混合动力汽车低压辅助供电系统充放电管理

俞剑斌，王 晨，周文太，于海生，易显科

(科力远混合动力技术有限公司上海分公司，上海201501)

由于铅酸蓄电池具有价格便宜、性能可靠等优点，绝大多数汽车都采用其作为弱电电源[1]。在传统汽车中，铅酸蓄电池的充电主要由发电机提供，但该发电机只能输出恒定电压，且整车一般没有对蓄电池状态进行监测，因此很少有人研究汽车铅酸电池的充放电管理，这在很大程度上限制了其使用寿命。

蓄电池的寿命除了取决于制造工艺外，很大程度上也取决于充放电管理。目前国内外对铅酸电池充电方法的研究较多，从恒流充电、恒压充电、三段式充电到脉冲充电的研究，此外还有智能充电装置的研究等[2-6]。但受成本和硬件的限制，大多数传统汽车都采用恒压充电策略，无法实现较复杂的充电方法。恒压式充电策略一般将充电电压设置在14～14.5 V，当对放电深度过大的蓄电池充电时，会引起初期充电电流急骤上升，易造成被充蓄电池过流及充电设备损坏等情况。同时，由于传统汽车中对蓄电池的放电也没有进行管理，导致经常出现充电不足或馈电现象，严重缩短了蓄电池的使用寿命。

随着汽车工业的发展以及2020年对汽车平均燃料消耗量限制在5.0 L内国标的实施，混合动力汽车将成为市场的主流。相比传统汽车，混合动力汽车增加了整车控制器和DC/DC等硬件，这对蓄电池充放电的管理提供了一定条件。本文在现有混合动力汽车硬件结构的基础上，寻找一种适用且有效的蓄电池充放电管理策略，并在某款车型上进行了实验，结果表明该管理策略效果良好。

1 铅酸蓄电池特性

铅酸蓄电池的主要部件是正负极板、电解液、隔板、电池槽，此外还有一些零件如端子、连接条、排气栓等[7]。

1.1 放电特性

在放电时，正负极部分变成PbSO4，其在形成之后一段时间内活性较高，如果在这一段时间内没有及时充电或者充电不完全，使它未及时转化为正负极活性物质，PbSO4则会在温度低时再重新结晶，在结晶质PbSO4上析出，这样一次又一次地重复，使结晶颗粒不断增大，成为导电性能差、难以溶解、充电时难以恢复的PbSO4结晶，即不可逆盐化。因此在蓄电池放电后应及时进行充电。

放电深度和容量的损失有很大的关系，在相同循环次数下，放电深度越大，电池的容量损失越多，研究表明尽量使电池放电深度不要超过70%，可以有效延长其使用寿命。

为了避免过度放电，应设置放电终止电压。而放电终止电压与蓄电池的工作电流有关，工作电流越大其端电压下降越快，因此需通过蓄电池的实际工作情况来合理设置其终止电压[8]。本文通过实验得到12 V铅酸蓄电池在不同放电倍率下的终止电压，如表1所示。

表1 不同放电率下的终止电压

1.2 充电特性

目前市场上的充电机大多集中在恒压式和恒流式的充电方式。对于恒流充电而言，大电流充电必然会导致蓄电池过流、过温、极板极化等现象，严重影响蓄电池寿命；若以小电流慢充，虽然对蓄电池寿命影响较小，但充电时间会相对延长，且恒流式充电会导致过充。对于恒压充电而言，充电电压设置低时，相应因充电电流小难以保证电池的容量值；反之电压设置高，充电初期电流大，温升快，则易消耗电池内的电解液，严重影响电池的使用寿命[9]。

2 系统结构及充放电管理

2.1 混合动力汽车低压辅助系统结构

图1为某款混合动力汽车低压辅助供电系统的结构示意图，该结构中发动机通过行星齿轮箱与永磁发电机连接，可以通过其发电，因此取消了传统汽车中与发动机相连的小发电机。系统中DC/DC的输入能量可由永磁发电机以及动力电池单独或联合提供，DC/DC的输出供电给车内低压负载以及12 V铅酸蓄电池。

图1 混合动力汽车低压辅助供电系统

该12 V蓄电池有三种状态：当蓄电池存储的电量充足时，其与DC/DC共同为整车低压用电设备供电；当蓄电池存储的电量不足时，DC/DC给低压用电设备供电的同时也给蓄电池充电；当整车处于弱电状态时，整车可工作的用电设备数量受到限制且全部能量由蓄电池提供。

图1结构中的DC/DC可由混合控制单元 (hybrid control unit，HCU)控制使其输出变化的电压，且DC/DC上有电压和电流传感器，如图2所示，其在一定程度上能够判断蓄电池端的电量情况，这给蓄电池充电策略的实施带来了一定条件。

图2 低压辅助系统电气结构

当上强电时，HCU通过控制DC/DC的输出电压使蓄电池处于理想的充电状态。由于DC/DC与蓄电池并联，上强电后当DC/DC输出电压比蓄电池高时，电压传感器的电压无法真实反映蓄电池的状态，因此这里将弱电时采集的电压作为判断依据。

2.2 控制策略

本文针对以上汽车电气结构，充分利用其现有软硬件结构对低压辅助供电系统进行充放电管理的研究。拟采用阶段式充电策略对蓄电池进行充电，尽量控制蓄电池在合适的放电深度，并设置终止放电电压，其控制流程如图3所示。

图3 充放电控制流程

上弱电时，为了避免蓄电池过放，应对其SOC进行监控，图4是蓄电池SOC值与开路电压的关系。由于弱电下蓄电池放电电流一般不会超过0.5C，其端电压相比开路电压会低0.4～0.5 V左右，因此当汽车处于弱电状态时，检测蓄电池端的电压：当电压U＜11.9 V且U＞11.4 V时，仪表上提示“建议上强电”；当电压U＜11.4 V且U＞10.8 V时，仪表提示“蓄电池电量低，请上强电”；当电压U＜10.8 V时，强制下电。

图4 SOC与开路电压的关系

当蓄电池电量满时上强电，控制DC/DC输出12.75 V的恒压，不仅可以减少DC/DC的功耗，还可以使低压用电设备处于更稳定、安全的状态。当蓄电池电量不满时，为了避免蓄电池大电流充电，控制DC/DC输出12.75 V的初始充电电压，并以每分钟0.125 V的幅度增加至浮充电压。浮充电压关系到是否过充或充电不足，这里设定为14 V，因为若设定电压高于14.4 V以上时会因过量充电使蓄电池内电解液中水强烈分解或导致极板脱粉，严重降低电池的使用寿命，甚至报废；而低于13.8 V将不能满足使用要求，造成电池长时间馈电，容易产生硫酸盐化。

当汽车下电后，可能会有较长时间不使用或电量不足的情况。以北京市为例，据统计表明，北京市民在非节假日，每天累积用车时间一般不会超过2.5 h[10]，有可能会导致蓄电池长期电量过低。因此在下电后，首先断开除DC/DC端外的所有高压，同时设置DC/DC的输出电压为0，并对蓄电池端电压进行监测：当电压U＞11.9 V时，执行完全下电；当U＜11.9 V且U＞11.4 V时，阶段式充电10 min后再完全下电；当U＜11.4 V且U＞10.8 V时，阶段式充电30 min后再完全下电；当U＜10.8 V时，提示“蓄电池馈电，请维护”。

3 实验验证

上述弱电状态下的电量监测及响应策略能够很好地避免蓄电池过放，且由于车辆大多数时间都处于强电状态，因此本文主要对上强电后的充电方式及效果进行实现和验证。该实验车中的DC/DC上设有电压传感器，能够监测到蓄电池的端电压，并通过CAN网络发送至HCU，HCU按照上述方法进行判断，向DC/DC发送控制信号控制其电压的输出，以实现阶段式充电或恒定浮充电压充电。

3.1 阶段式充电实验

当蓄电池分别处于馈电、中等电量、饱和时在NEDC工况下采集阶段式充电时DC/DC端输出电流情况，如图5所示。由图5可知电池馈电时的充电电流最大，因此只需保证馈电时电流不超过充电电流的限值，那么其他情况就能满足需求。

图5 低、中、高电量下阶段式充电的电流情况

上述实验采集的是DC/DC端的输出电流，由于DC/DC输出端同时连接了蓄电池和低压负载设备，NEDC工况时低压负载的情况不稳定，所以单纯从DC/DC的输出电流来判断蓄电池的充电电流可能受干扰较大。为了排除干扰，本次实验利用示波器直接采集蓄电池端的充电电流。

将小电池放电至馈电状态，上强电运行在NEDC工况下，通过示波器直接采集小电池端的充电电流，结果如图6所示。图6中的蓝框是因为开启了电除霜功能，大量耗电导致小电池充电电流减小，绿框是由于电除霜的频繁开闭导致的。从图6可以看出其充电最大电流为32 A，在合理的范围内，对蓄电池的寿命影响较小。

图6 蓄电池馈电时的充电电流情况

3.2 充电速度及充电效率对比实验

使蓄电池初始为低电量状态，静止下上强电，让DC/DC分别输出14 V恒压和阶段式电压给蓄电池充电至电流为10.5 A(此电流为DC/DC的输出电流，由于静止状态下，低压用电设备如各类型的控制器、仪表、显示屏等的工作电流约为7 A，所以此时蓄电池的充电电流为3.5 A)，采集此过程DC/DC端输出电流和电压，并计算消耗的能量，如图7所示。

图7 不同充电方式的充电情况及对比

由图7可知：14 V恒压充电初始电流为47.5 A，充电至电流为10.5 A用了3 800 s(约63.3 min)，消耗能量1 095 021 J；阶段式充电初始电流为18.5 A，充电至电流为10.5 A用了3 300 s(约55 min)，消耗能量858 870 J。因此，在相同初始条件下，阶段式充电策略比14 V恒压充电用时更少，且充电效率提升了21.56%。

3.3 电池饱和后减小浮充电压的实验

使蓄电池初始为满电量状态，整车运行在NEDC工况下，进行如下实验：DC/DC输出12.75 V的恒压；DC/DC输出阶段式电压；上强电后拔掉小电池的负极，使整车低压用电设备完全由DC/DC供电。DC/DC输出能量如图8所示。

图8 不同充电方法的DC/DC能耗

由图8可知：在运行初期，由于电池电量较高，而DC/DC端的输出电压较低，此时蓄电池为整车弱电提供了一定能量；阶段式充电策略中，由于DC/DC端电压随着时间的增加而增加，导致其与蓄电池端的压差也逐渐增加，出现给蓄电池充电情况，因此该策略下DC/DC所消耗的能量相比其他两种都要多。从图8中A处开始，阶段式充电所消耗的能量与其他两种的差距在逐渐拉大；两次实验消耗电能量：W阶段为6.89×105J，W恒压为5.46×105J。表明在满电量时，阶段式充电策略比12.75 V恒压充电策略多消耗0.04 kWh电量。

因此，当蓄电池电量满时，不采用阶段式充电策略，而是使DC/DC恒定输出12.75 V的电压，可以减少DC/DC的功耗，以降低整车能耗。

4 结论

本文通过对铅酸蓄电池的充放电特性进行研究，在此基础上结合混合动力汽车现有低压辅助供电系统结构，设计了铅酸蓄电池的充放电管理策略。

(1)提出通过弱电下的电压来判断蓄电池状态的方法，对蓄电池电量进行监控，针对可能出现的过度放电情况，通过对蓄电池电量的监控，当其电量过低时执行馈电保护机制；

(2)制定了适用于当前混合动力系统结构的阶段式充电策略，并通过实车实验验证了该策略相比14 V恒压充电策略，能有效提高蓄电池的充电效率、缩短充电时间，并且能够防止馈电时充电电流过大的情况；

(3)在弱电状态检测到蓄电池电量满时，上强电后将采用12.75 V的恒压输出，不仅能够防止蓄电池过充情况，又能使供给低压负载设备的电压保持稳定。

以上管理策略对混合动力汽车蓄电池具有重要的实用价值，能够使其实现更合理的充放电管理，以延长蓄电池的使用寿命。

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