蓄电池对发动机起动性能的影响

任全水，吴宁，洪方明，袁爽，沈源，王瑞平,2

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800)

我国是汽车生产和消费大国，随着汽车工业的发展，车辆给人们的生活带来便利，但不断增加的车辆尾气排放也给我们的健康和环境带来诸多不利影响[1]。起动过程汽车污染物产生较多，作为评价发动机性能的重要指标，发动机起动性能已经成为目前汽车行业重要关注和研究的内容。由于电力起动系统具有结构简单、操作轻便、起动迅速、重复起动能力强的特点，在汽车行业得到广泛应用[2]。蓄电池是汽车电力起动系统的重要组成部分，其对发动机的起动性能起着至关重要的影响。

1 发动机起动系统

起动机和蓄电池是发动机起动系统最基本的部件，起动机将电能转换为动能，通过齿轮啮合传动使发动机从静止状态转至工作状态，蓄电池是起动机的能量来源[3]。

起动系统能量转换如图1所示，蓄电池中的电能通过起动机转化为机械能，克服发动机的阻力矩，使发动机正常运行起动，汽车得以正常行驶[4]。

图1 起动系统能量转换

2 蓄电池系统

经过一百多年的发展，铅酸蓄电池在产品应用及理论研究等方面得到了全面的发展。由于其具有成本低廉、安全性高、再回收方便、性能稳定等优点，在国民经济各个领域得到了广泛的应用。从中长期考虑，由于成本优势铅酸蓄电池仍将在电池行业占据重要地位[5-6]。

按照用途铅酸蓄电池可以分为很多种，在汽车行业多为起动照明(starting lighting and ignition，SLI)电池，主要为汽车发动机的起动、照明及点火(主要为汽油机和气体机)提供能量，同时也为车辆用电设备提供电能。其主要性能参数有静止电动势、电池内阻和电池容量等[7]。

1.1 静止电动势

静止电动势是指铅酸蓄电池在不充电也不放电时，单格电池正极和负极之间的开路电压，由正、负极板与电解液发生电化学反应产生，其大小由蓄电池电解液的相对密度和温度决定。工程上静止电动势EJ常用以下经验公式表示：

EJ=0.85+γ25℃，

(1)

式中:EJ为蓄电池静止电动势，V；γ25℃为25 ℃时蓄电池电解液的相对密度,g/cm3。

1.2 电池内阻

铅酸蓄电池内阻的大小代表了蓄电池负载能力的强弱，主要由极板、电解液、隔板以及极柱等组件的电阻组成。在蓄电池完全充电的情况下，极板电阻很小，但是随着蓄电池不断放电，极板表面覆盖的硫酸铅随之增多，极板电阻将随着变大。蓄电池电解液的电阻主要受电解液的温度和相对密度影响，低温度时电解液的粘度增大，电解液中的离子受到的阻力增大，扩散能力下降，导致电阻增大。而电解液的相对密度也会影响离子的扩散能力，过高或者过低都会导致电阻增大。蓄电池隔板电阻的大小主要由隔板的材料、厚度以及多孔性决定[8]。

1.3 电池容量

铅酸蓄电池的容量代表着电池对外供电能力的大小，是衡量电池性能的主要性能指标之一。它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)蓄电池放出的电量，由下式表达[9]：

C=Iftf,

(2)

式中:C为蓄电池的容量，A·h；If为放电电流(恒流) ，A；tf为放电时间，h。

3 发动机起动试验

为考核蓄电池及起动机的起动性能，结合实例进行发动机起动测试。

3.1 试验条件

选用某汽油发动机，进行多次发动机起动试验，试验发动机及主要试验参数见表1。

表1 发动机起动试验试验条件

3.2 试验步骤

1) 试验前使用专用的放电设备得到不同的蓄电池充电状态。

图2 4610 AUTO LINK电池测量仪

2) 通过电池测量仪测量蓄电池的主要性能参数，为了方便快捷地测试蓄电池的状态，选用4610 AUTO LINK电池测量仪进行测试，如图2所示，测量仪能够在试验前快速的得到铅酸蓄电池的状态参数，包括电压、容量、内阻、充电状态等参数。

3)进行发动机起动测试，测试过程中使用INCA软件与发动机ECU保持通讯进行数据采集，为了保证试验数据的准确性，每次起动试验中，进气歧管温度和水温保持一致。

4) 分析试验数据，通过专用的INCA数据分析软件(measure data analyzer)对试验采集的数据进行分析，得到起动转速、起动最低电压和起动时间等数据。

4 试验分析

结合每次试验前测得的蓄电池性能参数，对每次起动试验得到的起动转速、起动最低电压和起动时间进行分析。

通过对试验采集的数据进行整理分析，得到铅酸蓄电池充电率与内阻的关系以及铅酸蓄电池充电率与发动机起动转速之间的关系，如图3、图4所示。

图3 蓄电池充电率与蓄电池内阻关系 图4 蓄电池充电率与发动机起动转速关系

由图3可知，铅酸蓄电池的内阻随着蓄电池充电率的降低而升高，主要是因为蓄电池充电率越高，覆盖在极板表面的PbSO4减少，板极电阻会随之减小，从而蓄电池内阻变小，但是充电率低于40%时，其内阻快速上升。

由图4可知，发动机起动转速和蓄电池充电率没有明显的对应关系。

蓄电池充电率与发动机起动时间关系如图5所示，蓄电池充电率与发动机起动最低电压关系见图6。

图5 蓄电池充电率与发动机起动时间关系 图6 蓄电池充电率与发动机起动最低电压关系

由图5可知，发动机起动时间和蓄电池充电率没有明显的对应关系。

由图6可知，发动机起动最低电压和蓄电池充电率没有明显的对应关系。

5 结论

1)铅酸蓄电池的内阻随着蓄电池充电率的降低而升高，特别是充电率低于40%时，其内阻快速上升。

2)发动机的起动转速、起动时间、起动最低电压和蓄电池充电率没有明显的对应关系。

因此在汽车使用过程中，蓄电池的充电率保持在40%以上，可以为汽车提供最佳的电量供应。由于无法从起动时间等主观感受上判断蓄电池充电率的大小，所以汽车长期不使用时，建议定期起动为蓄电池充电，避免因蓄电池电量不足造成无法起动等问题。