混合动力汽车低压蓄电池充放电管理

包寿红，余才光，马智涛，张 彤，孟 刚，韩 磊

（1.吉利汽车研究院有限公司电子传动分院，上海 201500；2.湖北骆驼集团研究院有限公司，湖北 谷城 441705）

混合动力轿车有两类电池，一是高压蓄电池（或称动力电池）；二是低压蓄电池，与传统车一样，低压蓄电池为整车电器提供12 V的工作电源。高压蓄电池有比较完整的管理系统BMS，可以进行合理的充放电管理，确保高压蓄电池的正常工作，延长其使用寿命。而低压蓄电池一般是通过DC/DC装置，将高压蓄电池的电源转化为14 V的电源对低压蓄电池进行充电 （类似传统车的发电机对蓄电池充电）。由于低压蓄电池没有专门的充放电管理系统，何时充电以及以多大的电流充电没有一个合理的规范，很容易造成低压蓄电池的损坏。主要表现为两点。

1）在蓄电池电量出现严重亏空的情况下，DC/DC装置给蓄电池充电的电流异常大，并持续较长时间而造成蓄电池损坏。

2）在ACC/ON电源状态下，长时间使用电器，在此基础上又长时间的停放，蓄电池电量一直处于亏空状态，造成蓄电池损坏。

1 铅酸蓄电池充放电过程[1]

蓄电池充电过程是将电能转化为化学能在电池内储存起来的过程。这个过程中电解液浓度增加，蓄电池电动势升高，同时伴随水的电解，电解过程中将有气泡产生。

充电时化学反应总方程式为:

水电解过程中的副反应:

从式 （2）、 式 （3）两个反应式可以看出， 充电过程存在水的分解反应，这种分解反应在大电流过充电时更为明显。

蓄电池的放电过程是充电过程的逆过程，是将化学能转化为电能的过程。放电过程中，硫酸浓度下降，正负极上的硫酸铅增加，电池的电动势降低，电池在放电后两极活性物质均转化为硫酸铅。

放电时化学反应式为:

2 蓄电池充放电管理

2.1 蓄电池充电管理

2.1.1 蓄电池充电过程中的影响因素

1）大电流充电对蓄电池的影响

大电流充电对蓄电池的危害之一是造成极板活性物质大量脱落，特别是在大电流过充电的情况下。由于在充电过程中伴随着水电解的副反应，充电电流越大反应越激烈，如式 （2）、式 （3）所示，水电解后产生大量的氢和氧，当氢气从负极板的孔隙内向外冲出时，造成活性物质脱落。活性物质的脱落会使蓄电池容量下降，而且容易形成自放电和极板短路故障，因此在蓄电池充电过程中必须对充电电流进行限制。

大电流充电危害之二是蓄电池内部温升较快，特别是大电流持续较长时间。由于蓄电池散热不佳，很容易产生过热，使蓄电池的内阻下降，反过来又使充电电流进一步增加，内阻则进一步下降，如此恶性循环持续下去会出现热失控，造成蓄电池壳体严重变形以及相关线路温升急剧上升。

2）温度对蓄电池的影响

温度对蓄电池影响之一是蓄电池的容量，主要原因是温度变化时电解液粘度发生变化，影响了极板孔隙内的活性物质利用率。二是对蓄电池内阻的影响，因此间接影响了充放电时蓄电池的端电压。

图1是容量为100 Ah的新蓄电池，以0.1C倍率的标准恒定电流在不同环境温度下的充电特性曲线。温度在0～5℃时，其充电端电压会上升约2%，在10～25℃时充电端电压上升约1.5%， 而在35～40℃时充电端电压下降约1%，当温度高于55℃时充电端电压下降5%。由此可见，在充电过程中，温度的改变会对充电电压产生一定影响，造成蓄电池在冬季充电可能不足，而在夏季可能过充[2]。

2.1.2 稳压限流的电路结构及充电方法

在混合动力汽车中，由于发动机时常处于停机状态，靠发动机带动的发电机无法正常给12V低压蓄电池充电，因此给12V蓄电池充电的功能由DC/DC逆变装置实现，该装置一般集成在动力电池BMS或是电机控制器PEU中。图2是某款混合动力车型的DC/DC逆变装置，该装置集成在电机控制器PEU中。

当动力电池电量SOC大于设定值时，动力电池直接输出电流经DC/DC逆变器给12 V蓄电池充电；如果SOC值小于设定值，则起动发动机带动发电机，经PEU逆变器给动力电池充电，同时通过DC/DC逆变器对12 V蓄电池充电，并与12 V蓄电池一并给整车低压电器供电。

由于DC/DC逆变装置电源输出端和12 V低压蓄电池正极电源输出端并接在一起，作为整车用电器的电源输出，因此整车用电器和蓄电池都受DC/DC输出电流的影响。如果为了保护蓄电池而限制DC/DC的输出电流，有可能会出现无法满足用电器出现大负荷电流的要求；如果为了满足用电器大负荷电流的需求不限制DC/DC的电流，又会对蓄电池造成损害。因此这种充电电路必须能满足蓄电池小电流充电的要求，同时又要能满足大负荷用电器对电源的要求，图3就是按上述要求专门设计的电路。

在图3的电路结构中，ACC或ON档状态下使用DVD、点烟器等车载用电器，DC/DC逆变装置不工作，由12 V蓄电池通过续流二极管沿相关电路给用电器提供电源。

在READY或行车状态，DC/DC逆变装置开始工作，一是通过与车载用电器连接的电路给车载用电器提供电源，所需的电流大小由用电器的实际负载大小决定，但最大不能超过DC/DC逆变器的最大允许输出电流。二是通过稳压限流装置给蓄电池充电，稳压限流值与使用的蓄电池规格有关，充电的电流大小取决于蓄电池实际电量。当蓄电池电量不足出现亏电时，这时的充电电流值最大，但由于稳压限流装置限流的作用，电流大小一般不会超出1C倍率充电，确保蓄电池的活性物质不因电流过大造成脱落；充电一段时间后，蓄电池的端电压持续上升，充电电流逐渐下降，当蓄电池的端电压接近或达到稳压值时，充电电流趋近于零并一直维持。当出现用电器负载突增时，蓄电池通过续流二极管辅助DC/DC逆变装置给整车提供电源。

在蓄电池充电过程中，电流传感器检测蓄电池的实际需求电流，通过触发器控制稳压限流装置输出蓄电池所需的电流值，并限制最大充电电流。温度传感器检测蓄电池实际温度，稳压限流装置根据蓄电池的实际温度以及图1的充电曲线适当调整充电电流，避免出现在冬季充电可能不足，而在夏季蓄电池可能过充电的现象。当蓄电池温度出现异常时 （超过设定的极限温度），稳压限流装置可暂停给蓄电池充电，并发出警示。

表1是某款车型12 V蓄电池稳压限流充电装置给65 Ah蓄电池充电的电流、电压值，最大充电电流限制在1C倍率范围内，即电流最大不超过65 A。为了能明显区别限流的效果，采用了亏电状态和不亏电状态的蓄电池进行充电对比。

表1 蓄电池充电电压/电流值

表1中，电压1和电流1是亏电状态的蓄电池充电数据 （将蓄电池放电至9V，静止30min后电压恢复至11.9 V，直接起动车辆进入READY状态进行充电）；电压2和电流2则是正常状态的蓄电池（12.6V）的充电数据。在充电过程中每隔2min左右记录一次。为直观起见，将表1数据用图4的曲线表示。

从图4的电流1曲线可看出，由于蓄电池亏电，电动势E很低，因此充电电流很大，但由于限流的作用以及温度对充电电流的调节，在60 A左右开始趋于稳定并维持一定的时间，然后开始下降；如果没有限流的作用，充电电流将会沿虚线部分充电，电流将会接近75 A，然后较快地下降。电流2曲线由于最大的充电电流为34.5 A，未达到限流的设定值，因此电流不会在35 A左右稳定一定的时间，而是较快的速度下降。从图4可看出，正是由于限流的作用，即使蓄电池在亏电的状态下充电，充电的电流也不会超出设定的电流值，从而避免了大电流对蓄电池的伤害。

2.2 蓄电池的放电管理

2.2.1 蓄电池放电过程中的硫化现象

由式 （4）表明，蓄电池在放电过程中，两极活性物质均转化为硫酸铅。充电不足或者充足电量的蓄电池因过量放电，譬如在ACC状态下长时间使用音响设备等，使电解液中存在大量的硫酸铅，如果车辆长期放置不用，硫酸铅就会从电解液中析出，极板上会逐渐生成一层白色的粗晶粒的硫酸铅，这种物质很难在正常充电时溶解还原成活性物质 （称为硫酸铅硬化）。同时这种物质会堵塞极板的孔隙，阻碍电解液的渗入，导致容量下降，内电阻增大，起动和充电性能明显下降。充电时，充电电压和电解液温度会异常升高，并过早发生气泡；放电时，电压下降很快，严重影响蓄电池的寿命。

2.2.2 ACC/ON电源状态下的自充电方法

传统汽车在ACC/ON电源状态下，如果长时间的使用音响等电器，由于发动机没有工作，因此交流发电机无法给蓄电池及时充电，很容易使蓄电池过度放电，如果车辆再长时间停放，蓄电池就会出现极板硫化的现象，影响了蓄电池的使用。

在混合动力车型中，由于采用了智能起动系统，通过PS模块 （或者HCU）实时检测蓄电池的电压，当蓄电池电压下降到所允许的下限值时自动起动充电系统，就可以达到防止蓄电池出现过度放电的现象，从而避免蓄电池出现极板硫化的问题。

图5是某混合动力车型蓄电池自充电系统拓扑图，该系统主要由无钥匙起动系统PS、整车控制器HCU以及电池管理系统BMS和电机控制器PEU组成（PEU内含DC/DC功能），可以将直流288 V的动力电源转换成低压直流电源给12V蓄电池充电。

蓄电池自充电系统工作过程如下。

1）整车电源处于ACC或ON状态时，由于较长时间内使用音响等电器，使蓄电池电压有所降低，当PS模块内部电源监测电路检测到电压低于设定值时，开始进入自行充电模式。

2）PS模块控制相应的电路闭合，并向HCU提出充电请求。

3）HCU进行诊断，确认进入READY的条件满足，则接通主继电器，使PEU、BMS、EMS进入工作状态，并起动DC/DC转化，如果同时检测到动力电池SOC值低于设定值时，起动发动机充电。

4）动力电池的SOC值充电到设定值时，停止发动机充电，保持READY状态，以备随时行车需要。

5）如不需使用电器，可按PS模块上的POWER开关退出，使电源回到OFF状态。

根据上面所述的工作过程，将其转化成图6所示的蓄电池自充电流程图。

3 结论

铅酸蓄电池正常使用寿命一般为2年，如使用不当，蓄电池容易出现极板硫化和活性物质脱落，以及由此造成的自放电和内部短路问题。传统车中蓄电池充电由发电机提供，而发电机提供的充电电源只稳压而不限流，因此不能控制大电流充电的现象发生；在ACC/ON档位使用音响等设备时，传统车的蓄电池放电后不能得到及时补充，因此会出现蓄电池电量不足，如果长期放置，就会出现极板硫化的现象。

而混合动力车可以采用DC/DC模块以及动力电池管理系统BMS、发动机控制器EMS、无钥匙起动系统PS、整车控制器HCU等共同完成对低压蓄电池的管理，在充电过程中，当蓄电池电动势较低 （亏电状态）出现大电流充电时，可以对大电流进行限制，并通过温度的检测对充电电流进行适当调节；当电源在ACC/ON档位使用音响等设备时，如蓄电池端电压降到所允许的设定值时，蓄电池自充电系统将自动起动进行充电，可有效防止蓄电池电量不足又长期放置出现的极板硫化现象的发生，确保低压蓄电池的正常工作，减少DC/DC向低压蓄电池的充电量，提高系统节油率，这也是混合动力车有别于常规动力车的特点之一。

[1]蓄电池维护保养手册[Z].湖北骆驼电池股份有限公司，2007.

[2]杜 军.基于P89V51RD2的多功能蓄电池充电系统设计[J].国外电子元器件，2006，（7）:53-57.

[3]GB/T 5008.1-2005起动用铅酸蓄电池技术条件[S].中华人人民共和国国家标准，2005.