复合电源低温起动应用研究

牛建民，薛 海，刘学霖，王 鹏，徐保荣

(1.北京特种车辆研究所，北京 100072;2.凯迈嘉华 (洛阳)新能源有限公司，洛阳 471000)

作为重型车辆起动用的储能部件是其车辆电源系统的关键部件之一，其性能的优劣直接影响着整车性能的正常发挥，事实上仅仅依靠蓄电池作为单一的重型车辆起动电源，很难满足严寒低温环境条件下车辆频繁起动、快速充放电及大功率能量输出等特殊场合的需求.

为提高重型车辆在严寒低温条件下的起动性能，车上大都安装有铅酸蓄电池红外加温装置，然而存在2个明显缺陷:1)当环境温度低于一定温度时加温系统开始对铅酸蓄电池壳体进行加温，而加温过程要消耗一定的电量，使铅酸蓄电池端电压出现明显的降低;2)在-30～-40℃的严寒低温环境条件下，由于环境温度低、散热快，导致铅酸蓄电池红外加温装置的加温效果并不十分明显，使蓄电池的低温性能没有得到有效改善，造成了既耗电又起动不着车辆的窘态.因此，迫切需要研究旨在弥补铅酸蓄电池性能不足的新型电源.

我们将具有高功率特性的超级电容器与高能量密度的铅酸蓄电池组成复合电源，有效地解决了车辆严寒低温起动难的老问题，并大幅度地提高了电源储能元件的使用寿命周期.

1 技术特点

1.1 铅酸蓄电池技术缺陷

车辆用铅酸蓄电池的电性能受严寒低温环境条件的影响较大，一般铅酸蓄电池电解液温度每降低1℃，电解液的比电阻要增加11倍，容量下降1%～2%，电解液粘度加倍，使得电解液很难渗入到极板内层，从而导致铅酸蓄电池电化学反应速度放慢，充电接受能力变差，实际输出容量减小;由于低温环境条件下车辆的润滑油粘度明显增大，使得发动机曲轴转动阻力矩随之增大，导致车辆电起动时需要的起动电流也增大，而铅酸蓄电池在严寒低温条件下的瞬间大电流放电能力受环境条件制约而不能充分发挥，导致车辆起动困难.

1.2 超级电容器技术优势

1)功率密度高.功率密度一般可达300～5 000 W/kg，相当于蓄电池的10倍.

2)瞬间大电流放电能力强.瞬间能够提供2 000 A左右的大电流，输出功率大，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率不低于90%.

3)内阻小.超级电容器的等效串联电阻远小于电容的ESR，在高速充放电情况下具有很强的功率储存能力.

4)充放电响应速度快.充电时间在10 s～10 min范围内就能达到其额定容量的95%以上，充放电路简单、安全，使用免于维护.

5)寿命长.超级电容器充放电寿命可达107次，没有“记忆效应”.

6)使用温度范围宽.可以在-40～+65℃环境条件下全天候使用.

7)无污染.超级电容器的密封结构使其电解质不会泄露在空气中，原材料的生产及拆解过程中也无污染，是一种理想的绿色环保电源.

2 试验方案

按照实际使用情况，试验研究方案按以下3种方案进行:方案1)先用铅酸蓄电池对车辆加热器供电加热，再用铅酸蓄电池单独起动车辆;方案2)先用铅酸蓄电池对车辆加热器供电加热，再用超级电容器模块单独起动车辆;方案3)先用铅酸蓄电池与超级电容器模块并联组成的复合电源对车辆加热器供电加热，再用复合电源起动车辆，详见图1.

图1 试验方案框图

3 试验分析

3.1 铅酸蓄电池单独起动车辆试验情况

3.1.1 试验条件及测试方法

在环境温度为-24～-40.3℃的露天条件下，将2块75%的额定容量 (额定容量为110 Ah)、24 V的阀控免维护铅酸蓄电池，随车辆冷冻36 h，然后进行车辆起动试验 (发动机功率为396 kW，起动电机功率为11 kW)，起动车辆时环境温度为-38～-40.3℃.

首先，接通蓄电池供电加热开关，对车辆加温装置进行供电加温，当发动机冷却水温由-34℃加温到72.3℃时停止加热.

然后进行3次起动，前2次进行发动机空马达起动，不供油，起动车辆发动机拖动时间2～3 s，第3次供油按正常方式起动.

3.1.2 试验结果与分析

利用75%额定容量铅酸蓄电池起动车辆，在经过11 min供电加热后，消耗电量5.005 Ah，经过2次不供油空马达起动和1次供油起动后，未能成功起动车辆，起动冲击电流为1 338.3 A，起动冲击电压为16.22 V，起动过程中的最大功率为21.71 kW.铅酸蓄电池单独起动车辆时的电流电压测试曲线见图2.

图2 蓄电池单独起动车辆电流电压测试曲线

从测试曲线可以看出:起动过程中蓄电池端电压由23.7 V变为16.22 V，蓄电池端电压降低幅值已低于技术要求，起动性能变差，不能正常起动车辆.事实表明，仅靠铅酸蓄电池单独供电来满足严寒低温环境条件下的车辆起动要求，尚存在明显缺陷.

3.2 超级电容器单独起动车辆试验情况

3.2.1 试验条件及测试方法

在环境温度为-24～-40.0℃的露天条件下，将27 V超级电容器模块和75%额定容量的110 Ah、24 V阀控免维护铅酸蓄电池随车辆进行露天冷冻36 h，然后进行车辆起动试验 (发动机功率396 kW，起动电机功率为11 kW).起动车辆时的环境温度为-38.7～-40.0℃.

为了进行试验对比，我们将试验电路和试验方法进行了调整，即用75%额定容量为110 Ah、24 V的阀控免维护铅酸蓄电池对车辆加温装置(与3.1型号不同)进行供电加温.蓄电池加温电路见图3.

当发动机冷却液温度由-32℃加温到71.5℃时停止加热，然后改变电路连接方式，即用超级电容器模块单独向车辆起动电动机供电.超级电容器模块单独起动车辆发动机电路见图4.

图3 蓄电池加温电路

图4 超级电容单独起动电路

直接供油起动车辆，起动拖动时间为2～3 s.当起动成功后立即熄火，30 s后按要求再进行2次供油起动.

3.2.2 试验结果与分析

车辆起动前，超级电容器模块静态电压为27.70 V，起动冲击电流为1 575 A，起动冲击电压为23.2 V.车辆起动成功后立即熄火，测量超级电容器模块的恢复电压为23.37 V.之后按规范又进行了2次供油起动，均能顺利起动.与用铅酸蓄电池单独起动发动机的效果相比，起动瞬间多释放电流236.7 A，起动冲击电压却比铅酸蓄电池单独起动时高出6.98 V，起动过程最大功率为36.54 kW，比铅酸蓄电池单独起动车辆时的输出功率大14.83 kW.当车辆起动成功后，若将发动机转速固定在怠速状态下不对超级电溶器模块进行补充充电，则会影响到连续起动车辆的次数.只有当发动机工作在充电转速以上时，超级电容器模块单独起动车辆的次数才会大幅增加;而当车辆长期放置不使用时，则会因超级电容器模块自放电造成电压下降，影响车辆起动.超级电容器模块单独起动车辆发动机的电流电压测试曲线见图5.

图5 超级电容器单独起动车辆电流电压测量曲线

测试结果表明，超级电容器模块具备弥补蓄电池低温放电能力差、起动冲击电压低及提供峰值负载脉冲功率的应用能力.

3.3 超级电容器与蓄电池组成复合电源起动车辆试验情况

3.3.1 试验条件及测试方法

在环境温度为-26～-41.6℃的露天条件下，将1块27 V电容器模块和1块75%额定容量为110 Ah、24 V的阀控免维护铅酸蓄电池随车露天冷冻36 h，然后进行起动车辆试验 (发动机功率396 kW，起动电机功率为11 kW).起动车辆时的环境温度为-39.2～-41.6℃.

试验前，用专用充电器对超级电容器模块进行充电，充电时间为1 min，充电终止电压为26.90 V.将充好电的超级电容器模块与1块75%容量的24 V、110 Ah的阀控免维护铅酸蓄电池并联连接，并联后端电压为26.10 V.试验电路接线图见图6.

图6 试验电路接线图

接通蓄电池供电加热开关，对车辆加温装置(与3.2同型号)进行供电加温，车辆发动机冷却液温度由-34℃加温到72.5℃.

共进行了5次起动试验.前2次只进行空马达不供油起动，起动车辆发动机拖动时间为2～3 s，从第3次开始正常供油起动.超级电容器模块与蓄电池组成的复合电源连续5次起动车辆发动机的电流电压测试曲线见图7.

图7 复合电源连续5次起动车辆电流电压测试曲线

3.3.2 试验结果与分析

利用超级电容器与1块75%额定容量的铅酸蓄电池组成的复合电源起动车辆，在经过长达1 h的供电加热后，复合电源的端电压由23.52 V降至23.40 V，消耗容量12 Ah.

起动车辆前，铅酸蓄电池容量为70.5 Ah，测量起动冲击电流为1 427 A，其中超级电容器模块提供电流1 056 A，铅酸蓄电池仅提供电流371 A.起动冲击电压为18.7 V，一次成功起动车辆.与铅酸蓄电池单独起动车辆相比，起动电流大88.7 A，起动冲击电压高2.48 V，冲击功率为26.68 kW，增大了4.97 kW;当起动成功后使发动机工作在充电转速以上时，充电时间2 min左右，当熄火后可以再次成功起动车辆;由于超级电容器的等效串联电阻远低于铅酸蓄电池的内阻，从而有效地阻止了铅酸蓄电池内阻的上升，降低了蓄电池的极化现象和大电流放电对蓄电池的冲击影响，同时使起动冲击电压得到较大提升，从而形成了对铅酸蓄电池的良好保护作用，延长了铅酸蓄电池的使用寿命和起动车辆的工作可靠性.

4 结论

通过3种试验方案的测试数据的分析与比较，可以得出如下结论:1)仅使用铅酸蓄电池进行低温起动车辆发动机，起动冲击电压一般低于技术要求，起动成功次数十分有限;2)单独使用超级电容器模块进行低温起动车辆发动机的次数会明显提高，起动冲击电压在23.2 V左右，车辆起动后若将发动机转速固定在怠速不充电的状态下，则会影响到下次起动车辆的成功率;3)利用复合电源进行低温起动车辆发动机的成功次数几乎不受限制，工作可靠性大幅度地提高.由于超级电容器模块的高功率特性，提高了起动冲击电压，所以延长了铅酸蓄电池的使用寿命;同时也找到了解决严寒低温环境条件下车辆起动难的新途径.复合电源技术的首次应用，对车辆严寒低温起动技术的应用和发展，具有重要的参考价值.

[1]翟楠松，张东来，徐殿国，等.超级电容国内外研究及应用现状[J].仪器仪表学报增刊，2007，28(8):1-4.