100mA左右，计算公式为：

C3=I×24×T/1000（4）

式中：C3——静置期用电设备消耗容量，Ah;I——静置期消耗电流（计算时I取值100mA），mA;T——静置时间（计算时T取值30天），天。

2.2.4  起动时的消耗容量

起动时的消耗容量主要包含两部分，一是起动前为保证起动安全提前运行的用电设备消耗，二是起动机起动发动机所消耗的电能。起动前需开启的用电设备及电流参数，如表1所示。

起动前用电设备消耗电容计算公式为：

C4=（I1T1+I2T2+…+InTn）/3600（5）

式中：C4——起动前用电设备消耗容量，Ah;In——用电设备工作电流，A;Tn——用电设备工作时间，s。

起動机消耗电容的计算公式为：

C5=Ist×Tst/3600（6）

式中：C5——起动机消耗容量;Ist——起动机工作电流，A;Tst——起动机运行时间，s。根据动力配置提供参数：发动机空挡时冷起动电流为450A，单次起动机工作时间为5～10s（计算时Ist取值450A，Tst取值10s）。

2.2.5 蓄电池额定容量的计算分析

查询《GB/T 5008.2—2013起动用铅酸电池产品品种规格和端子尺寸、标记》[3]所知，蓄电池额定容量在150～200Ah之间。从150Ah开始计算，按照上述公式计算得出：C1=150×73.2%=109.8Ah，C2=150×（1-85%）=22.5Ah，C3=100×24×30/1000=72Ah，C4=（3.1×120+4.5×90+10.8×90+87.45×120+20×120）/3600≈4.07Ah，C5=450×10/3600=1.25Ah。

蓄电池大电流放电不能单纯以蓄电池额定容量来计算，因为短时间内输出电流量过大，蓄电池无法在短时间内输出全部的储存电能，蓄电池额定容量越小，设定输出电流越大，蓄电池能持续工作的时间就越短。按照《GB/T 12535—1990汽车起动性能试验方法》的规定，汽车冷机起动试验允许连续进行3次，若发动机未能自行运转，则判定起动失败，起动失败间隔2min允许第2次起动[4]。通常的操作是关掉车辆电源，让车辆静置2min后再开启电源，重复第1次起动操作程序，而这期间蓄电池持续化学反应对消耗的容量进行快速补充，所以大电流持续放电对蓄电池损耗容量比只计算第1次起动，不需计入第2、3次起动容量消耗。查询蓄电池大电流放电容量曲线图，如图2所示，蓄电池在0℃时以450A电流持续放电10s，额定容量为150Ah、180Ah、195Ah的蓄电池剩余有效容量分别降为满电容量的23%、41%、42.6%，所以额定容量为150Ah的蓄电池第1次起动后，蓄电池剩余容量：Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=1.33Ah;第2次起动后，蓄电池剩余容量：Q2=Q1-C4-C5=-3.99Ah;第3次起动后，蓄电池剩余容量：Q3=Q2-C4-C5=-9.31Ah。

Q2值小于0，说明该蓄电池容量不足以满足第2、3次起动要求，增大蓄电池额定容量依次计算，蓄电池额定容量为180Ah的计算结果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=10.51Ah、Q2=5.19Ah、Q3=-0.13Ah;蓄电池额定容量为195Ah的计算结果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×42.6%-C5=14.68Ah、Q2=9.36Ah、Q3=4.04Ah。

蓄电池额定容量为195Ah时，计算得出Q3>0，说明该蓄电池容量满足我们的设计需求。

3  蓄电池选型的优化设计

由上文2.2.5小节可以看出，静置期用电设备消耗电流的大小以及蓄电池本身的性能参数对最终的计算结果影响较大，因此可以从下面两个方面进行优化。

3.1  电路结构的优化分析

大型客车因为配置的用电设备种类繁多，车辆静置期内100mA的消耗电流看起来不大，但是30天的合计却是一个不小的消耗。为了满足国家相关标准和数据实时上传，如发动机ECU、行车记录仪、GBOS（智慧客车运营系统）等用电设备的电源必须直接连接蓄电池。但是有一些设备在车辆静置期内实际上并不需要传输数据，产品厂家也要求提供蓄电池电源，如AEBS（自动紧急制动系统）、ECAS（电子控制的空气悬架系统）、缓速器等。为了减少不必要的能耗，除了记忆和国标必须要求的，在其他用电设备和蓄电池之间安装手动电源开关，方便在长时间的静默期内切断与蓄电池的连接。根据以往设计经验，相同配置的车辆在安装手动电源开关后，静默电流可降低至35～50mA左右（计算时，静置消耗电流取值50mA）。安装手动电源开关后，再次计算，C3=50×24×30/1000=36Ah。蓄电池额定容量为150Ah时，C1=109.8Ah，C2=22.5Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最终得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=9.61Ah，Q2=4.29Ah，Q3=-1.03Ah;蓄电池额定容量为180Ah时的计算结果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=25.27Ah，Q2=19.95Ah，Q3=14.63Ah。

安装手动电源开关后，蓄电池额定容量为180Ah时，Q3>0，该蓄电池容量满足设计需求。

3.2  蓄电池结构类型选择的优化分析

众所周知，不同结构类型的蓄电池对环境的适应力也相差悬殊，主要表现在蓄电池自放电和蓄电池实时温度有效容量两方面。目前国内市场上，免维护型的蓄电池在这方面的数据表现很不错。查询免维护型蓄电池容量与温度关系曲线图和自放电曲线图，如图3、图4所示。

从图3、图4中可以看出，免维护型蓄电池0℃时环境温度蓄电池容量比λΔt=81.9%，30天贮存后实际有效电容量为额定容量的92%。

按照不加装手动电源开关和免维护型蓄电池的组合方式计算，额定容量为150Ah时，C1=150×81.9%=122.85Ah，C2=150×（1-92%）=12Ah，C3=72Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最终得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=6.75Ah，Q2=1.43Ah，Q3=-3.89Ah;蓄电池额定容量为180Ah时的计算结果：Q1=（C1-C2-C3-C4）×41%-C5=22.26Ah，Q2=16.94Ah，Q3=11.62Ah。不加装手动电源总开关时，免维护型蓄电池额定容量为180Ah时，Q3>0，满足设计需求。

按照加装手动电源开关和免维护型蓄电池的组合方式计算，额定容量为150Ah时，C1=122.85Ah，C2=12Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最终得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×23%-C5=27.77Ah，Q2=22.45Ah，Q3=17.13Ah。加装手动电源总开关时，免维护型蓄电池额定容量为150Ah时，Q3>0，满足设计需求。

3.3  成本核算优化分析

经过一系列的计算可知有4个备选方案满足设计要求。方案1普通型195Ah蓄电池;方案2手动电源开关和普通型180Ah蓄电池组合;方案3免维护型180Ah蓄电池;方案4手动电源开关和免维护型150Ah蓄電池组合。从采购提供的价格对比表（表2）很明显看出：加装手动电源开关和免维护型150Ah蓄电池的组合方案（方案4）成本最低，是最优选方案。

4  高寒地区蓄电池的选型设计

上文3.3小节确定了工作环境温度在0℃时蓄电池类型及额定容量的大小，但是在中国北方和一些高寒山区，冬季最冷月日平均温度通常低于0℃，所以还需为这些特殊区域的配置进行核算（设定-18℃为工作环境温度）。

按照加装手动电源总开关和免维护型蓄电池组合的最优配置方式，查看图3，-18℃时环境温度蓄电池容量比λΔt=60%。查询-18℃时蓄电池大电流放电容量曲线图，如图5所示，蓄电池在-18℃时以450A电流持续放电10s，额定容量为150Ah、180Ah的蓄电池实际可用容量分别降为额定容量的16%、29%。根据公式计算，额定容量为150Ah时，C1=150×60%=90Ah，C2=12Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最终得出Q1=（C1-C2-C3-C4）×16%-C5=4.82Ah，Q2=-0.5Ah，Q3=-5.83Ah;额定容量为180Ah时，C1=180×60%=108Ah，C2=14.4Ah，C3=36Ah，C4=4.07Ah，C5=1.25Ah，最终得出：Q1=（C1-C2-C3-C4）×29%-C5=14.27Ah，Q2=8.95Ah，Q3=3.63Ah。

在-18℃的工作环境温度下，安装手动电源开关后，蓄电池额定容量为180Ah时，Q3>0，该蓄电池容量可以满足要求。

5  总结

根据计算结果，该车辆蓄电池的最终配置方案为：安装手动电源开关，在国内大部分地区（环境温度大于0℃），配置额定容量为150Ah的免维护型蓄电池;部分高寒山区（环境温度小于0℃），配置额定容量为180Ah免维护型蓄电池。

新开发的车辆按照上述设计方法配置蓄电池，在可靠性试验、起动试验、加载加速耐久试验中，蓄电池工作正常、运行稳定，未出现起动困难和馈电现象。试验结果表明，本文描述的蓄电池选型和匹配设计的方法有效可行，可应用于大型客车蓄电池的设计和优化核算。

参考文献：

[1] 王婷萍. 汽车电气系统的电源和负载匹配设计[J]. 汽车电器，2020（6）：47-49.

[2] GB/T 5008.1—2013，起动用铅酸蓄电池第1部分：技术条件和试验方法[S].

[3] GB/T 5008.2—2013，起动用铅酸蓄电池第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记[S].

[4] GB/T 12535—2021，汽车起动性能试验方法[S].

（编辑  凌  波）