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混合动力汽车低压蓄电池充放电管理

2012-09-03包寿红余才光马智涛

汽车电器 2012年10期
关键词:稳压限流极板

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.

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